李 廣

（同煤集團(tuán)同生宏達(dá)煤業(yè)公司，山西 大同 037003）

引言

我國(guó)是世界產(chǎn)煤大國(guó)，煤炭資源約占我國(guó)一次性能源消耗總量的70%以上，對(duì)我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步起著重要的作用。隨著煤炭開(kāi)采量的不斷增加，開(kāi)采層位也愈來(lái)愈深，時(shí)常發(fā)生礦井突水事件，地下水已成為威脅煤礦安全生產(chǎn)的重要因素［1－3］。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，陳四樓煤礦由于斷層構(gòu)造、底板和隔水層斷裂等原因發(fā)生了多次嚴(yán)重的突水事故，其中最大突水量超過(guò)1 000 m3／h，對(duì)礦井的生產(chǎn)過(guò)程造成了嚴(yán)重的破壞［4－5］。因此，本文以陳四樓煤礦為例，研究其深部采區(qū)高承壓水治理技術(shù)，對(duì)其深部突水治理提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)，從而保證煤礦安全生產(chǎn)，避免水災(zāi)發(fā)生。

1 深部采區(qū)底板安全范圍界定

對(duì)于礦井深部采區(qū)底板的安全范圍界定，主要受到底板構(gòu)造和隔水層完整性的影響。有兩種情況，若隔水層完整無(wú)斷裂構(gòu)造破壞，即正常塊段突水系數(shù)不大于0.1 MPa／m，可認(rèn)為該種情況是安全的；若底板手構(gòu)造破壞段突水系數(shù)小于0.06 MPa／m，可認(rèn)為該種情況是安全的［6］。因此，本文對(duì)底板安全范圍的界定分為以下四種情況：

工況一：最危險(xiǎn)區(qū)，即為深部采區(qū)底板最可能發(fā)生突水的區(qū)域，其突水系數(shù)大于0.1 MPa／m。

工況二：危險(xiǎn)區(qū)，即該區(qū)域發(fā)生突水的可能性比較大，在具備一定安全措施的條件下，若巖層構(gòu)造完整且簡(jiǎn)單，可采取帶壓開(kāi)采的方法進(jìn)行開(kāi)采，其突水系數(shù)在0.06 MPa／m～0.1 MPa／m之間。

工況三：較安全區(qū)，即該區(qū)域有底板突水的可能性，在具備一定放突水措施的條件下，可采取帶壓開(kāi)采的方法進(jìn)行開(kāi)采，其突水系數(shù)小于0.06 MPa／m。

工況四：安全區(qū)，即該區(qū)域不會(huì)發(fā)生突水的可能性，其前提條件為煤層的底板位于奧灰水位以下。

其中，回采工作面底板隔水層突水系數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中，T為突水系數(shù)，MPa／m；M 為底板隔水層厚度，m；P為底板隔水層承受安全水壓的能力，MPa。

2 深部采區(qū)回采工作面安全水頭的確定

回采工作面安全水頭值的計(jì)算公式為：

式中，Ts為臨界突水系數(shù)，MPa／m。

由此，可得陳四樓煤礦深部采區(qū)不同區(qū)域回采工作面安全水頭值：

1）2513皮帶聯(lián)絡(luò)巷二2煤：P＝Ts·M＝0.1 MPa／m·47 m＝4.7 MPa。

2）2513皮帶順槽、改造巷：P＝Ts·M＝0.1 MPa／m·50 m＝5.0 MPa。

3）－720輔助水平軌道巷二2煤：P＝Ts·M＝0.1 MPa／m·34 m＝3.4 MPa。

4）－720輔助水平帶巷二2煤：P＝Ts·M＝0.1 MPa／m·19 m＝1.9 MPa。

放水實(shí)驗(yàn)期間井下放水孔壓力及流量見(jiàn)表1。

表1 井下放水孔壓力及流量表

若底板有突水的危險(xiǎn)，則表明回采面隔水底板的實(shí)際水頭值相比較于安全水頭值大；若該值較小，則表明該回采面可安全回采。

根據(jù)放水實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到2513放水孔的壓力為4.52 MPa～5.01 MPa，大于回采工作面安全水頭值，所以存在發(fā)生突水的危險(xiǎn)性。放水實(shí)驗(yàn)期間觀測(cè)到南5聯(lián)的壓力為2.3 MPa～2.46 MPa，高于－720輔助水平皮帶巷二2煤回采工作面安全水頭值1.9 MPa，所以存在發(fā)生突水的危險(xiǎn)性。

3 掘進(jìn)巷道底板隔水層安全隔水厚度

在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，其底板隔水層允許的安全隔水厚度可按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，H為底板隔水層承受的水頭壓力（MPa），γ為底板隔水層的平均容重（MN／m3），t為安全隔水厚度（m），L為巷道底板寬度（m），Kp為底板隔水層的平均抗張強(qiáng)度（MPa）。

陳四樓煤礦－720水平：L為4.8 m；γ為2.5 t／m3；Kp為細(xì)砂巖1.1～5.77 MPa、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖 0.5 MPa～4.8 MPa、泥 巖 0.57 MPa～2.1 MPa；H 為5.5 MPa～5.9 MPa。由此可得陳四樓煤礦－720水平t＝4.7 m。陳四樓煤礦2513和－720 m輔助水平軌道巷二2煤和幅值水平皮帶巷二2煤的隔水層厚度為34 m和19 m，遠(yuǎn)大于安全隔水層厚度。

4 深部采區(qū)高承壓水治理技術(shù)

根據(jù)前文的分析和陳四樓煤礦深部采區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)其高承壓水可采取如下方案進(jìn)行綜合治理，以降低其發(fā)生突水的可能性，且盡可能降低其發(fā)生突水的危害性：

1）方案一。疏水降壓。該方案制定的前提是回采面安全水頭值遠(yuǎn)小于采區(qū)突水壓力，則應(yīng)用該方案，可使得回采面突水壓力在安全值以下。根據(jù)陳四樓煤礦深部采區(qū)放水實(shí)驗(yàn)可知，若滿足達(dá)到基本要求的條件下，可采取控制疏水量約為350 m3／h。

2）方案二。疏水降壓與注漿相結(jié)合。同理，該方案制定的前提與方案一相同，首先應(yīng)用方案一的措施，且疏水控制量約為350 m3／h，但回采面的突水壓力仍無(wú)法控制于安全值以下。則在該種情況下，為使得回采面能夠安全生產(chǎn)，須采用注漿的方案以使得底板抗壓能力得到加強(qiáng)。

3）方案三。注漿加固。在前兩種方案均不能滿足條件的情況下，則需直接進(jìn)行注漿加固；在現(xiàn)有注漿泵的壓力不能滿足注漿壓力為水壓的2～2.5倍時(shí)，推薦使用新型高壓注漿泵。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)陳四樓煤礦深部采區(qū)實(shí)際情況，確定了深部采區(qū)底板的安全范圍、回采工作面安全水頭及掘進(jìn)巷道底板隔水層安全隔水厚度，并制定了三種高承壓水綜合治理方案，即疏水降壓、疏水降壓與注漿相結(jié)合和注漿加固，對(duì)陳四樓煤礦水害的防治提供了重要指導(dǎo)。

［1］ 張東營(yíng)，閆明，周保國(guó).石壕煤礦水文地質(zhì)條件分析及防治水對(duì)策［J］.中州煤炭，2011（9）：33-37.

［2］ 李凱，茅獻(xiàn)彪，陳龍.采動(dòng)對(duì)承壓底板斷層活化及突水危險(xiǎn)性的影響分析［J］.力學(xué)季刊，2011（2）：2 954-2 958.

［3］ 解俊祥.李雅莊煤礦F33斷層滯后突水分析［J］.中國(guó)科技信息，2011（8）：52-55.

［4］ 楊天鴻，唐春安等.巖體破壞突水模型研究現(xiàn)狀及突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究發(fā)展趨勢(shì)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（2）：268-277

［5］ Yin Shangxian，Zhang Jincai.Impacts of karst paleo-sinkholes on mining and environment in northern China［J］.Environmental Geology，2005（48）：1 077-1 083.

［6］ 李利平，李術(shù)才，石少帥.基于應(yīng)力－滲流－損傷耦合效應(yīng)的斷層活化突水機(jī)制研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，28（2）：2 511-2 515.