五里堠煤礦奧灰水承壓開采安全技術措施應用

張昱昊

（山西潞安集團左權五里堠煤業有限公司，山西晉中032600）

1 概述

山西潞安礦業（集團）有限責任公司全面接管左權縣五里堠煤礦，整合后名稱核準為山西潞安集團左權五里堠煤業有限公司，整合后井田面積為9.8506km2，生產能力為120×104t/a，服務年限為43a。3#、4#煤層作為上組煤進行開采，15#煤層作為下組煤進行開采。

15#煤位于太原組一段下部，平均厚度為18.35m，下距太原組底界砂巖(K1)0~2.36m，平均0.96m。上距9#煤層35.99~97.12m，平均63.27m。15#煤層的厚度為4.95~6.66m，奧灰含水層頂界面距15#煤層底板距離約26.2~30.98m，煤層底板和奧灰含水層之間的巖層為泥巖、鋁質泥巖、細砂巖，正常情況下，僅從巖性看，可以起到隔水作用，但15#煤距離奧灰含水層較近，應引起注意。

2 突水危險性分區及承壓開采方案

2.1 突水危險性分區

根據評價區域內鉆孔資料計算，15#煤層開采奧灰巖溶水突水系數變化范圍為0~0.087MPa/m之間，井田東部地區煤層底板標高高于奧灰水位標高，不承壓，其煤層開采不會受到奧灰巖溶水的威脅。由東往西突水系數逐漸增大，根據鉆孔ZK3-2資料計算出的突水系數達到了0.087MPa/m，根據計算，15#煤層奧灰水承壓開采安全性分區分為三個區：

（1）井田內，15#煤層底板等高線在880m以上的區域為不承壓區，承水壓力下，底板奧灰突水概率相對較低。

（2）15#煤層底板等高線在880m以下的區域為奧灰水承壓開采，承壓區奧灰水的突水系數小于0.06MPa/m的區域，屬于承壓分區中的Ⅱ區，該區不受構造影響的地段為承壓開采安全區域，受構造影響的地段存在突水危險性[1]。

（3）Ⅲ區主要是井田西部突水系數大于0.06MPa/m，在DF40、DF14以及DX21、DX24、DX26等較大斷層、陷落柱等構造附近區域，突水危險性大。DF40、DF14斷層的斷距大于20m，破壞了隔水底板的完整性，錯斷了隔水底板，使局部隔水層相對變薄，導致底板抗壓能力降低。DX21、DX27、DX26、DX24、DX12等陷落柱發育面積大，根據地面瞬變電磁探測，這些陷落柱部分富（導）水，形成了導通上部水體和開采空間的天然通道；另外，這些陷落柱的存在使得頂板冒裂帶發育高度增加，從而形成可能的導水通道。

2.2 承壓開采方案

（1）Ⅰ區內，15#煤層底板等高線在880m以上的區域為不承壓區，在該區域的煤層開采，應關注煤層頂板含水層的突水以及3#、4#煤層采空區的突水問題。

（2）在承壓開采Ⅱ區，奧灰水的突水系數均在0.06MPa/m與0.1MPa/m之間，在該區域，底板受構造破壞的地段是防治水的重點區域，防治水方案應以充水通道的封堵為主，對斷層破碎帶或導水陷落柱進行注漿加固，對于較大斷層、陷落柱，應留設防水煤柱[2]。

（3）在承壓開采Ⅲ區內，奧灰水的突水系數達0.7MPa/m之間，工作面在該區域進行回采時突水危險系數大，在回采過程中若揭露斷層、陷落柱等地質構造時必須提前注漿加固并抬高工作面標高，預留隔水煤柱；同時應建立完善的水情實時監測系統，加強奧灰水的監測，完善礦井排水系統，確保煤礦安全開采。

3 承壓開采安全技術措施

3.1 地質構造探查及治理

3.1.1 陷落柱、斷層富（導）水性的探查

本井田斷層、陷落柱富（導）水性的探查的重點是承壓區（尤其是15#煤層突水系數T大于0.3MPa/m的區域）的斷層、陷落柱以及井田西北部背、向斜區域的富（導）水狀況。所以井下決定采用井下物探、鉆探手段對回采前方構造的富水性進行超前探測

（1）采掘巷道掘進前，首先采用礦井瞬變電磁法超前探測技術，對掘進頭前方進行超前探測，若發現低阻異常區必須及時采用鉆探技術手段進行驗證，對鉆探驗證的地質構造必須采用注漿加固技術進行治理；若掘進頭前方未發現低阻異常區，則保持30m以上的超前距離正常掘進，目的是為查明巷道施工前方導水構造及富水范圍[3]。

（2）在工作面回采前選用坑透方法探測，當物探方法探測結果說明斷層、陷落柱具有富水特征時，需要鉆探探查驗證，若構造存在富水時應及時進行注漿治理；若不富水為了避免采動對構造產生擾動影響發生透水事故，可采用水位法以及埋設傳感器方法進行聯合監測。

3.1.2 斷層、陷落柱的封堵治理

（1）在主要巷道施工過程中通過的構造破碎帶或煤巖層破碎帶，應采用注漿加固技術手段對承壓區頂板進行加固，防止滯后突水事故發生，如圖1所示。在大巷掘進及工作面回采階段，物探或超前鉆探如遇較小的導水斷層構造可采取封堵導水通道加以治理。

圖1 掘進巷道導水構造注漿封堵示意圖

（2）注漿后應打檢查孔進行注水試驗，檢查孔分布合理保證能夠對所有注漿孔進行檢驗，注水壓力應為承壓水壓力的1.0~1.5倍，確定注漿有效后方可揭露斷層；若發現逐漸失效或不合格時必須重新注漿，在布置新注漿孔時，應盡量利用注漿改造充填導水裂隙是防治底板突水的重要技術手段[4]。

3.2 承壓工作面回采防治水技術措施

3.2.1 工作面優化布置

（1）控制工作面斜長：工作面斜長的大小直接影響到煤層底板擾動破壞帶的深度。對于當保護層薄強度不夠或構造裂隙發育時，可采用大面改小面，根據礦井實際情況，在不影響礦井開采規劃的前提下，縮短工作面切巷長度，從而降低工作面突水風險。

（2）調整工作面布置：綜采工作面布置時應避開落差在5.0m以上的大斷層，以降低因礦壓作用引起的回采工作面應力剪切帶與斷層裂隙擴張帶疊加破壞導致突水事故發生。

（3）頂板控制：初采工作面若回采應力小、頂板堅硬頂板難以垮落時，為了減小懸板面積可采用爆破、水壓致裂等技術手段進行強制放頂，并根據工作面回采工藝及地質條件制定相應控制措施，并合理控制初次來壓步距[5]。

（4）底板預注漿加固：根據水文地質條件明確工作面存在大斷層后，在斷層前20m處時對頂板施工俯斜探水鉆孔，并進行超前注漿加固，提高底板隔水層放水能力，避免底板突水事故發生。

3.2.2 底板注漿加固

由于五里堠井田15#煤層到奧灰的距離較近，為13.05~30.98m，回采工作面投產前必須對物探底板區進行注漿加固改造。

（1）在對底板進行注漿加固前應由地測部門明確底板注漿區低阻異常區、破壞裂隙帶、構造裂隙帶等分布情況，以及區域突水系數、突水壓力等參數；注漿區域應擴大至工作面100~150m范圍，注漿后經驗收合格后方可回采。

（2）注漿施工時注漿孔應間排距分布均勻，注漿排距控制在10~15m范圍內，注漿間距控制在5~10m范圍內；注漿加固改造深度必須達到奧灰中，異常區若工作面上、下副巷位置，底板注漿加固區域應延伸至工作面外邊緣25m處。

（3）注漿材料選用高強度水泥和水玻璃混合漿液；注漿期間應合理調整注漿液濃度，保證注漿液在裂隙區具有足夠的擴散半徑；注漿施工過程中應合理控制注漿壓力，注漿一段時間后在注漿口卸壓，使漿液不流或少流向出水口。

（4）底板注漿加固改造套管下套管時，應纏麻繩、麻片，外敷水泥頂入孔內，待注漿固結后，進行耐壓實驗，壓水不低于實際水壓的2倍，并持續20min以上，周圍巖層不得有跑漿現象，套管不得松動，否則重新加固套管。

4 結束語

五里堠煤礦為了避免15#煤層奧灰承壓水對采掘工作面施工影響，對15#煤層承壓突水區域提出合理有效的開采方案，以及防治水技術措施，有效保證了后期采掘工作面安全施工，降低了承壓水對采掘工作面施工影響，避免了水害事故發生，取得了顯著應用成效。