紫晟煤業(yè)2-101工作面采前水害防治技術(shù)應(yīng)用研究

雷志國(guó)

(霍州煤電集團(tuán) 紫晟煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 031400)

隨著礦井開(kāi)采的深入，所面臨的水文地質(zhì)條件愈加復(fù)雜，致使各類(lèi)的礦井水害時(shí)有發(fā)生。奧灰水突水事故在我國(guó)多個(gè)礦區(qū)出現(xiàn)過(guò),比如2020 年湖南源江山煤礦發(fā)生重大透水事故，此類(lèi)突水事故嚴(yán)重威脅礦井的生產(chǎn)安全，因此做好礦井開(kāi)采期間的各類(lèi)水害的防治具有重要意義。工作面回采期間主要水害來(lái)自頂板和底板，頂板突水多采用“上三帶”理論分析其危險(xiǎn)性，底板多采用突水系數(shù)法預(yù)測(cè)其危險(xiǎn)性，但是這些方法在預(yù)測(cè)工作面突水危險(xiǎn)的準(zhǔn)確性方向存在質(zhì)疑，因此為確保紫晟煤業(yè)2-101工作面的安全生產(chǎn)，通過(guò)數(shù)值模擬手段針對(duì)性分析工作面頂?shù)装逋凰ｋU(xiǎn)性，設(shè)計(jì)具體的帶壓開(kāi)采技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)工作面的安全開(kāi)采。

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)紫晟煤業(yè)目前主采2號(hào)煤層，煤層厚度2.78～4.69 m，平均厚度3.50 m，2-101工作面東側(cè)為一采區(qū)開(kāi)拓大巷，西部為井田邊界，北為規(guī)劃2-102工作面(未掘)，工作面南高北低，揭煤區(qū)域?yàn)橐惠S向北東的向斜構(gòu)造，工作面底板為鋁質(zhì)泥巖，厚1.60 m，遇水會(huì)膨脹底鼓，外觀為灰色、深灰色，部分具滑感，頂板為K2石灰?guī)r，均厚6.6 m，為厚層深灰色石灰?guī)r。結(jié)合往期2號(hào)煤層采煤工作面采掘經(jīng)驗(yàn)，采掘巷道、工作面回采期間，礦井涌水量大，影響礦井的安全高效生產(chǎn)。

2 工作面涌水水源分析

2.1 大氣降水、地表水分析評(píng)價(jià)

紫晟煤業(yè)地處山西省霍州市，屬于半干旱溫帶高原大陸性氣候，降水量遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量，地表無(wú)河流溝谷，2-101工作面地面高程+1 147.0～+1 297.4 m，煤層底板高程高+698.3～761.5 m，蓋山厚度約398～519 m，煤層埋深較深，工作面開(kāi)采基本不受地表水及大氣降水的影響。

2.2 頂板含水層水分析評(píng)價(jià)

采煤工作面回采期間，煤巖體由于原有賦存狀態(tài)遭到破壞，采空區(qū)頂板巖層根據(jù)破壞程度劃分為垮落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶，上覆含水層內(nèi)水可通過(guò)垮落帶和裂隙帶涌入工作面，因此對(duì)于頂板砂巖裂隙水水源的判斷需首先確定“兩帶”的發(fā)育高度。為更加精確的確定2-101工作面回采后頂板垮落帶、裂隙帶的發(fā)育高度，依據(jù)紫晟煤業(yè)2-101工作面地質(zhì)條件采用FLAC3D軟件建立圖1(a)所示三維數(shù)值模型[1]，工作面埋深450 m，建模時(shí)模擬煤層上覆巖層280 m，模型上方巖層總后170 m，模型上方垂直應(yīng)力為4.25 MPa，回采工作面沿X軸方向布置，沿Y軸推進(jìn)，步距40 m，模型計(jì)算平衡后，統(tǒng)計(jì)上覆巖層和底板巖層的塑性破壞深度，整理得到圖1(b)、(c)所示的結(jié)果。

由圖1(b)可以看出，隨著工作面的回采，上覆巖層的破壞范圍呈增大趨勢(shì)，工作面回采距離由40 m增大至240 m，裂隙帶發(fā)育高度由0增大至103 m，工作面回采280 m裂隙發(fā)育帶高度相對(duì)于回采240 m僅增大2 m，工作面回采300 m，裂隙帶發(fā)育高度仍為105 m，達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，由此可知，2-101工作面裂隙帶發(fā)育高度105 m；同理由圖1(c)可以看出，2-101工作面回采期間底板巖層破壞深度為36 m.

2-101工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度為105 m，結(jié)合紫晟煤業(yè)水文地質(zhì)資料可知，直接充水水源主要為太原組砂巖裂隙含水層、山西組砂巖裂隙含水層。二疊系下統(tǒng)山西組主要由黏土巖、泥巖、各種砂巖巖層組成，該含水層最薄處4.12 m，最厚處達(dá)55.23 m，富水性弱，對(duì)于2-101工作面開(kāi)采涌水量基本無(wú)影響。石炭系上統(tǒng)太原組巖性主要為泥巖、各類(lèi)砂巖，2號(hào)煤層上方含水層厚度38.7～94.5 m，整體富水性較弱、局部富水性較強(qiáng)的巖層，結(jié)合2號(hào)煤層以往工作面采掘及探放水經(jīng)驗(yàn)，該含水層為工作面涌水的主要含水層。

2.3 底板水帶壓開(kāi)采分析評(píng)價(jià)

2號(hào)煤層底板主要還是為太原組砂巖含水層和奧灰含水層，2號(hào)煤層下方太原組砂巖含水層平均厚度4.2 m，與2號(hào)煤層間距1.7～5.3 m，結(jié)合數(shù)值模擬研究結(jié)果，工作面回采將直接導(dǎo)通，因此該含水層是工作面涌水水源，該含水層富水性弱，對(duì)工作面的安全回采威脅不大。奧灰含水層距2號(hào)煤層底板45.7～87.5 m，平均距離61.4 m，工作面帶壓開(kāi)采的安全性通過(guò)突水系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)：T=P/M，P為底板奧灰水水壓值，根據(jù)2-101工作面底板奧灰鉆孔鉆探成果，奧灰水最大水壓為0.98 MPa，M隔水層厚度為61.4 m-36.0 m=25.4 m，計(jì)算可得突水系數(shù)T=0.039 MPa/m，參閱《煤礦防治水細(xì)則》判斷[2-3]，2-101工作面屬突水小概率區(qū)，說(shuō)明正常情況下底板奧灰水不會(huì)威脅工作面的安全生產(chǎn)，但回采巷道掘進(jìn)期間已揭露斷層20條，降低底板隔水層的阻水能力，導(dǎo)致2-101工作面回采受到奧灰水的威脅。

3 工作面頂板水害探查與治理

2-101工作面回采受到頂板砂巖含水層水的威脅，工作面四周均為實(shí)體煤，上層煤、下層煤均未采掘，故設(shè)計(jì)頂板進(jìn)行探方孔施工，即能夠探明頂板富水情況同時(shí)起到疏放砂巖含水層的效果，鉆場(chǎng)布置在2-101工作面兩側(cè)巷道內(nèi)，共施工108個(gè)探放孔，常規(guī)探放孔垂直高度為45～50 m，其中包括3個(gè)長(zhǎng)距離鉆孔，鉆孔垂直深度大于60 m.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，共有90個(gè)探放孔出水量小于5 m3/h，水壓小于0.5 MPa，其中大多數(shù)鉆孔無(wú)水，共有18個(gè)鉆孔出水量大于5 m3/h，其中6個(gè)鉆孔出水量大于30 m3/h，1號(hào)、3號(hào)長(zhǎng)距離鉆孔終孔后初始涌水量為120 m3/h、149 m3/h，根據(jù)探查情況得到頂板富水區(qū)域分布如圖2所示。

圖2 頂板探放孔及富水區(qū)域

在探放孔施工完成后，對(duì)2-101工作面頂板砂巖含水層水進(jìn)行疏放，為期40 d共計(jì)疏放水578 943.5 m3，各疏放孔總出水量由812.35 m3/h衰減至36.42 m3/h，統(tǒng)計(jì)16個(gè)初始出水量大于5 m3/h的初始出水量和疏放40 d后的出水量，整理得到圖3所示結(jié)果，除h8-4號(hào)、h13-4號(hào)鉆孔出水量仍大于5 m3/h，其余出水量均小于1 m3/h，表明疏干效果良好。

圖3 探放孔出水量對(duì)比

4 底板水害探查與治理

為探明2-101工作面底板奧灰承壓水的具體賦存情況，開(kāi)展了槽波地震物探工作，分別采用射槽波、滑行波能量成像[4]，得到圖4(a)、(b)所示結(jié)果，與工作面采掘工程圖結(jié)合，整理得到底板富水異常區(qū)的分布情況如圖4(c)所示。工作面內(nèi)共5個(gè)底板異常區(qū)。

為確保2-101工作面能夠?qū)崿F(xiàn)帶壓開(kāi)采，根據(jù)物探、鉆探結(jié)果，對(duì)工作面底板異常區(qū)進(jìn)行探測(cè)和治理，以1號(hào)異常區(qū)為例。在回風(fēng)巷2號(hào)鉆場(chǎng)進(jìn)行鉆探。該區(qū)域煤層底板距奧灰水頂面距離平均為46.76 m，鉆探深度60 m，4個(gè)鉆孔終孔后，單孔最大出水量15.4 m3/h.通過(guò)4個(gè)鉆孔進(jìn)行井下注漿，鉆孔布置詳情如圖5所示。注漿方法為全孔段孔口靜壓注漿，采用1∶1水灰比的425普通硅酸鹽水泥漿，平均注漿量6.5 t，單孔最大注漿量13.8 t，注漿結(jié)束壓力8.5～9.0 MPa.

圖5 1號(hào)異常區(qū)探查注漿孔布置

以1號(hào)異常區(qū)為例，對(duì)其進(jìn)行注漿改造后，在2-101運(yùn)輸巷采用EMRSm-3型脈沖瞬變電磁儀對(duì)煤層底板進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)結(jié)果如圖6所示，物探結(jié)果顯示，底板高阻特性明顯，低阻異常區(qū)范圍基本消失且相互間不連通，說(shuō)明注漿后巖層內(nèi)的裂隙基本被充填密實(shí)，富水性變?nèi)酰{改造效果良好。

圖6 1號(hào)異常區(qū)電阻率等值線斷面圖

5 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合紫晟煤業(yè)2-101工作面水文地質(zhì)條件，研究得出工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶高度105 m、底板巖層破壞深度36 m，確定工作面主要水源為頂板太原組砂巖裂隙含水層水、底板奧灰含水層水，據(jù)此設(shè)計(jì)頂板進(jìn)行探放孔施工疏放太原組砂巖裂隙含水層水，疏放總量達(dá)578 943.5 m3，疏干效果良好，通過(guò)槽波地震物探查明底板奧灰承壓水分布情況，對(duì)異常區(qū)進(jìn)行鉆探、注漿加固處理，從安全評(píng)價(jià)角度，2-101工作面已具備帶壓開(kāi)采的條件，為礦井的安全高效生產(chǎn)提供可靠保障。