王菲

（河南平禹煤電有限責(zé)任公司一礦，河南 禹州 461670）

1 概況

1.1 工作面概況

平禹一礦二3-13170采面位于三采區(qū)東翼，北臨二3-15040采空區(qū)和二1-15040采空區(qū)，東部為五采區(qū)回風(fēng)下山，西臨三采區(qū)皮帶下山，南部為未開采區(qū)域。采面對(duì)應(yīng)地面為莊稼地。采面標(biāo)高-370～-480 m，地面標(biāo)高+128～+138 m，埋深498～618 m。采面可采走向長(zhǎng)1 070 m，平均斜長(zhǎng)167 m，面積164 780 m2。煤層傾角平均29°，煤厚平均1.8 m，預(yù)計(jì)可采儲(chǔ)量0.354 Mt，采面煤層賦存相對(duì)穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。工作面風(fēng)巷西段460 m采用錨桿+錨索支護(hù)，其余為U型鋼支護(hù)，機(jī)巷采用錨桿、錨索支護(hù)，采煤方法為走向長(zhǎng)壁后退式，綜采工藝回采，全部跨落法管理頂板。

1.2 煤層底板含水層情況

煤層底板主要含水層有三層，由上至下分別為：寒武系上統(tǒng)灰?guī)r含水層、太原組下段灰?guī)r含水層以及太原組上段灰?guī)r含水層。

（1）寒武系上統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層

寒武系上統(tǒng)（包含固山組、長(zhǎng)山組、鳳山組）巖性為灰白色白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖夾薄層泥巖，平均厚度192 m。該層上距二l煤80 m左右，巖溶裂隙發(fā)育，為含水豐富但不均一的強(qiáng)含水層，為二l煤層底板間接充水含水層。

（2）石炭系上統(tǒng)太原組下段灰?guī)r巖溶裂隙含水層

由四層深灰色灰?guī)r（L1-4）組成，L4上距二l煤層42 m，是二l煤層底板間接充水含水層，本段厚度10.88～27.40，平均為13.00 m。

（3）石炭系上統(tǒng)太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙含水層

主要由L5～L11七層深灰色隱晶質(zhì)石灰?guī)r組成，夾砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖，該段厚20～37 m，一般厚度27 m，該層上距二l煤層一般12～16 m，富水性弱，導(dǎo)水性弱～中等，是二l煤層底板直接充水含水層。

1.3 工作面不安全因素

目前，機(jī)巷和風(fēng)巷已經(jīng)貫通，切眼尚在掘進(jìn)之中。影響工作面安全生產(chǎn)的水文地質(zhì)問(wèn)題主要是：

（1）工作面最低點(diǎn)運(yùn)輸聯(lián)巷處標(biāo)高-480 m，二3-13170采面附近泄水巷1#鉆場(chǎng)實(shí)測(cè)寒灰水位-200 m，作用在工作面煤層底板的寒灰?guī)r溶承壓水的水壓為2.8 MPa，帶壓開采存在底板巖溶水突水問(wèn)題。

（2）二3-13170工 作 面 風(fēng) 巷 布 置 于 原 二1-15040工作面機(jī)巷下側(cè)，且二1-15040機(jī)巷呈下山布置，經(jīng)分析采空區(qū)內(nèi)存在積水，積水上限標(biāo)高-357.19 m，下限標(biāo)高-394.37 m，積水量約13 770 m3，對(duì)二3-13170工作面安全生產(chǎn)有很大威脅。

工作面安全生產(chǎn)的潛在水害問(wèn)題是：帶壓開采條件下，煤層底板寒灰水通過(guò)底板采動(dòng)破壞裂隙和隱伏導(dǎo)水通道向礦井充水，以及存在老空水害威脅，所以有必要對(duì)工作面水害采取綜合治理技術(shù)，以確保工作面的安全生產(chǎn)。

2 水害綜合治理技術(shù)介紹

二3-13170工作面水害綜合治理技術(shù)主要包括：先對(duì)工作面進(jìn)行物探探測(cè)，然后根據(jù)物探情況，進(jìn)行底板注漿加固，注漿加固工程結(jié)束后采用物探及鉆探驗(yàn)證檢驗(yàn)底板注漿效果；同時(shí)對(duì)相鄰工作面老空水害通過(guò)施工探放水鉆孔及驗(yàn)證孔對(duì)老空水進(jìn)行疏放；最后在該采面建立微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，確保采面安全回采［1-2］。

3 具體實(shí)施步驟

3.1 水害治理技術(shù)

（1）物探探測(cè)技術(shù)［3］

為查明二3-13170工作面煤層底板太灰和寒灰的富水性，于2022年2月12日～17日，委托平禹煤電公司物探隊(duì)對(duì)工作面底板含水層進(jìn)行了瞬變電磁物探。探測(cè)時(shí)機(jī)、風(fēng)巷均停電，探測(cè)條件滿足要求。共取得測(cè)線11條，130個(gè)點(diǎn)位，共計(jì)42 900組物探數(shù)據(jù)，數(shù)量和質(zhì)量滿足探測(cè)要求。物探結(jié)果確認(rèn)，二3-13170工作面煤層底板太灰L7-8灰?guī)r、L1-3灰?guī)r和探測(cè)深度內(nèi)的寒灰整體富水性弱，僅局部存在富水性略強(qiáng)的相對(duì)富水區(qū)。

（2）注漿加固技術(shù)實(shí)施［4］

①注漿加固工程的原則。對(duì)二3-13170工作面采取“前期全面布孔超前疏放，中期物探檢驗(yàn)，后期重點(diǎn)加固”的原則，即在二3-13170機(jī)巷掘進(jìn)期間，每隔150 m施工一個(gè)疏放水鉆場(chǎng)，通過(guò)疏放水，降低該工作面承壓水水頭高度，待工作面貫通前再對(duì)有水鉆孔進(jìn)行注漿加固封孔；工作面貫通后立即對(duì)工作面底板進(jìn)行全面物探探測(cè)；后期再針對(duì)物探異常區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)加固；異常區(qū)加固完成后，首先進(jìn)行物探驗(yàn)證，然后施工鉆探檢驗(yàn)孔，對(duì)異常區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證鉆孔數(shù)量應(yīng)根據(jù)異常區(qū)大小確定，但不得少于2個(gè)，且終孔間距不得大于30 m，待異常區(qū)全部消除后，方可進(jìn)行回采。

②注漿層位。

一般太原組下段灰?guī)r富水性弱，寒武系灰?guī)r富水性強(qiáng)，L1-3灰?guī)r位于太原組下段的下界面，所以選擇該層位作為注漿加固終孔層位。通過(guò)對(duì)底板注漿加固改造，減弱含水層富水性，增加底板隔水層厚度，并對(duì)裂隙進(jìn)行有效充填，進(jìn)一步降低水害威脅。

寒灰水位按照2022年2月28日各觀測(cè)孔的實(shí)測(cè)水位值以及繪制的水位等值線圖加以確定，二3-13170工作面寒灰水位為-200 m，工作面最低點(diǎn)位于設(shè)計(jì)停采線的機(jī)巷處，標(biāo)高為-480 m，則作用在煤層底板的水壓為2.8 MPa。二3煤底板至太灰下段灰?guī)r（L3頂界面）間隔水層平均值為67.7 m，至寒灰（頂界面）之間隔水層度平均值為87.7 m。在未對(duì)工作面底板地層進(jìn)行預(yù)注漿加固改造前，寒灰雖然是區(qū)域上的強(qiáng)含水層，但L1-3灰也是煤層底板的含水層，并與寒灰有較為密切的水力聯(lián)系。故隔水層按照二3煤底板至太灰下段灰?guī)r（L3頂界面）間地層厚度計(jì)算，其厚度為67.7 m。因此，突水系數(shù)為：

故對(duì)二3-13170工作面底板地層進(jìn)行預(yù)注漿加固改造。

根據(jù)二3-13170工作面底板地層注漿加固設(shè)計(jì)、實(shí)際工程布置及工程量、注漿加固效果檢驗(yàn)等因素，注漿鉆孔設(shè)計(jì)深度及加固層位重點(diǎn)是L1-3灰，也包括L5灰和L7-8灰，一些進(jìn)入寒灰的鉆孔，對(duì)出水段或漏水段也進(jìn)行了注漿。對(duì)工作面煤層底板下的太原組灰?guī)r含水段或漏水段普遍進(jìn)行了注漿加固改造。在完成二3-13170工作面底板地層注漿加固工程后，二3煤底板下的地層已普遍成為隔水層，寒灰是未來(lái)影響安全生產(chǎn)的關(guān)鍵水源，二3煤至寒灰頂界面上的地層能起到阻隔寒灰水進(jìn)入礦井、工作面的作用，隔水層厚度可按87.7 m取值，寒灰水位仍取-200 m。突水系數(shù)為：

通過(guò)底板注漿加固改造后，底板隔水層厚度增加了20 m，降低了底板突水系數(shù)，確保了采面能夠安全回采。

③注漿加固范圍

根據(jù)二1-15040、二3-15040工作面采動(dòng)影響范圍，并參考二1-15010工作面微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，工作面底板受采動(dòng)影響范圍為工作面風(fēng)巷、機(jī)巷向外約10 m以內(nèi)。根據(jù)《河南省煤礦防治水管理辦法》，要求煤層底板注漿加固及改造含水層的范圍必須超過(guò)回采工作面采動(dòng)影響范圍外30 m，所以將二3-13170工作面底板注漿加固范圍確定為工作面風(fēng)巷、機(jī)巷向外40 m。

④注漿孔參數(shù)

注漿加固鉆孔參數(shù)根據(jù)“前期全面布孔、超前疏放，中期物探檢驗(yàn)，后期重點(diǎn)加固”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，鉆孔按照先施工巷道中間的，再施工兩邊的順序進(jìn)行施工，若遇地質(zhì)構(gòu)造區(qū)或富水區(qū)，對(duì)鉆孔參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

⑤注漿方式

一般采用全段連續(xù)注漿方式，分孔分次序連續(xù)灌注，直至達(dá)到終孔壓力為止，以最大量進(jìn)漿，最大范圍擴(kuò)散，最大限度地充填巖溶裂隙為目的。對(duì)初始水量大于100 m3/h的鉆孔，采取分段注漿，穿透含水層或構(gòu)造破碎帶，最終達(dá)到注漿終孔標(biāo)準(zhǔn)。相鄰鉆孔在含水層段間距小于50 m時(shí)，不得同時(shí)穿透含水層，以免串漿。若發(fā)現(xiàn)井下跑漿時(shí)可采取間歇注漿，間歇時(shí)間一般為24小時(shí)。

⑥單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)及注漿效果檢驗(yàn)

⑦注漿工程量

截至2022年3月27日，在二3-13170工作面機(jī)巷和風(fēng)巷已施工注漿孔55個(gè)，鉆孔工程量6 248 m，注漿量747 t。

單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：實(shí)踐證明，黏土水泥漿注漿壓力越大，擴(kuò)散的范圍越大，對(duì)裂隙充填越飽滿，形成的結(jié)實(shí)體強(qiáng)度也就越高，但壓力超過(guò)一定限度時(shí)，容易造成巷道底鼓、跑漿。單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為泵量40 L/min以下，孔口壓力不得低于水壓的2.5倍（7.8 MPa），持續(xù)時(shí)間為30 min以上。但當(dāng)發(fā)現(xiàn)巷道底鼓或大量跑漿時(shí)，采用間歇法或調(diào)整漿液比重和注漿參數(shù)進(jìn)行封堵。

施工鉆孔注漿結(jié)束達(dá)到要求后，施工檢查孔進(jìn)行檢查，也可利用物探手段進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 探放相鄰工作面老空水措施［5-6］

對(duì)與二3-13170工作面相鄰的二1-15040采面老空積水通過(guò)施工探放水鉆孔來(lái)消除老空水害的威脅。共施工24個(gè)探放水孔，鉆探工程量7 550.5 m，累計(jì)放水量15 524 m3，大于預(yù)計(jì)積水量13 000 m3。在風(fēng)巷西段施工的2個(gè)驗(yàn)證孔，水量?jī)H為1 m3/h。在二3-13170工作面回采期間，一直用排放二1-15040老空區(qū)的動(dòng)水作為工作面補(bǔ)給水。

3.3 回采期間的水害預(yù)測(cè)預(yù)警措施

在二3-13170工作面回采期間，除繼續(xù)對(duì)寒灰水位和太灰水位繼續(xù)觀測(cè)外，還將安裝微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。根據(jù)二3-13170工作面微震監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，在風(fēng)巷、機(jī)巷各布置單軸檢波器12個(gè)，共布置24個(gè)檢波器，24通道。布置監(jiān)測(cè)分站2臺(tái)，風(fēng)巷、機(jī)巷各1臺(tái)（如圖1所示）。檢波器采用包圍方式布置，間距100 m。

圖1 二3-13170工作面微震監(jiān)控點(diǎn)及分站布置

通過(guò)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，精確地計(jì)算出微裂隙的破壞位置、能量以及可能影響的區(qū)域，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采動(dòng)過(guò)程中工作面底板含水層破裂引起的微震信號(hào)，分析微震事件的空間展布，實(shí)現(xiàn)水害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，為工作面安全回采和防范水害提供依據(jù)。

4 實(shí)施效果

1）對(duì)二3-13170工作面煤層底板地層進(jìn)行了預(yù)注漿加固，截至2022年3月27日，在二3-13170工作面機(jī)巷和風(fēng)巷已經(jīng)施工55個(gè)注漿孔，鉆探工程量6 248 m，注漿量747 t。揭露L7-8灰?guī)r時(shí)出水鉆孔12個(gè)，單孔水量一般小于5 m3/h，最大出水量為10 m3/h。揭露L1-3灰?guī)r時(shí)出水鉆孔10個(gè)，單孔水量一般小于5 m3/h，最大出水量為15 m3/h。揭露寒灰鉆孔19個(gè)，最大水量?jī)H8 m3/h。從單孔注漿量、單孔出水量、總注漿量等指標(biāo)來(lái)看，二3-13170工作面底板太灰和寒灰富水性均較差，與物探結(jié)論基本一致。另外通過(guò)采用瞬變電磁物探和鉆探兩種手段檢查驗(yàn)證了注漿效果。因此，在正常條件下，寒灰水不會(huì)進(jìn)入工作面，不會(huì)對(duì)礦井的安全構(gòu)成威脅。

（2）對(duì)二3-13170工作面北鄰的二1-15040已采面的老空積水進(jìn)行了徹底探放，總放水量為15 524 m3，超出預(yù)計(jì)的13 000 m3積水量，消除了相鄰采面的老空積水的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)二3-13170工作面進(jìn)行物探，然后實(shí)施底板注漿加固以及對(duì)相鄰工作面老空水進(jìn)行探放、疏排，最后建立微震觀測(cè)系統(tǒng)的水害綜合治理技術(shù)，徹底消除底板水害及老空水害對(duì)工作面安全生產(chǎn)的威脅。該項(xiàng)目的成功應(yīng)用，使礦井在受底板水害及老空水害威脅的區(qū)域能順利布置采面，并做到安全生產(chǎn)，避免因治理措施不當(dāng)而造成水害事故的發(fā)生。同時(shí)該項(xiàng)目主要采用底板注漿加固以及建立微震觀測(cè)系統(tǒng)來(lái)確保采面安全回采，可為制定底板水害治理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供參考。