李柬谷

（陽(yáng)泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司地質(zhì)測(cè)量部，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 礦井概況及9#煤層水文地質(zhì)條件分析

堡子公司為資源整合礦井，批準(zhǔn)開(kāi)采2#~9#煤層，井田面積7.7184km2，生產(chǎn)規(guī)模為90 萬(wàn)t/a。2016 年4 月21 日山西省煤炭工業(yè)廳頒發(fā)的晉煤行發(fā)[2016]298 號(hào)文件重新確定堡子礦的生產(chǎn)能力為76 萬(wàn)t/a，現(xiàn)采2#煤層。

礦井9#煤層井巷工程開(kāi)拓延伸以及首采9102工作面移交回采主要位于一采區(qū)。根據(jù)9#煤層充水因素分析，礦井9#煤層面臨的主要防治水問(wèn)題為底板奧灰水水害。

1.1 9#煤層底板奧灰含水層富水性特征

井田奧灰峰峰組含水層滲透系數(shù)0.00404~10.74m/d，單位涌水量0.00323~1.222L/s.m，為弱-強(qiáng)等富水性含水層，富水性由井田東部向西部逐漸減弱，如圖1 所示。

圖1 奧陶系灰?guī)r含水層富水性分區(qū)示意圖

1.2 9#煤層底板奧灰水水害威脅程度

（1）9#煤層帶壓區(qū)及奧灰?guī)r溶水突水系數(shù)根據(jù)資料計(jì)算，9#煤層開(kāi)采奧灰?guī)r溶水突水系數(shù)變化范圍為0.022~0.158MPa/m 之間，見(jiàn)表1。在中B1-2 鉆孔處奧灰水突水系數(shù)達(dá)到最大值0.158MPa/m，如圖2 所示。

表1 9#煤層奧灰?guī)r溶水突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

圖2 9#煤層奧灰?guī)r溶水突水系數(shù)等值線及帶壓開(kāi)采分區(qū)圖

（2）煤層底板采動(dòng)破壞帶

式中：

H-開(kāi)采深度，m；

α-煤層傾角，°；

L-工作面斜長(zhǎng)，m；

9102 工作面平均埋深H=214.13m，工作面斜長(zhǎng)為L(zhǎng)=150m，α=8°（首采9102 工作面底板標(biāo)高+820m~+870m），經(jīng)計(jì)算9#煤層開(kāi)采后底板破壞帶為h=14.98m（約15m）。

2 9#煤層底板奧灰水害防治技術(shù)研究

主要針對(duì)底板注漿加固改造和疏水降壓兩種治理措施進(jìn)行分析研究。

2.1 底板注漿加固及改造

2.1.1 9#煤層底板注漿改造層位

9#煤層距離奧陶系灰?guī)r含水層厚度8.12~38.71m，平均厚度19.12m，采后底板破壞帶深度約15m，底板隔水層基本上全部破壞，因此，采用奧灰頂部峰峰組含水層改造技術(shù)加厚、加固煤層底板隔水層或構(gòu)造斷裂等，為安全開(kāi)采創(chuàng)造有利條件。為了減少鉆探工程量，采用井下施工方法，如圖3 所示。

圖3 底板含水層注漿改造技術(shù)示意圖

2.1.2 9#煤層底板注漿改造利用厚度

9#煤層開(kāi)采奧灰?guī)r溶水突水系數(shù)變化范圍為0.010~0.158MPa/m 之間，局部突水系數(shù)大于0.1MPa/m。進(jìn)行奧灰頂部30m 改造后9#煤層開(kāi)采奧灰?guī)r溶水突水系數(shù)變化范圍為0.010~0.067MPa/m 之間，見(jiàn)表2。井田大面積突水系數(shù)小于臨界值0.06MPa/m，屬于帶壓開(kāi)采相對(duì)安全區(qū)，井田中部局部突水系數(shù)介于0.06MPa/m 與0.10MPa/m 之間，屬于過(guò)渡區(qū)，過(guò)渡區(qū)采取合理的探查和治理措施可以實(shí)現(xiàn)安全帶壓開(kāi)采，如圖4 所示。

表2 9#煤層底板奧灰?guī)r溶水突水系數(shù)計(jì)算結(jié)果表（改造奧灰頂部30m）

圖4 9#煤層奧灰?guī)r溶水突水系數(shù)等值線及帶壓開(kāi)采分區(qū)圖（考慮奧灰峰峰組頂部改造30m）

2.1.3 巷道掘進(jìn)底板改造方案

9#煤巷道掘進(jìn)鉆探采用定向鉆進(jìn)和常規(guī)鉆進(jìn)相結(jié)合的方案，掘進(jìn)段較短處及物探異常段采用常規(guī)鉆進(jìn)方法，其余段采用定向鉆進(jìn)。

煤層巷道掘進(jìn)后底板破壞深度一般小于5m，巷道掘進(jìn)定向探查孔兼做奧灰改造底板孔（奧灰頂面以下15m 左右），9#煤層至奧灰頂界面厚度在8.12~38.71m 之間，平均厚度19.12m，鉆孔施工可以滿足深度要求，常規(guī)鉆探查孔的鉆探深度終孔處設(shè)計(jì)為9#煤以下垂深10m，定向探查孔鉆探深度終孔處設(shè)計(jì)為奧灰頂界面以下垂深15m，如圖5 所示。

圖5 定向探查孔縱剖面圖

2.1.4 回采工作面底板改造方案

（1）底板注漿改造鉆孔布置

工作面底板孔全部采用定向孔；鉆孔水平投影均勻布滿探測(cè)區(qū)域，沿走向平行孔段間距為40m；鉆孔軌跡設(shè)計(jì)為“直線—曲線—直線”型，鉆孔拐彎幅度最大30°；鉆孔進(jìn)入奧灰?guī)r層內(nèi)部，使之沿奧灰?guī)r層內(nèi)部延伸。堡子井田9#煤層共分為2 個(gè)采區(qū)，一采區(qū)設(shè)計(jì)7 個(gè)回采工作面，本次預(yù)布7 個(gè)鉆場(chǎng)29 個(gè)鉆孔；二采區(qū)設(shè)計(jì)6 個(gè)回采工作面，本次預(yù)布4 個(gè)鉆場(chǎng)20 個(gè)鉆孔，如圖6 所示。定向孔總進(jìn)尺45742m。對(duì)于局部定向鉆進(jìn)盲區(qū)，加之物探電法探查后存在的異常區(qū)，采用常規(guī)鉆，常規(guī)鉆按4575m 考慮（按定向鉆的10%）。

圖6 9 號(hào)煤底板定向注漿孔布置示意圖

（2）注漿效果檢查

每個(gè)工作面初步布置一個(gè)檢查孔，一采區(qū)7 個(gè)檢查孔，二采區(qū)5 個(gè)檢查孔，總進(jìn)尺10115m。

2.1.5 底板注漿改造經(jīng)濟(jì)可行性

（1）費(fèi)用概算

根據(jù)對(duì)9#煤層底板改造鉆探工程量、注漿工程量的預(yù)計(jì)，對(duì)費(fèi)用進(jìn)行了估算，9#煤層底板奧灰頂部注漿改造工程費(fèi)用概算約25788.455 萬(wàn)元，見(jiàn)表3。

表3 費(fèi)用概算

（2）效益評(píng)述

根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告，礦井9#煤層保有資源/儲(chǔ)量為2566 萬(wàn)t。根據(jù)堡子公司開(kāi)采方案，9#煤層分為兩個(gè)采區(qū)，二采區(qū)工作面為6 個(gè)，一采區(qū)工作面為7 個(gè)，共計(jì)可采出煤量450 萬(wàn)t。本次井田9#煤層底板奧灰頂部注漿改造工程費(fèi)用概算約25788.455萬(wàn)元，噸煤防治水費(fèi)用為57.31 元。

2.2 奧灰水疏水降壓

2.2.1 奧灰水疏水降壓可行性

根據(jù)聯(lián)合放水試驗(yàn)結(jié)果，分析井田內(nèi)奧灰水的可疏降性。

（1）降深與涌水量的比值關(guān)系判別標(biāo)準(zhǔn)

降深與涌水量的比值關(guān)系作為疏降可行性的判別標(biāo)準(zhǔn)：

式中：

S-主要控放范圍內(nèi)的水位降深，m；

Q-主要控放范圍內(nèi)的涌水量，m3/min。

（1）S'0>10，補(bǔ)給較弱，易疏降；

（2）3 ≤S'0≤10，補(bǔ)給較強(qiáng)，可以疏降；

（3）S'0<3，補(bǔ)給很強(qiáng)，不宜直接疏降。

水文地質(zhì)補(bǔ)勘鉆孔放水試驗(yàn)降深與涌水量的比值關(guān)系見(jiàn)表4。根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，奧灰峰峰組O2f降深與涌水量的比值大于3，說(shuō)明含水層補(bǔ)給較強(qiáng)，可以疏降。

（2）滲透系數(shù)判別標(biāo)準(zhǔn)

疏干與含水層的滲透系數(shù)關(guān)系極大，根據(jù)水文孔資料，堡子礦奧灰峰峰組含水層滲透系數(shù)0.00404~10.74m/d，平均值1.62m/d，奧灰峰峰組含水層水可以進(jìn)行疏水降壓，但是局部K<0.3m/d 的區(qū)域疏降性會(huì)不理想。

表4 堡子礦放水試驗(yàn)降深與涌水量的比值關(guān)系表

2.2.2 工作面疏降水量預(yù)測(cè)

采用“大井法”對(duì)9#煤層底板奧灰水帶壓開(kāi)采采用疏水量進(jìn)行預(yù)測(cè)：

式中：

Q-疏降水量，m3/d；

K-滲透系數(shù)，m/d；

M-含水層厚度，m；

S-水位降深，m；

γ0-引用半徑，m；

R0-引用影響半徑，m。

井田內(nèi)奧灰峰峰組（O2f）厚度大于100.00m，含水層厚度M=100m；首采9102 工作面西側(cè)B1-3水文孔奧灰水位+926.15m，工作面底板標(biāo)高最低處為+820m 左右，水位降深S=106.15m；含水層滲透系數(shù)0.00404~10.74m/d，平均值K=1.62m/d。經(jīng)過(guò)計(jì)算9102 工作面奧灰水位疏降至+820m 時(shí)，采取疏水降壓措施，疏降水量約2372m3/h。

總體上，疏水降壓疏降水量大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，現(xiàn)有礦井排水系統(tǒng)不能滿足疏水降壓的要求。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)9#煤層開(kāi)采底板奧灰含水層富水特征以及奧灰水害對(duì)9#煤層開(kāi)采的威脅程度的分析，提出9#煤層底板注漿加固改造和疏水降壓防治水治理措施，確定了堡子公司9#煤帶壓開(kāi)采底板注漿加固治理的可行性，為礦井安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障。