顧北煤礦A組煤首采區灰巖水害探查治理技術探討

蔡有京，竇春遠，魏 健

(淮浙煤電有限公司顧北煤礦，安徽省淮南市，232001)

礦井水害一直以來是兩淮煤田的重大災害之一，嚴重威脅著礦井的安全生產[1-2]。雖然淺部煤炭資源逐漸枯竭，但深部煤炭資源儲量豐富、煤質較好，因此，煤礦逐步向深部水平延伸開采，不得不面臨灰巖水害的威脅。近年來，兩淮礦區發生過較大的灰巖突水事故，如2013年2月3日淮北礦業集團桃園煤礦發生一起奧灰陷落柱突水，事故造成1人死亡，礦井被淹；2017年潘二煤礦“5·12”灰巖突水事故，最大突水量為14 520 m3/h，事故造成礦井被淹[3-4]。深部灰巖水一旦通過導水通道涌入工作面，就會造成難以估計的經濟損失和惡劣的社會影響。筆者以淮南礦區顧北煤礦南-1煤采區為研究對象，系統分析了深部灰巖水害探查治理技術方法[5-7]，論證了防治水工程治理效果。

1 研究區水文地質條件

淮南礦區根據斷層分布及富水性特征將水文地質單元劃分為南、中、北三大類，而中部和南部單元又分別有3～4個亞類，即中-1～中-3和南-1～南-4。淮南礦區水文地質劃分如圖1所示。顧北煤礦南-1煤采區含水層自上而下有新生界松散含水層、二疊系煤層砂巖裂隙含水層及深部灰巖巖溶裂隙承壓含水層。

圖1 淮南礦區水文地質劃分

在井下實際生產期間，松散含水層不會造成威脅，而在煤巖巷掘進期間，煤系砂巖水常以淋、滴水為主，通常也不會造成突水威脅。研究區內A組煤層底部太原組灰巖巖溶裂隙承壓含水層由于水壓較高，且隔水層間距較小，對工作面開采構成的威脅較大。

同時區內奧灰鉆孔揭露資料顯示，奧灰厚度65.4～68.9 m，區內補勘鉆孔抽水試驗資料顯示，單位涌水量q為0.000 46～0.000 70 L/(s·m)、滲透系數K為0.000 63～0.000 97 m/d，富水性弱。通常在沒有垂向導水通道或陷落柱發育區域內，奧灰水與上部太灰水之間的水力聯系較弱。

2 研究區灰巖疏放性試驗

為查明南-1煤采區C3Ⅰ組灰巖含水層巖溶發育、富水性、滲透性等特征及其空間變化規律，查明C3Ⅰ組灰巖含水層與下部相鄰含水層C3Ⅱ組、C3Ⅲ組灰巖含水層以及奧陶系和寒武系灰巖含水層之間水力聯系，確保受灰巖水影響礦區A組煤層安全開采，顧北煤礦先后在南-1煤采區對C3Ⅰ組灰巖含水層實施兩期多階段井下灰巖群孔放水試驗工程[8]。

第一期放水試驗于2020年3月、12月分兩階段在13121運輸巷底抽巷開展井下C3Ⅰ組灰巖群孔放水試驗。試驗實施期間(2020年3月20日-29日、2020年12月7-23日)利用地面27個水位觀測孔、129個灰巖鉆孔對C3Ⅰ組灰巖含水層的疏放情況進行研究分析。

通過收集放水試驗過程中水位、水壓及水溫變化資料，表明淺部灰巖含水層與試驗區域深部灰巖含水層之間水力聯系不密切，采區A組煤底板灰巖含水層以靜儲量為主，巖溶裂隙不發育，C3Ⅰ 組含水層與下部灰巖含水層之間的補給和徑流條件較差，C3Ⅰ 組含水層具有“衰減快、易疏放”的特點。

2021年4-5月開展了顧北煤礦南-1煤采區第二期群孔放水試驗，本次放水試驗選取37個試驗孔，其中井下放水及測壓孔24個，包含13121運輸巷底抽巷C3Ⅰ組灰巖疏放水孔1個，地面灰巖水位觀測孔13個。地面觀測孔的位置分布如圖2所示。

圖2 地面觀測孔位置分布

在對井下灰巖鉆孔進行疏放試驗期間，通過動態監測地面灰巖觀測孔水位變化情況，如圖3～圖5所示，井下灰巖疏放水體主要為C3Ⅰ組灰巖水體，在疏放及恢復過程中，采區內C3Ⅲ組、奧陶系、寒武系灰巖組水體水位未有明顯變化。此現象分析認為：采區內C3Ⅰ組灰巖水體與深部奧陶系、寒武系灰巖水體之間未存在水力聯系，同時反映采區地面區域探查治理工程效果顯著，成功封堵了C3Ⅰ組灰巖水體與深部C3Ⅲ組、奧灰含水層水體之間的垂向裂隙通道。

圖3 C3Ⅰ組灰巖含水層水位曲線

圖4 C3Ⅱ及C3Ⅲ組灰巖含水層水位曲線

圖5 奧灰和寒灰含水層水位曲線

3 研究區地面區域探查治理

從注漿設計原則中鉆孔間距的合理性角度進行研究分析，運用COMSOL Multiphysic數值模擬不同注漿參數下水泥漿液在灰巖地層中的擴散規律[9-10]。本次研究注漿參數以注漿壓力7 MPa，粘度系數0.008 Pa·s，水灰比1.9為基準，通過修改注漿壓力P、粘度系數μ和水灰比R等參數，羅列出4種工況進行注漿模擬分析，具體情況見表1。不同工況條件下漿液擴散模擬如圖6所示。

表1 不同工況條件下的注漿模擬

圖6 不同工況條件下漿液擴散模擬

圖6中棕色區域為漿液充填完全密實區，其范圍外有一層半密實區漿液擴散圈層，再往外延伸至無壓區。當漿液擴散至半密實區邊緣時，注漿壓力顯著降低，注漿效果較差，在密實區范圍時，注漿壓力較大，巖層中的裂隙被漿液完全充填，注漿效果較好。

通過對以上4種工況條件進行模擬分析，探究出注漿參數與漿液有效擴散半徑之間的關系，為實際地面區域治理工程中注漿參數選擇提供一定的理論指導。本次研究的各種工況條件下漿液有效擴散半徑見表2。

表2 漿液擴散半徑數值模擬結果 m

由注漿工程質量分析結果可知，采區內所有注漿孔壓力均在7.0 MPa以上，注漿孔間距為60 m。漿液擴散范圍數值模擬結果顯示，注漿壓力為7.0 MPa時，巖體漿液有效擴散半徑為30 m以上，并且隨著注漿壓力的增大，漿液擴散半徑呈現明顯的增大趨勢；粘度系數與漿液擴散半徑呈現負相關關系，即粘度系數越小，擴散半徑越大；水灰比與漿液擴散半徑呈現正相關關系。綜合以上4種工況分析：注漿壓力對注漿擴散半徑的影響最為明顯，粘度系數次之，水灰比影響最小。

由于地面區域治理期間實際注漿參數標準要高于以上4種工況條件的標準，因此能夠滿足13521工作面底板探查治理工程中注漿鉆孔間距60 m的要求，其鉆孔設計方案是合理可行的。

4 研究區井下綜合驗證

地面區域探查及注漿治理結束后，利用井下鉆探和物探相結合的方法對采區底板灰巖治理效果進行驗證評價。

4.1 井下綜合物探

采區內工作面回采前煤礦開展了多種物探工程，如三維電法、音頻電透視法及瞬變電磁法綜合探查煤層底板以下60 m范圍內的相對低阻異常區分布情況，綜合分析后共發現11處低阻異常區，分別為13121工作面D-YC1～D-YC4、13321工作面D-DZ1～D-DZ6及13521工作面D-DZ1。富水異常區具體位置如圖7所示。

圖7 采區底板物探綜合富水異常區分布

4.2 井下鉆孔驗證

工作面相關物探施工結束后，通過施工井下定向長鉆孔方式對地面區域注漿治理效果及物探富水異常區情況進行驗證，鉆孔終孔層位為C35灰巖含水層。鉆孔施工至終孔層位后，部分鉆孔無水，其余出水鉆孔的出水量小，單孔最大出水量小于3.0 m3/h。

5 結論

礦井以“先探查后治理，治理評價合格后開采”的原則，先后開展了地面和井下綜合物探和鉆探工程，對南-1煤采區底板灰巖水害進行治理，并得出以下結論：

(1)C3Ⅰ組灰巖含水層為A組煤開采的直接充水水源，通過井下疏放水試驗表明淺部C3Ⅰ組灰巖含水層與下部灰巖含水層之間水力聯系不密切，C3Ⅰ組灰巖含水層以靜儲量為主、補給差，具有可疏放性的特點。

(2)井下綜合物探和鉆探成果表明，井下出水驗證鉆孔的水源不是來自于深部C3Ⅲ組和奧灰含水層。地面區域治理后，有效阻隔深部C3Ⅲ組和奧灰含水層與上部灰巖含水層之間的水力聯系，注漿效果較好。

(3)地面區域探查治理技術克服了井下水害治理空間局限的問題，地面多分支定向水平鉆孔探查治理技術逐漸成熟并推廣為我國煤礦深部灰巖水害防治提供技術支撐。