承压含水层富水区上覆煤层安全开采技术

张 强

（肥城矿业集团有限责任公司，山东 肥城 271608）

承压含水层富水区上覆煤层安全开采技术

张 强

（肥城矿业集团有限责任公司，山东 肥城 271608）

分析了矿区水文地质特征、影响突水因素，结合工程实例，提出了“通过地面注浆站集中注浆，井下施工注浆孔，向介于煤层和奥灰强含水层之间的薄层灰岩注浆，改变其富水性”的防治水技术。

承压水；富水区；上覆煤层；注浆改造；安全开采

1 前言

肥城煤田位于鲁西断块，肥城断陷盘盆地内，为第四纪覆盖的全隐蔽式煤田，由于第四系底部发育一层隔水性能良好的粘土层，使第四系潜水及地表水对矿井充水无影响。威胁矿井安全生产的主要是五灰（徐家庄灰岩）和奥灰（奥陶系灰岩）。奥灰厚800m，岩溶裂隙发育，地表广泛出露，直接受大气影响降水补给，含水极为丰富。动水量2.8×104m³/h。上距本溪群五灰仅10～16m，五灰厚10m，含水丰富，由于受构造等影响，两含水层水位动态变化和水质都相似，水力联系密切实为一个含水体。五灰之上20～35m为太原群底部的九、十层煤。

肥城煤田水文地质条件极复杂，太原群九、十层煤及部分七、八层煤受底盘五灰和奥灰承压水的严重威胁，全局可采储量中受水威胁达47％。自66年以来，发生出水120余次，85年8月陶阳矿9507面突水17940m³/h，淹没中一井。通过认真分析突水原因，在不断实践、认真总结经验教训的基础上，本着“主动治理水害，防患于未然”的防治水原则，逐步探索出“以预注浆改造五灰的富水性，上封导水裂隙，消除导高，加固煤层底板，下堵奥灰补给通道，切割水源，达到改造、加固、封源之目的的综合防治技术”。有效地预防了工作面底板出大水，实现安全开采。

2 影响底板承压水突出因素分析

采掘过程中，底板承压水突出是多方面因素综合作用的结果，根据肥城煤田历次突水情况分析主要有以下因素。

2.1 矿山压力

采矿过程中矿山压力对工作面底板具有严重的破坏作用，致使裂隙发生，导致出水，是承压水突出的诱导因素。随着工作面推进，工作面底板任一断面，总是经历超前支撑压力而压缩，采后悬顶卸压膨胀，再后顶板冒落压实的再受压过程。

1）超前压力压缩区：在工作面前方0～30m，压力峰值在2～10m煤体内，煤壁前方的底板岩层受到支承压力被压缩，岩体内由于应力升高而聚集了大量的应变能。当支承压力超过底板岩层的极限时，底板岩石出现塑性变性，产生斜交及垂直于底板岩层的采动裂隙。

2）卸压膨胀区：距煤壁0～-30m，工作面向前推进，位于采空区的工作面底板因卸压由压缩状态转入膨胀状态。岩体内应变能释放，逐渐消耗在对岩体的破坏上，位于上部的直接底板在矿压作用下产生底鼓，由于底板岩层每一层厚度及力学性质不同，因而层与层之间上鼓程度不同，岩层间产生离层裂隙。同时，在每层上表面产生垂直裂隙。因而此阶段产生的裂隙最多，底板破环最严重，最容易出水。

3）采后应力恢复稳定区：随着工作面推进，顶板不断冒落压实，底板岩层由膨胀状态经缓慢岩体变性逐渐恢复到原始状态，采动裂隙减少，甚至闭合。应力恢复区的位置一般距煤壁-30～-70m。

在工作面初次来压与周期来压时，顶板的悬顶面积最大，底板受破坏最大，采动裂隙最发育，再加上老顶垮落时的巨大冲击力，底板最容易发生突水。工作面自切眼推到60m这段距离时，即初次来压与第一次周期来压时，底板发生突水的总概率最大。

2.2 断裂构造

断裂构造的存在破坏了底板的完整性，降低了隔水岩层的强度，缩短了煤层到含水层的距离，在矿压、水压作用下易充水导水，成为突水通道。

肥城矿区突水，绝大部分与断裂构造有关，如查庄矿2003年10月27日8500皮带巷14﹟残采洞，遇一落差3米断层回撤，后因内应力变化地层受挤压发生变形而使断层导水，最大涌水量706 m³/h，致使矿井处以半停产状态。陶阳矿9901工作面，因开切眼没留足东8号断层煤柱，推采12m，出水1083m³/h。9507工作面是由北东向宽20cm的构造裂隙，出水1794m³/h而淹井。

一般情况下在断层交叉、尖灭，拐弯等地段易发生出水；向斜轴部、张性裂隙发育带易发生出水；隐伏裂隙构造处易被忽视，导致出水。断裂构造为承压水提供了通道，是造成突水的重要因素。

2.3 隔水层

隔水层对出突水起限制作用，其阻水能力是由其厚度和抗张强度决定的。厚度越大，抗张强度越强，越不易出水。而且煤层底板岩性及地层结构是控制底板采动影响的重要因素。

隔水层厚度是指煤层到底板含水层之间的距离，由采矿对底板破坏深度和有效隔水层厚度及导高三部分组成。导高是承压水沿导水裂隙上升的高度，起阻水作用的主要是有效隔水层厚度。如果采矿对底板破坏深度大，导高又大，则有效隔水层厚度相对减小，就容易出水。

2.4 含水层的富水性

含水层的富水性是突水大小的物质基础，它决定着突水后的水害规模，及对矿井的威胁程度。含水层的富水性与埋深、岩溶发育程度及构造发育程度有关。

2.5 水压

水压是工作面出水的动力，分静水压力和动水压力两种，未出水前表现为静水压力。出水后承压水头降低，部分势能转换为动能，这时静水压力和动水压力同时起作用。

静水压力对隔水层原生裂隙具有楔劈扩大作用，水压愈高，作用愈显著，回采中在静水压力作用下，底板隔水层薄弱部位常常发生出水。

动水压力作用主要表现出水后对裂隙的冲刷及物质搬运作用，在动水压力作用下，裂隙被冲刷扩大，充填物质不断被带走，水源通道越来越畅通，出水量越大。

3 安全开采承压含水层富水区上覆煤层的途径

肥矿集团在开采承压含水层上覆煤层过程中发生多次出突水。因此，如何实现承压水上覆煤层的安全开采，成为急待解决的大问题。

1）留设防水煤柱。是防止断层、陷落柱突水的有效措施之一。

2）对五灰进行注浆改造。五灰位于太原群下部煤层和奥灰之间，虽与奥灰水联系密切，但其厚度小，容易治理。从影响底板突水因素分析，如果想法切断五灰与奥灰水联系，减少其补给量，充填五灰及上部隔水层裂隙，改变五灰本身的富水性，就能有效地预防工作面底板出水，实现安全回采。

对五灰注浆改造的作用是：①改变五灰富水性。在注浆压力作用下，浆液沿裂隙扩散、沉淀、结石，充填五灰岩溶裂隙，改变其富水性，使其成为弱含水或不含水。变含水层为隔水层；②切断了奥灰水向五灰补给通道。注浆过程中浆液沿着奥灰补给给通道向下扩散、沉淀、结石，堵塞或缩小通道断面，减少或杜绝奥灰对五灰的补给水量；③加固底板隔水层。在注浆压力下，浆液沿五灰裂隙上升，扩散、固结、封堵。消除了原始导高，增加了有效隔水层厚度，提高了底板强度。

3）建立足够疏排水工程。

4）完善隔离工程。建造水闸门、密闭墙，把矿井的两井、两翼、各水平、上下组煤之间有效隔离，限制灾情扩大。

5）回采面切眼挑顶布置，按规定放顶，缩小最大控顶距，支柱穿鞋等，减少矿压对底板破坏。

4 结语

肥城矿区在承压含水层富水区上覆煤层开采中，采用注浆改造的方法，对于类似水文条件的其他矿区的水害治理是一个启发和借鉴。

张强（1979-），男，汉族，现从事采矿技术工作。