卓聰志

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 通風(fēng)處，山西 太原 030053)

·試驗(yàn)研究·

煤層底板奧灰水害治理方案研究

卓聰志

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 通風(fēng)處，山西 太原 030053)

針對(duì)古書(shū)院礦15#煤三盤(pán)區(qū)首采工作面面臨的底板奧灰水害威脅問(wèn)題，提出了采用疏水降壓和底板注漿改造兩種治理方案，從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)角度進(jìn)行對(duì)比，最終得出疏水降壓適用于該礦井低水壓但隔水層較薄條件下的奧灰水害治理，為礦井奧灰水害治理提供依據(jù)，同時(shí)對(duì)相似條件下底板奧灰水害防治具有參考意義。

底板水害；奧灰含水層；疏水降壓；注漿改造

古書(shū)院煤礦位于山西省晉城市，是典型的華北型煤田開(kāi)采區(qū)域。依據(jù)巖性及空間賦存與分布特征，井田內(nèi)含水層自下而上依次分為：奧陶系中統(tǒng)巖溶裂隙含水層組、石炭系灰?guī)r巖溶裂隙含水層組、二疊系砂巖裂隙含水層、第四系沖積層孔隙含水層。

礦井上組煤開(kāi)采基本結(jié)束，逐漸進(jìn)入下組煤15#煤的回采工作。由于15#煤三盤(pán)區(qū)范圍內(nèi)出現(xiàn)煤層底板奧灰含水層帶壓情況，且底板隔水層厚度較薄，水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，煤層底板奧灰水突水危險(xiǎn)性較大。針對(duì)該水害特征，結(jié)合礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，提出相應(yīng)的奧灰水害防治措施，對(duì)確保礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 條件概況及評(píng)價(jià)

古書(shū)院礦15#煤三盤(pán)區(qū)首采工作面位于井田西北部，為井田首個(gè)奧灰含水層帶壓開(kāi)采工作面。煤層底板本溪組隔水層承受奧灰水壓為0～0.63 MPa，本溪組隔水層厚度6.7～20.3 m. 根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》中提出的突水系數(shù)法進(jìn)行突水系數(shù)值計(jì)算，其數(shù)學(xué)表達(dá)式見(jiàn)式(1)：

(1)

式中：

T—突水系數(shù)，MPa/m；

P—底板隔水層承受的水壓，MPa；

M—底板隔水層厚度，m.

通過(guò)對(duì)水壓和隔水層厚度的分析，得出15#煤層底板突水系數(shù)等值線圖，見(jiàn)圖1.

圖1 15#煤底板奧灰含水層突水系數(shù)等值線圖

由圖1可以看出，工作面多數(shù)區(qū)域突水系數(shù)均小于0.06，突水危險(xiǎn)性較小。但是，由于該工作面煤層底板隔水層薄，在底板礦壓破壞深度影響下隔水層隔水能力完全缺失，突水系數(shù)值不能很好地反應(yīng)該條件下水害危險(xiǎn)程度，工作面回采前需采取相應(yīng)水害防治措施。

2 水害防治措施

對(duì)于治理底板含水層帶壓開(kāi)采常用疏水降壓和注漿加固措施，古書(shū)院礦15#煤三盤(pán)區(qū)首采工作面帶壓區(qū)治理均可采用這兩種方式，現(xiàn)對(duì)兩種方式的可行性進(jìn)行分析：

2.1 煤層底板注漿改造

煤層底板注漿改造是降低含水層富水性的有效手段，有利于形成較為堅(jiān)固的保護(hù)層而防止底板突水。具體操作時(shí)沿工作面下順槽大面積布置注漿孔，通過(guò)注漿孔將漿液送到灰?guī)r含水層裂隙中，將奧陶系峰峰組改造為不含水層或弱含水層，從而減弱含水層的富水性使其與隔水層共同作用，增強(qiáng)了煤層底板隔水層的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了工作面不突水或突小水開(kāi)采。

古書(shū)院礦15#煤底板主要隔水層為本溪組泥巖，在自然情況下隔水性能較好，裂隙不發(fā)育，但是在開(kāi)采條件下會(huì)受到破壞而失去隔水性能。由古書(shū)院礦勘察成果可知，本溪組底部的奧陶系峰峰組為弱含水層，富水性較差，可以對(duì)峰峰組進(jìn)行注漿改造。因此，對(duì)煤層底板峰峰組含水層進(jìn)行注漿改造是封堵底板突水通道，削弱底板突水的物質(zhì)基礎(chǔ)。最終改造峰峰組弱含水層為隔水層，實(shí)現(xiàn)首采工作面的安全回采。以下對(duì)首采工作面注漿工程施工量進(jìn)行初步評(píng)價(jià)：

1) 注漿孔布設(shè)原則。

a) 根據(jù)其它礦區(qū)灰?guī)r注漿經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合礦井實(shí)際情況，采用漿液擴(kuò)散半徑為20 m，即注漿加固范圍內(nèi)鉆孔終孔位置間距應(yīng)≤40 m.

b) 注漿深度的確定。

注漿深度的確定應(yīng)該結(jié)合礦壓破壞帶發(fā)育深度與隔水層隔水能力綜合確定。本次根據(jù)傳統(tǒng)突水系數(shù)公式(2)來(lái)確定注漿厚度：

(2)

式中：

T—突水系數(shù)，MPa/m；

P—改造后隔水層底板承受的水壓，MPa；

M—改造后底板隔水層總厚度，m；

Cp——礦壓破壞深度，m.

考慮煤層底板采動(dòng)破壞深度為19.3 m，注漿加固的目的層為煤層底板礦壓破壞帶底界以下峰峰組含水層。工作面煤層帶壓區(qū)含水層水壓約為0.158 MPa，取臨界突水系數(shù)值為0.06 MPa/m，然后采用式(2)進(jìn)行計(jì)算，得出注漿厚度M1為2.75 m，示意圖見(jiàn)圖2. 由于不同區(qū)域隔水層厚度會(huì)有所不同，所以采取保守厚度值3.3 m.

圖2 注漿厚度計(jì)算示意圖

2) 注漿改造方案。

峰峰組灰?guī)r是本次注漿工程的主要受注層位。施工方案為:在地面建造漿站，通過(guò)送料孔(地面鉆孔)向井下153302工作面帶壓區(qū)巷道鋪設(shè)疏漿管路，并在井下打注漿孔。造好的漿液通過(guò)注漿泵沿疏漿管路、注漿孔壓入受注含水層裂隙，把裂隙中的水置換成漿液并凝固，從而達(dá)到改造峰峰組含水層為隔水層的目的。注漿改造的分項(xiàng)工程如下：

a) 造漿站。參考我國(guó)其它底板承壓水水害比較嚴(yán)重的礦區(qū)，如焦作、永城、肥城等礦區(qū)注漿改造的經(jīng)驗(yàn)，古書(shū)院礦最好選用建立地面注漿站。由于建立地面注漿站與井下注漿站相比，技術(shù)較為成熟，且注漿效率高，大多數(shù)礦區(qū)都是選擇在地面建立注漿站方案。

地面造漿站為永久性建筑，可以為三盤(pán)區(qū)后續(xù)開(kāi)采的其他工作面服務(wù)。

b) 注漿孔。根據(jù)漿液的擴(kuò)散半徑及峰峰組灰?guī)r的富水性，預(yù)計(jì)注漿共需6個(gè)鉆孔。在工作面1533021巷相隔100 m向工作面內(nèi)開(kāi)一個(gè)鉆窩，每個(gè)鉆窩打一組鉆孔(3個(gè))，每個(gè)孔的方位和傾角不等，傾角取20°～45°，并使其盡可能與地層走向垂直，具體參數(shù)要根據(jù)峰峰組含水層具體水文地質(zhì)條件確定。

注漿孔初步預(yù)計(jì)單孔平均深度150 m，共約6個(gè)鉆孔，總進(jìn)尺約900 m.

c) 主要設(shè)備選型。注漿泵的選取根據(jù)計(jì)算所得所需的最大壓力以及注漿量進(jìn)行選取。

根據(jù)初步計(jì)算，需選取鉆進(jìn)能力在250 m以上的鉆機(jī)，以滿足鉆進(jìn)深度較大的要求。

疏漿管路也應(yīng)該按照注漿壓力等參數(shù)進(jìn)行合理選取。

3) 注漿工程造價(jià)。

通過(guò)對(duì)153302工作面底板注漿改造含水層工程的初步分析，對(duì)注漿工程的造價(jià)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析：

工程分井上造漿站和井下注漿兩部分，預(yù)計(jì)初期投資為643萬(wàn)元，具體明細(xì)如下：

a) 地面造漿站土建工程及設(shè)備：220萬(wàn)元

b) 疏漿系統(tǒng)：140萬(wàn)元

c) 鉆探設(shè)備：120萬(wàn)元

d) 注漿孔：900 m(1 200元/m)，108萬(wàn)元

e) 注漿材料：30萬(wàn)元

f) 注漿材料測(cè)試及技術(shù)服務(wù)：10萬(wàn)元

g) 不可預(yù)見(jiàn)費(fèi)：15萬(wàn)元

2.2 煤層底板疏水降壓

疏水降壓是通過(guò)疏降使煤層底板含水層水壓降低至采煤安全水壓。疏水降壓有兩個(gè)目的：1) 要把充水含水層中的水疏排出去，使富水的含水層變?yōu)樨毸畬由踔帘皇韪伞?) 通過(guò)疏放降低含水層水位和作用在煤層底板的承壓水頭，實(shí)現(xiàn)不帶壓開(kāi)采或在安全水頭壓力下開(kāi)采。

153302工作面標(biāo)高564～592 m，底板隔水層的厚度為14.75～16.25 m，平均15.7 m.奧灰含水層的水壓為0.065～0.170 MPa，工作面小部分區(qū)域帶壓。加上工作面開(kāi)采過(guò)程中底板礦壓破壞的影響，底板隔水層受到破壞，帶壓區(qū)有底板突水的危險(xiǎn)。因此在工作面開(kāi)采帶壓區(qū)過(guò)程中需要對(duì)底板含水層水進(jìn)行疏降，排除突水隱患。

底板巖溶水疏水降壓可行性分析：

1) 底板巖溶水補(bǔ)給、徑流、排泄條件。古書(shū)院礦區(qū)位于三姑泉西南部，奧灰含水層水流向受到區(qū)域含水層補(bǔ)給、徑流、排泄條件的影響。由本區(qū)勘察成果以及水化學(xué)分析結(jié)果可以大致推斷三盤(pán)區(qū)范圍內(nèi)奧灰含水層整體流向?yàn)橛杀毕蚰希渲杏捎谑菧媳承焙瞬坎糠謪^(qū)域地層標(biāo)高高于區(qū)域地下水位標(biāo)高，可能在該部位形成一個(gè)局部的地下分水嶺。由此可知，153302工作面奧灰地下水的補(bǔ)給主要來(lái)源于北部含水層的側(cè)向補(bǔ)給，東部由于石城溝背斜的存在而補(bǔ)給量較為有限。在天然條件下奧灰水形成由北向南的流向，部分區(qū)域也會(huì)出現(xiàn)由東北向西南的順層流。

2) 含水層水文地質(zhì)條件分析。153302工作面帶壓區(qū)疏降目標(biāo)含水層為奧陶系灰?guī)r含水層，該含水層一般厚度較大，富水性較好，因此疏放之前必須開(kāi)展專門(mén)的水文地質(zhì)勘查工作，確定含水層是屬于強(qiáng)補(bǔ)給型、純消耗型，或是補(bǔ)給—消耗型。目前，在三盤(pán)區(qū)內(nèi)部有兩個(gè)水文孔進(jìn)行了水文地質(zhì)試驗(yàn)，滲透系數(shù)為0.004 9～0.007 0 m/d，單位涌水量標(biāo)準(zhǔn)值為0.023～0.032 L/(s·m)，但是考慮到三盤(pán)區(qū)東部水文孔抽水試驗(yàn)成果，推測(cè)153302工作面單位涌水量值可達(dá)到0.112 5～0.225 0 L/(m·s)，屬于中等富水含水層。

3) 疏降水量預(yù)測(cè)。153302工作面底板隔水層相對(duì)較薄，為保證煤礦安全開(kāi)采，需對(duì)15#煤帶壓區(qū)進(jìn)行疏水降壓，疏降區(qū)面積F=28 150 m2. 本次預(yù)測(cè)對(duì)奧灰含水層采取疏排降壓方案，將水頭降至煤層底板以下，涌水量采用“大井”法的無(wú)限邊界承壓穩(wěn)定流公式進(jìn)行預(yù)測(cè)：

a) 計(jì)算參數(shù)確定。

滲透系數(shù)(K)值的確定：選取盤(pán)區(qū)內(nèi)二仙掌水文孔和牛山磚廠水文孔抽水試驗(yàn)成果，滲透系數(shù)取兩個(gè)水文孔的平均值，即K=0.005 95 m/d.

含水層厚度(M)值的確定：選取牛山磚廠水文孔石灰?guī)r含水段累計(jì)厚度值，M=277.69 m.

水位降深(S)值的確定：本次取自然水位標(biāo)高(選取現(xiàn)有水文孔最大水位標(biāo)高571.5 m)至疏降標(biāo)高(566 m)的距離5.5 m，得出S=5.5 m.

b) 15#煤奧灰涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果。

將各參數(shù)代入，經(jīng)計(jì)算可得出15#煤三盤(pán)區(qū)首采工作面奧灰涌水量：

c) 疏放水工程。

疏水降壓工程主要通過(guò)井下疏放水鉆孔進(jìn)行放水，通過(guò)排水渠、排水泵等排水設(shè)備進(jìn)行排放。

153302首采工作面帶壓區(qū)初步設(shè)計(jì)奧灰疏放鉆孔5眼，具體布置位置按實(shí)際情況約60 m施工一個(gè)硐室，靠南部?jī)蓚€(gè)硐室分別施工一個(gè)疏水孔，最北部施工一個(gè)疏水孔。疏水孔均為斜孔，終孔層位需進(jìn)入馬家溝組富水巖段，預(yù)計(jì)每孔平均孔深100 m. 同時(shí)需要施工一個(gè)井下水文觀測(cè)孔用于底板疏水時(shí)觀測(cè)水位動(dòng)態(tài)，預(yù)計(jì)孔深200 m，可留作礦井以后的井下長(zhǎng)觀水文孔。

此外，需要在巷道施工配備的水渠、水倉(cāng)、水泵等排水設(shè)施。

4) 疏水降壓經(jīng)費(fèi)預(yù)算。

通過(guò)對(duì)153302工作面底板疏水降壓方案的初步分析，對(duì)疏水降壓的造價(jià)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

疏水降壓造價(jià)主要包括工程造價(jià)和日常排水費(fèi)用兩部分，預(yù)算共計(jì)431.5萬(wàn)元，具體明細(xì)：

a) 排水設(shè)施的改造：250萬(wàn)元

b) 鉆探設(shè)備：80萬(wàn)元

c) 疏水鉆孔：500 m(1 100元/m)，55萬(wàn)元

d) 水文觀測(cè)孔：200 m(1 400元/m)，28萬(wàn)元

e) 日常排水費(fèi)用：8.5萬(wàn)元

f) 不可預(yù)見(jiàn)費(fèi)：10萬(wàn)元

其中，a)b)d)屬于礦井正常防治水工程范疇，可供其他工作面長(zhǎng)期使用。

3 水害防治措施優(yōu)選

注漿改造首采工作面峰峰組含水層方案在古書(shū)院礦基本可行，可以有效減小底板突水的可能性，實(shí)現(xiàn)首采工作面的安全回采。地面造漿站等建筑修造需要一定的時(shí)間，而153302工作面將要面臨回采問(wèn)題，且首次工作面帶壓區(qū)范圍小，注漿量相對(duì)較小。整套注漿設(shè)備施工周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，即首采面投入偏高。

由于水倉(cāng)、水渠、水泵等排水設(shè)施也是工作面開(kāi)采之后的必要設(shè)施，不屬于單獨(dú)的底板含水層疏水降壓工程的范疇。因此，疏水降壓方案主要投入為日常排水費(fèi)用和疏水鉆孔的施工，費(fèi)用較為合理，建議首采工作面開(kāi)采過(guò)程中對(duì)帶壓區(qū)采取疏水降壓的方式，將底板奧灰含水層水位降到煤層底板標(biāo)高以下，確保首采工作面的安全回采。

4 結(jié) 論

1) 通過(guò)對(duì)古書(shū)院礦煤層底板水文地質(zhì)條件分析，采用突水系數(shù)法評(píng)價(jià)認(rèn)為礦井15#煤開(kāi)采處于安全區(qū)域。但是，由于煤層底板隔水層厚度薄，在礦壓破壞條件下將失去隔水能力，存在底板奧灰突水威脅。

2) 通過(guò)對(duì)水害治理方案設(shè)計(jì)，對(duì)比疏水降壓和含水層改造的治理工藝和所需費(fèi)用可得，礦井疏水降壓可以較好地解決煤層底板奧灰水害威脅，同時(shí)費(fèi)用相對(duì)較低，可供礦井實(shí)施使用。

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2017-05-25

卓聰志(1986—)，男，四川隆昌人，2011年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦防治水工作(E-mail)304858435@qq.com