底板巖溶水害綜合治理技術研究

趙相朋,申世軍,趙 乾,張 瑜

(義馬煤業集團孟津煤礦有限責任公司,河南 洛陽 471000)

0 引言

近年來,中國中東部煤礦隨著礦井采掘深度的增加,煤層底板承受底板巖溶水壓越來越大,受陷落柱、隱伏斷層等構造的影響,煤層底板巖溶水害威脅越來越大。圍繞深部煤層開采的底板巖溶水害控制,國內相關專家學者進行了大量的科學研究,取得了豐富的學術成果[1-13]。筆者就近幾年孟津煤礦在底板巖溶水害關鍵技術進行系統研究,以期為其他類似礦井水害區域治理提供技術參考。

1 礦井水文地質條件

孟津煤礦位于新安煤田東部,主采煤層為二疊系山西組二1煤層,平均厚度2.5 m。礦井水文地質條件復雜,正常涌水量278.7 m3/h,最大涌水量407.8 m3/h。礦井直接充水水源為頂板山西組砂巖孔隙裂隙含水層和底板太原組灰巖巖溶裂隙含水層,2個含水層均為弱-富水性充水含水層,靜儲量有限,易于疏排,對安全生產影響不大。礦井間接充水水源為奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層,為弱-強富水性充水含水層,上距二1煤層底界58.20～82.99 m,一般65.84 m,按近3年奧灰最高水位計算,奧灰頂界面水壓平均5.5 MPa,突水系數平均0.084 MPa/m,其間有2層主要隔水層阻止該含水層水進入礦井,正常情況下對開采二1煤層沒有影響,但局部區域煤層底板隔水層減薄或受到構造破壞則存在突水可能,為礦井主要水害威脅,時有突水發生,2013年4月16日11011工作面奧灰突水,最大突水量1 780 m3/h,2022年11030中間底抽巷突水,最大突水量70 m3/h。

2 底板巖溶水害綜合治理技術

孟津煤礦底板巖溶水害治理技術路線:掘進工作面每60 m施工一個鉆場,每個鉆場設計3個超前探水鉆孔,其中沿巷道掘進方向1個,底板方向2個,底板孔終孔層位在奧灰含水層與二1煤層底板間的本溪組鋁土質泥巖或鋁土巖隔水層頂界面,主要用來探查巷道前方及底板奧灰巖導水裂隙。回采工作面采用底板注漿加固技術,鉆孔落底位置按40 m×40 m方格網布置,終孔層位在奧灰頂界面下30 m左右,主要將奧灰上部含水層改造為隔水層,對底板導水裂隙進行充填,使之閉合,不導水,切斷奧灰含水層與上覆煤巖層之間的水力聯系。

隨著礦井產能的提高,井下鉆孔由于工序繁瑣、施工周期長,同時受限于探測距離、限員,造成防治水工程與巷道掘進相互制約等諸多問題,已無法滿足當前安全生產的需求,因此礦井引入地面區域治理技術,采取井上、井下相結合的方式,更早地對工作面超前鉆探及預注漿改造。從超前探、井下注漿加固和地面區域治理3個方面對施工中的關鍵參數分別加以介紹。

2.1 超前探技術

2.1.1 垂向控制深度

超前探鉆孔主要用來探查巷道前方及底板奧灰巖導水裂隙,依據《煤礦防治水細則》,掘進工作面底板安全隔水層厚度采用斯列薩列夫公式進行計算,具體如下

(1)

式中,t為安全隔水層厚度,m;L為巷道底板寬度,m;γ為底板隔水層的平均重度,MN/m3;Kp為底板隔水層的平均抗拉強度,MPa;P為底板隔水層承受的實際水頭值,MPa。

以12080上巷底抽巷為例,巷道寬度L=5 m,隔水層巖石的平均重度γ=0.023 2 MN/m3,隔水層巖石的平均抗拉強度Kp=4 MPa,底板隔水層承受的水頭壓力P=5.3 MPa,經計算t=4 m,即掘進工作面底板隔水層在無構造破壞地段,實際隔水層厚度t實>4 m可安全掘進,無突水危險性,隔水層厚度越厚安全性越高,但考慮到鉆孔出水后注漿時間較長,勢必影響到巷道掘進,因此超前探鉆孔應盡量避免揭露含水層,故超前探鉆孔落底層位選擇在奧灰含水層與二1煤層底板間的本溪組鋁土質泥巖或鋁土巖隔水層頂界面,垂向控制深度約40 m,如圖1所示。

圖1 超前探垂向控制深度示意

2.1.2 超前距及幫距

根據《煤礦防治水細則》鉆孔超前距和幫距計算公式

(2)

式中,L為超前距或幫距,m;K為安全系數,一般取2～5;M為巷道高度,m;P為實際水頭值,MPa;Kp為煤的抗拉強度,MPa。

以12080上巷底抽巷為例,安全系數K取5,巷道高度M=4 m,實際水頭值P=5.3 MPa;隔水層巖石的平均抗拉強度Kp=4 MPa,經計算得L=19.9 m,為了安全起見,超前距和幫距取值25 m,如圖2所示。

圖2 超前距及幫距平面示意

2.1.3 應用實例

12080上巷底抽巷設計層位為二1煤層下12～15 m,設計長度810 m,沿走向掘進,巷道主要作用是為二1煤層瓦斯抽采提供施工場所。巷道掘進過程中共布置了13個超前探鉆場,施工超前探水鉆孔39個,累計鉆孔進尺6 552 m,單孔涌水量大于30 m3/h,出水點距巷道底板垂深30 m,表明奧灰有向上導升現象,經注漿加固后巷道安全通過,其他鉆孔涌水量均小于5 m3/h,目前巷道已竣工,未出現涌水現象,超前探達到預期效果。

2.2 井下注漿加固技術

2.2.1 注漿鉆孔落底層位

奧灰巖溶裂隙含水層總厚度約為281.04 m,巖層由下部的冶里組和上部的馬家溝組構成,巖性主要由灰巖、白云質灰巖、角礫狀灰巖、硅質白云巖和白云巖組成,如圖3所示。奧灰的富水性具有隨著埋藏深度的增加而減弱的特征,奧灰上部的馬家溝組是威脅煤層開采的最主要的含水段,在馬家溝組頂部一般存在著一定厚度的古風化殼,厚度30 m左右,多被黏土質充填,成為相對隔水段,充分利用馬家溝組頂部存在的相對隔水段并對其進行注漿改造,消除馬家溝組頂部的溶蝕溶洞、斷層構造及裂隙等,將其改造為相對隔水層,增加隔水層有效厚度,解決礦井開采所面臨的突水威脅,是孟津煤礦防治水的一條有效途徑。根據礦井對注漿加固地層取芯情況,漿液在地層中橫向和縱向上擴散半徑均大于30 m,因此,將注漿鉆孔落底層位定在奧灰頂界面下30 m,可將奧灰頂界面至奧灰頂界面下60 m范圍均改造成隔水層,如圖4所示。

圖3 粘土-水泥漿液裂隙充填與擴散特征

圖4 注漿加固鉆孔布置剖面

國家礦山安全監察局于2022年6月22日印發《煤礦防治水“三區”管理辦法》規定,突水系數大于0.06 MPa/m屬緩采區,緩采區嚴禁進行回采作業和與水害探查、治理無關的掘進作業,突水系數大于0.1 MPa/m屬禁采區,禁采區嚴禁進行采掘作業,孟津煤礦大部分區域屬于緩采區。以12070工作面為例,該工作面二1煤層底板最低標高-320 m,以最近3年奧灰最高水位217.13 m計算,奧灰頂界面水壓6.03 MPa,隔水層厚度65.84 m,奧灰突水系數最大0.09 MPa/m,屬于緩采區。若注漿加固鉆孔終孔層位奧灰頂面下30 m,按30 m漿液擴散半徑,可將奧灰含水層頂界面下60 m改造為隔水層,改造后底抽巷隔水層厚度125.84 m,改造后含水層頂界面水壓6.63 MPa,最大突水系數0.05 MPa/m,符合規定要求,可以安全回采。

綜上所述,將注漿鉆孔終孔層位定在奧灰頂界面下30 m(圖4),從安全生產實際和政策層面均是最優選擇。

2.2.2 治理范圍

按照新安煤田4個礦井的實踐經驗,無斷層區域治理范圍大于開采范圍30 m,斷層影響區域由奧灰頂界面與斷層巷道外側一盤交線外推50 m,按照漿液擴散半徑30 m計算,非斷層區域治理范圍大于開采范圍60 m,斷層區域治理范圍大于開采范圍80 m。

2.2.3 鉆孔布置原則

工作面底板注漿改造主要改造底板奧灰含水層,同時改造太原組下部灰巖。鉆孔布置在平面上采用放射狀展布,以斜孔為主,在剖面上長短結合,使鉆孔揭露的含水層段盡量長,鉆孔盡量與斷層、裂隙垂直或斜交,輻射奧灰含水層,空間上把煤層底板改造成箱形隔水單元,隔斷工作面深部與外圍導水構造之間的水力聯系。對地質構造發育地段、工作面初壓顯現地段均作為布孔的重點,特別是瞬變電磁勘探出的富水異常區,要重點布孔進行控制。結合上述漿液擴散半徑均大于30 m,鉆孔落底位置按40 m×40 m方格網布置可達到全覆蓋注漿加固的目的,如圖5所示。

圖5 注漿加固鉆孔布置平面示意

2.2.4 應用實例

12070工作面為傾向長壁工作面,煤層傾角3°～5°,可采長度867 m,可采儲量96.2萬t,可采面積137 826 m2。按照上述鉆孔布置方法,共施工注漿鉆孔254個鉆孔,鉆孔總出水量3 554 m3/h,總注漿量136 944 m3,合干料25 851.62 t,總注漿干料/單孔總出水量為7.27倍,改造完成后經施工檢查鉆孔和物探驗證,工作面注漿改造效果明顯,目前工作面已回采結束,未出現涌水現象,注漿加固達到預期效果。

2.3 地面區域治理技術

11030工作面、11040工作面是孟津煤礦首個地面區域治理工程,針對奧灰含水層,在地面施工定向水平多分支鉆孔,對奧灰含水層進行注漿改造,以封堵二1煤層與奧灰含水層之間的導水通道,改造奧灰含水層和增強隔水層阻水能力。本次地面區域水平孔層位參照井下注漿鉆孔落底層位,選在奧灰頂界面下30 m,按30 m漿液擴散半徑,可將奧灰頂界面下60 m改造為隔水層,如圖6所示。

圖6 地面區域治理剖面示意

根據新安煤田及各礦區突水點多出現在底板巷的經驗,水平分支孔在水平方向上以底板巷為中心,左右15 m范圍之內布置一個基準分支孔,基準分支孔之間按照40～60 m的間距采用內插法均勻布置。地面區域治理完成后,在地面和井下分別進行瞬變電磁、槽波地震勘探,對物探異常區采用注漿加固方法施工檢驗孔,做到地面區域治理與井下底板注漿加固相結合、順層治理與穿層治理相結合。

3 結論

(1)超前探、井下注漿加固及地面區域治理關鍵是選擇合理的目標層位,依據政策要求及生產實踐,目標層位應遵循以下原則,超前探鉆孔落底層位選擇在奧灰含水層與二1煤層底板間本溪組鋁土質泥巖或鋁土巖隔水層頂界面,井下底板注漿加固及地面區域治理目標層位選在奧灰頂界面下30 m。

(2)針對鉆孔平面上布置方法,分別從超前探鉆孔、井下注漿加固鉆孔、地面區域治理水平分支孔3個方面進行分析介紹。

(3)通過底板巖溶含水層綜合治理及巷道掘進和工作面回采實踐表明,綜合治理技術可以有效防止煤層底板突水,保障礦井安全生產、地下水環境及水資源,具有明顯的環境和社會效益。