陈四楼矿井深部采区高承压水治理技术研究

李 广

（同煤集团同生宏达煤业公司，山西 大同 037003）

引言

我国是世界产煤大国，煤炭资源约占我国一次性能源消耗总量的70%以上，对我国的国民经济发展和社会进步起着重要的作用。随着煤炭开采量的不断增加，开采层位也愈来愈深，时常发生矿井突水事件，地下水已成为威胁煤矿安全生产的重要因素［1－3］。自20世纪90年代以来，陈四楼煤矿由于断层构造、底板和隔水层断裂等原因发生了多次严重的突水事故，其中最大突水量超过1 000 m3／h，对矿井的生产过程造成了严重的破坏［4－5］。因此，本文以陈四楼煤矿为例，研究其深部采区高承压水治理技术，对其深部突水治理提供理论基础和技术指导，从而保证煤矿安全生产，避免水灾发生。

1 深部采区底板安全范围界定

对于矿井深部采区底板的安全范围界定，主要受到底板构造和隔水层完整性的影响。有两种情况，若隔水层完整无断裂构造破坏，即正常块段突水系数不大于0.1 MPa／m，可认为该种情况是安全的；若底板手构造破坏段突水系数小于0.06 MPa／m，可认为该种情况是安全的［6］。因此，本文对底板安全范围的界定分为以下四种情况：

工况一：最危险区，即为深部采区底板最可能发生突水的区域，其突水系数大于0.1 MPa／m。

工况二：危险区，即该区域发生突水的可能性比较大，在具备一定安全措施的条件下，若岩层构造完整且简单，可采取带压开采的方法进行开采，其突水系数在0.06 MPa／m～0.1 MPa／m之间。

工况三：较安全区，即该区域有底板突水的可能性，在具备一定放突水措施的条件下，可采取带压开采的方法进行开采，其突水系数小于0.06 MPa／m。

工况四：安全区，即该区域不会发生突水的可能性，其前提条件为煤层的底板位于奥灰水位以下。

其中，回采工作面底板隔水层突水系数的计算公式如下：

式中，T为突水系数，MPa／m；M 为底板隔水层厚度，m；P为底板隔水层承受安全水压的能力，MPa。

2 深部采区回采工作面安全水头的确定

回采工作面安全水头值的计算公式为：

式中，Ts为临界突水系数，MPa／m。

由此，可得陈四楼煤矿深部采区不同区域回采工作面安全水头值：

1）2513皮带联络巷二2煤：P＝Ts·M＝0.1 MPa／m·47 m＝4.7 MPa。

2）2513皮带顺槽、改造巷：P＝Ts·M＝0.1 MPa／m·50 m＝5.0 MPa。

3）－720辅助水平轨道巷二2煤：P＝Ts·M＝0.1 MPa／m·34 m＝3.4 MPa。

4）－720辅助水平带巷二2煤：P＝Ts·M＝0.1 MPa／m·19 m＝1.9 MPa。

放水实验期间井下放水孔压力及流量见表1。

表1 井下放水孔压力及流量表

若底板有突水的危险，则表明回采面隔水底板的实际水头值相比较于安全水头值大；若该值较小，则表明该回采面可安全回采。

根据放水实验观测到2513放水孔的压力为4.52 MPa～5.01 MPa，大于回采工作面安全水头值，所以存在发生突水的危险性。放水实验期间观测到南5联的压力为2.3 MPa～2.46 MPa，高于－720辅助水平皮带巷二2煤回采工作面安全水头值1.9 MPa，所以存在发生突水的危险性。

3 掘进巷道底板隔水层安全隔水厚度

在巷道掘进过程中，其底板隔水层允许的安全隔水厚度可按照下式进行计算：

式中，H为底板隔水层承受的水头压力（MPa），γ为底板隔水层的平均容重（MN／m3），t为安全隔水厚度（m），L为巷道底板宽度（m），Kp为底板隔水层的平均抗张强度（MPa）。

陈四楼煤矿－720水平：L为4.8 m；γ为2.5 t／m3；Kp为细砂岩1.1～5.77 MPa、砂质泥岩和粉砂岩 0.5 MPa～4.8 MPa、泥 岩 0.57 MPa～2.1 MPa；H 为5.5 MPa～5.9 MPa。由此可得陈四楼煤矿－720水平t＝4.7 m。陈四楼煤矿2513和－720 m辅助水平轨道巷二2煤和幅值水平皮带巷二2煤的隔水层厚度为34 m和19 m，远大于安全隔水层厚度。

4 深部采区高承压水治理技术

根据前文的分析和陈四楼煤矿深部采区的实际情况，对其高承压水可采取如下方案进行综合治理，以降低其发生突水的可能性，且尽可能降低其发生突水的危害性：

1）方案一。疏水降压。该方案制定的前提是回采面安全水头值远小于采区突水压力，则应用该方案，可使得回采面突水压力在安全值以下。根据陈四楼煤矿深部采区放水实验可知，若满足达到基本要求的条件下，可采取控制疏水量约为350 m3／h。

2）方案二。疏水降压与注浆相结合。同理，该方案制定的前提与方案一相同，首先应用方案一的措施，且疏水控制量约为350 m3／h，但回采面的突水压力仍无法控制于安全值以下。则在该种情况下，为使得回采面能够安全生产，须采用注浆的方案以使得底板抗压能力得到加强。

3）方案三。注浆加固。在前两种方案均不能满足条件的情况下，则需直接进行注浆加固；在现有注浆泵的压力不能满足注浆压力为水压的2～2.5倍时，推荐使用新型高压注浆泵。

5 结语

本文根据陈四楼煤矿深部采区实际情况，确定了深部采区底板的安全范围、回采工作面安全水头及掘进巷道底板隔水层安全隔水厚度，并制定了三种高承压水综合治理方案，即疏水降压、疏水降压与注浆相结合和注浆加固，对陈四楼煤矿水害的防治提供了重要指导。

［1］ 张东营，闫明，周保国.石壕煤矿水文地质条件分析及防治水对策［J］.中州煤炭，2011（9）：33-37.

［2］ 李凯，茅献彪，陈龙.采动对承压底板断层活化及突水危险性的影响分析［J］.力学季刊，2011（2）：2 954-2 958.

［3］ 解俊祥.李雅庄煤矿F33断层滞后突水分析［J］.中国科技信息，2011（8）：52-55.

［4］ 杨天鸿，唐春安等.岩体破坏突水模型研究现状及突水预测预报研究发展趋势［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（2）：268-277

［5］ Yin Shangxian，Zhang Jincai.Impacts of karst paleo-sinkholes on mining and environment in northern China［J］.Environmental Geology，2005（48）：1 077-1 083.

［6］ 李利平，李术才，石少帅.基于应力－渗流－损伤耦合效应的断层活化突水机制研究［J］.岩石力学与工程学报，2011，28（2）：2 511-2 515.