＊李永進(jìn) 王亮亮 王英豪 楊新宇 楊玉華 趙浩南

（山西晉煤集團(tuán)洪洞晉圣榮康煤業(yè)有限公司 山西 041600）

1.緒論

近年來(lái)，隨著煤炭資源的開采深度逐漸加深或是下組煤的開采，底板奧陶系灰?guī)r水突水危險(xiǎn)性越來(lái)越大，加之近年來(lái)國(guó)家對(duì)地下水資源保護(hù)力度的增加，保水開采[1-2]成為很多礦井水防治中的一條重要工作思路。

礦井地處龍子祠泉域東北邊緣地段，巖溶地下水的補(bǔ)給主要是通過(guò)西北區(qū)域出露巖溶含水層或斷裂構(gòu)造水的側(cè)向補(bǔ)給，其次是在淺埋藏區(qū)或裸露區(qū)接受大氣降水和地表水補(bǔ)給。經(jīng)區(qū)域巖溶水系統(tǒng)徑流，經(jīng)人工水井、礦坑或大泉排泄。

礦井西北部發(fā)育有下團(tuán)柏?cái)鄬?，礦井處于該正斷層的上盤，斷層落差200～230m，礦井主要的充水含水層K2灰?guī)r含水層和斷層下盤的奧陶系灰?guī)r含水層對(duì)接，使得本井田K2灰?guī)r含水層富水性中等，礦井日常涌水量大。

礦井主要開采太原組的10#、11#煤，11#煤層距離奧灰27～37m，平均35m。井田范圍內(nèi)奧灰水位標(biāo)高+520m。斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要開采的南區(qū)目前勘探發(fā)現(xiàn)斷層21條。斷裂構(gòu)造使得煤層底板隔水層的完整性大大降低，進(jìn)一步增加了底板奧灰的突水威脅。

為了減少礦井的正常涌水量，降低礦井底板突水威脅，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)地下水資源的原位保護(hù)、地面環(huán)境的保護(hù)，礦井利用定向鉆探技術(shù)，對(duì)煤層底板的奧灰進(jìn)行探查治理。在團(tuán)柏?cái)鄬拥倪吔绺浇贙2施工探查治理孔，施工帷幕降低礦井日常涌水量，奧灰頂部注漿治理以減小奧灰突水概率。

2.礦井水文地質(zhì)條件分析

含水層是影響水害發(fā)生的重要因素，根據(jù)探測(cè)礦井主要含水層為第四系松散巖類孔隙含水層，上、下石盒子組、山西組砂巖裂隙含水層，太原組石灰?guī)r裂隙含水層，奧陶系中統(tǒng)峰峰組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。下面對(duì)礦井水文地質(zhì)條件分析。

(1)井田內(nèi)原生構(gòu)造發(fā)育條件分析

本區(qū)多被第四系黃土層覆蓋，基巖僅在溝谷中小片出露或零星露頭，主要發(fā)育有S1背斜、S2向斜、S3背斜、S4向斜，斷裂破碎易成為礦井充水的主要通道。井田內(nèi)以往共發(fā)現(xiàn)陷落柱9個(gè)，縱斷面呈倒漏斗型，也可能成為導(dǎo)水的結(jié)構(gòu)。

(2)10#、11#煤層采動(dòng)影響范圍分析

①頂板裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算

井田內(nèi)煤層為緩傾角，煤層頂板主要為泥巖、砂巖，采用中硬巖層導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式，其公式為：

式中：Hli—導(dǎo)水裂縫帶高度（m）；ΣM—煤層累計(jì)采厚（m），取井田內(nèi)10#、11#煤層最大厚度5.89m。

計(jì)算得導(dǎo)水裂縫帶高度為82.81m，最大高度可通太原組砂巖裂隙含水層及山西組砂巖裂隙含水層。

②底板采動(dòng)破壞深度分析

底板采動(dòng)破壞深度一般在10～20m[3]，底板巖層采動(dòng)破壞深度不僅和開采的地質(zhì)條件有關(guān)，而且和開采的方式也有很大的關(guān)系。在工作面斜長(zhǎng)30～205m、采深100～1000m條件下，可通過(guò)以下公式計(jì)算煤層采后底板破壞帶發(fā)育深度[4]。

式中：h—底板采動(dòng)破壞深度（m）；L—工作面斜長(zhǎng)（m）。

計(jì)算得地板最大破壞深度約16.89m。

(3)礦井充水因素分析

井田范圍內(nèi)，煤層開采可以影響到的含水層主要有新生界松散巖類孔隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層、石炭系太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。構(gòu)造發(fā)育能夠?qū)ǖ暮畬舆€有奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。其中新生界松散巖類孔隙含水層在煤層埋藏較淺或溝谷位置可能對(duì)開采有影響。二疊系砂巖裂隙含水普遍富水性弱，對(duì)開采影響較小。對(duì)礦井開采影響較大的含水層主要為太原組K2灰?guī)r含水層和奧灰含水層。K2灰?guī)r含水層被采動(dòng)裂隙導(dǎo)通，在采掘過(guò)程中以頂板滴淋水的形式出現(xiàn)，對(duì)礦井日常生產(chǎn)影響較大。奧灰含水層通過(guò)一下導(dǎo)水構(gòu)造導(dǎo)通采掘空間，對(duì)礦井安全產(chǎn)生威脅。

3.防治水理念和體系

統(tǒng)籌煤炭資源的安全高效開采、水資源的原位保護(hù)、地面的生態(tài)環(huán)境保護(hù)[5]，分析研究礦井充水條件，優(yōu)化開采布局、工藝參數(shù)和工作面接替，掌握采動(dòng)應(yīng)力分布、裂隙擴(kuò)展和水力聯(lián)系的規(guī)律；采取有力手段措施，評(píng)價(jià)10#和11#煤層保水開采效果。

(1)1個(gè)統(tǒng)一：安全生產(chǎn)和水資源、環(huán)境保護(hù)統(tǒng)一

在礦井的采掘過(guò)程中，頂板K2灰?guī)r含水層正常的涌水量在180m3/h左右，出水不僅使得井下采掘環(huán)境惡化，同時(shí)增加了礦井排水壓力，降低排水系統(tǒng)的空余排水能力。同時(shí)大量水進(jìn)入礦坑，形成了水資源的浪費(fèi)。礦井水災(zāi)排出后，對(duì)環(huán)境也有一定的影響。井田發(fā)育的導(dǎo)水構(gòu)造，一旦形成奧灰突水，不僅威脅礦井安全，同樣會(huì)形成資源的浪費(fèi)和增加環(huán)境保護(hù)的難度。減小礦井K2涌水量、降低奧灰突水概率就是實(shí)現(xiàn)了這三者的統(tǒng)一。

(2)1個(gè)理論依據(jù)：灰?guī)r含水層中漿液的擴(kuò)散理論

隨著近年來(lái)的實(shí)踐，對(duì)灰?guī)r注入水泥漿、黏土漿、粉煤灰水泥漿等在多個(gè)礦區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，同期對(duì)漿液在灰?guī)r中的擴(kuò)散也有眾多的學(xué)者進(jìn)行研究，形成了冪律流體的球形擴(kuò)散理論[6]、水平孔注漿漿液擴(kuò)散力學(xué)模型[7]、傾斜裂隙水平注漿孔牛頓流體和黏時(shí)變性流體漿液擴(kuò)散模型[8]、裂隙巖體滲透注漿特性試驗(yàn)[9]、離散裂隙網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)理論[10]等的漿液擴(kuò)散理論。

(3)1項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)支撐：井下千米定向鉆探技術(shù)

隨著定向鉆進(jìn)技術(shù)、工藝的發(fā)展，我國(guó)井下長(zhǎng)距離定向鉆進(jìn)技術(shù)最大鉆進(jìn)距離達(dá)到了2570m[11]，在灰?guī)r中達(dá)到了900m。長(zhǎng)距離的定向鉆探工藝形成，使得在灰?guī)r中大范圍、遠(yuǎn)距離注漿得以實(shí)現(xiàn)。

(4)3個(gè)有效保障：專業(yè)的治理隊(duì)伍、專門的治理資金、國(guó)家的退稅政策

在確定進(jìn)行灰?guī)r區(qū)域治理以實(shí)現(xiàn)礦井水資源保護(hù)，環(huán)境保護(hù)的理念下，選用了專業(yè)的技術(shù)力量進(jìn)行實(shí)施。同時(shí)企業(yè)和配套率足夠的資金進(jìn)行項(xiàng)目的運(yùn)行，山西省也對(duì)綠色開采進(jìn)行退稅補(bǔ)貼，進(jìn)一步降低了治理的成本，在源頭實(shí)現(xiàn)了環(huán)境的保護(hù)。

(5)6大監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：保水開采智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

保水開采智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要包括地表水文觀測(cè)、地下水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、工作面涌水量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警、礦井水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警、頂板裂隙發(fā)育動(dòng)態(tài)觀測(cè)、底板破壞范圍實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警、災(zāi)害征兆實(shí)時(shí)預(yù)警等。

4.防治水主要思路和措施

為了減小采掘過(guò)程中的頂板滴淋水，方便井下巷道的掘進(jìn)與回采、降低礦井涌水量，減小礦井排水壓力、增加煤層開采底板的安全安全性。礦井采用超前注漿治理的技術(shù)對(duì)奧灰頂部進(jìn)行改造和對(duì)K2的過(guò)水邊界建立阻水帷幕。

（1）在井田西部靠近下團(tuán)柏?cái)鄬拥牡胤剑蓞^(qū)膠帶和回風(fēng)的連巷，布置鉆場(chǎng)，對(duì)煤層頂板K2灰?guī)r含水層施工定向探查孔，井下注漿。利用兩排鉆孔實(shí)現(xiàn)在含水層中建立隔水帷幕的目的，從而降低采掘活動(dòng)中K2頂板的滴淋水。

（2）在井下軌道巷合適位置建立鉆場(chǎng)，利用定向鉆機(jī)沿工作面走向，在奧灰頂部布置定向鉆孔，對(duì)奧灰上部8～15m厚度的地層進(jìn)行探查與治理。治理范圍按照工作面采動(dòng)范圍外擴(kuò)50m確定，鉆孔間距為40～60m。利用地面注漿站制漿，通過(guò)高壓注漿管，輸送漿液至井下鉆場(chǎng)，探查出水后，開始注漿治理。對(duì)奧灰頂部的異常導(dǎo)升通道和部分?jǐn)鄬舆M(jìn)行超前治理，降低奧灰突水威脅，增加開采的安全性。

5.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

在2022年6月，至2022年9月初，在11004工作面下部施工了6個(gè)定向鉆孔，13個(gè)常規(guī)補(bǔ)充加固孔，9個(gè)檢查孔。定向鉆探進(jìn)尺累計(jì)3053m，常規(guī)補(bǔ)充孔進(jìn)尺1363m，檢查孔進(jìn)尺907m。注入水泥3182t。11005工作面施工6個(gè)定向鉆孔，定向工程鉆探量6573m，注入水泥10941t；常規(guī)鉆探進(jìn)尺1913m，注入水泥705t。共注入水泥11646t。

11004工作面實(shí)現(xiàn)安全回采，回采過(guò)程中底板未見出水。治理前后的音頻電透成果見圖1、圖2。

圖1 治理前工作面底板下40～60m音頻電透成果圖

圖2 治理后工作面底板下40～60m音頻電透成果圖

6.結(jié)論

（1）通過(guò)注漿治理的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了K2灰?guī)r的帷幕截流，減小了頂板得滴淋水，達(dá)到了井巷的高效掘進(jìn)。實(shí)現(xiàn)了11004工作面的安全，達(dá)到了礦井的安全回采。

（2）對(duì)奧灰上部8～15m的探查與改造，降低了奧灰的突水威脅，減小了礦井的排水量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境的保護(hù)。

（3）實(shí)現(xiàn)了礦井的安全、高效開采、地下水的原位保護(hù)、環(huán)境的保護(hù)，為類似條件的礦井防治水工作提供了重要的借鑒。