超化煤矿23071工作面水害因素分析与防治技术

常献伟 张建星 唐智勇

摘 要：底板注浆改造是预防水文地质复杂区域断层导通底板灰岩含水层造成突水事故的有效途径之一。文章结合超化煤矿23071工作面水害情况进行了分析，并提出了对应的防治技术。

关键词：水害因素；防治技术；底板注浆

中图分类号：TD745 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）26-0030-02

1 工程概况

1.1 23071工作面的基本情况

超化煤矿23071工作面位于23采区上部，设计为综采工作面，走向长540 m，倾斜长60～76 m，工作面煤层为二1煤层，煤层平均厚4.0 m，煤层平均倾角20 °。工作面北部为崔拐正断层保护煤柱，东部为边界保护煤柱，西部及南部为未采动区。该工作面区域内断裂构造较为发育，地质条件复杂。上、下付巷、工作面联巷、23流水巷及切巷实揭正断层四条、逆断层一条，其中两条正断层落差较大，将会对工作面安全回采造成较大影响。

1.2 23071工作面的水文地质情况

本区有六个主要含水层：第四系砾石层孔隙潜水含水层，顶板砂岩孔隙裂隙承压含水层，石炭系上统太原组上部的灰岩岩溶裂隙承压含水层，中部的灰岩岩溶裂隙承压含水层，下部的灰岩岩溶裂隙承压含水层，奥陶、寒武系灰岩岩溶裂隙承压含水层。由于采煤影响范围所限，顶板大占砂岩裂隙含水层赋水性弱，可直接疏干。底板岩溶水含水层赋水性强，是威胁矿井安全生产的主要含水层。

1.3 底板突水性分析

该段工作面由于断层较为发育，突水系数按构造破坏地段取0.04，工作面煤底最低标高取-120.5 m，根据23采区井观孔实测水位资料综合O2水位为+65.5 m。

①用突水系数、水压、隔水层厚度与临界突水系数、临界水压、临界隔水层厚度相比较来评价本工作面底板的突水性。由于本面底板直接充水含水层L7-8灰水压较小，涌水量不大，对工作面的回采不会造成大的威胁。距二1煤层底板最近的强含水层为L1-4灰，故针对L1-4灰的突水性危险性进行评价。

根据突水系数公式进行计算，式中：T为突水系数（MPa/m）；P为底板隔水层承受的水头压力（MPa），取O2灰含水层观测孔平均水头高度+65.5 m的绝对值+本面最低标高-120.5 m的绝对值+底板隔水层厚度63.52 m=249.52 m；水柱为2.5 MPa；M为底板隔水层厚度（m），取二1煤底到L1-4灰顶的距离（63.52 m），经计算，T=0.039 MPa/m。

根据郑煤矿区的水文地质资料，采煤工作面构造复杂区段的临界突水系数取0.04 MPa/m，而本面地质构造复杂，由此可得临界隔水层厚度：M临===62.5 m

临界水压P=TsM=0.04×63.52=2.54 MPa。

故本面的突水系数0.039 MPa接近于0.04 MPa，隔水层厚度62.5 m接近于临界隔水层厚度63.52 m，水压2.5 MPa接近于临界水压2.54 MPa，说明本面底板L1-4灰含水层具有突水危险性。

②物探分析。23071工作面贯通后，我们对此工作面施工了对称四极测深物探。本次勘探，上付巷23轨道集运巷交叉口开始布极，沿23轨道集运巷向东布极布置19个物探测点，下付巷从流水联巷口开始布极布置25个物探测点，切巷从距上切口处开布极布置4个物探测点。物探最大测深69 m，最小测深9 m。

从物探剖面图可以看出，巷道底板中深部低阻区较多，且部分电阻率较低，应为底板较为富水所致。23071上下付巷物探剖面图可以看出，工作面东西段阻值较高，低阻区主要分布在中段，且中深部阻值小于60 Ω的区段较多，可见中段底板富水性较强。

2 注浆改造底板含水层的方案确定

2.1 注浆层位的确定

该工作面由于断层较为发育，突水系数按构造破坏地段取0.04，煤底最低标高取-120.5 m，根据23采区井观孔实测水位资料综合O2水位为+65.5 m。

安全隔水层厚度计算：假设安全隔水层厚度为xm，根据突水系数计算公式T=P/M，得：0.04=（1.86+x/100）/x，从而得出x=62 m。

根据工作面综合柱状该层位处于L5灰岩底部。底板加固深度计算为：按突水系数公式：

M=p/T

T取临界值0.04。由此可知：在水压为1.86 MPa的状态下，要想保证工作面不发生突水，其隔水层厚度必须在62 m以上，此深度位于L5灰岩下部，由于该工作面区域断层较为发育，各灰岩含水层之间具有一定水力联系，L5灰岩与L4灰岩间隔较小，平均仅0.86 m厚，L4灰岩与L1-3灰岩间隔水层局部较薄，并且两层含水层较厚，富水性相对较强，因此为确保工作面回采安全，工作面底板注浆需加固至L1-3灰岩层位。

2.2 钻场及钻孔布置

钻孔设计原则：①终孔层位进入L1-4灰岩含水层底部；②钻孔全部设计为斜孔，使钻孔揭露的含水层和隔水层尽量延长；③钻孔方向尽量和断裂构造的发育方向斜交，尽可能的多揭露裂隙；④对裂隙发育地段、有断层地段、褶曲构造的轴部重点布孔；⑤注浆改造范围达到工作面以外25 m；⑥注浆钻孔分别布设在上、下付巷，每隔60 m施工一个钻场，每个钻场设计6～9个钻孔，成扇形布置，终孔平距间隔一般在30 m左右，在钻场内以不同的方位和倾角分别向工作面上、中、下部位施工钻孔，共设计10个钻场，94个孔，终孔至L5灰岩或L1-4灰岩层位。

3 工程施工概况及效果检验

3.1 工作面底板注浆加固施工情况

23071工作面底板注浆改造工程全面竣工后，对整个工作面进行了钻探验证及预注浆改造。共设计施工148个钻孔（其中检验孔51个），实际施工总进尺15 817.3 m，总注浆水泥浆4 424.6 t。水量大于60 m3/h的钻孔8个，出水点8个，出水层位均在L1-4灰，其中最大涌水量80 m3/h，孔口水压2.0 MPa，注浆132.3 t。水量在20～60 m3/h之间的钻孔32个，出水点42个，其中有12个出水点在L5-6灰层位，有30个出水点在L1-4灰层位。水量在10～20 m3/h的钻孔48个，出水点59个，其中有4个出水点在L7-8灰层位，有21个出水点在L5-6灰层位，有34个出水点在L1-4灰层位。

3.2 效益分析

①工作面回采时预计23071工作面正常涌水量220 m3/h，最大涌水量440 m3/h。回采过程中工作面经过底板注浆加固涌水量始终控制在10 m3/h以下。结合超化矿实际情况，工作面涌水从23采区水仓排至地面扬程445 m，每排1 m3的水需消耗电能2.67 kW，仅电费一项至少每年节约排水电费319.26万元，而工作面底板注浆改造直接总费用约336.93万元，经济效益十分可观。②通过采取底板预注浆改造来解放水文地质复杂区域的煤炭资源，提高了资源利用率，确保超化煤矿正常的采掘接替和稳产高产，延长了矿井寿命，为减缓超化矿目前接替紧张局面，使超化健康、稳定、和谐发展起到积极作用，具有良好的社会效益。

参考文献：

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[2] 黄军辉，毛维林.帷幕注浆防治断层水技术在超化煤矿的应用[J].中州煤炭，2011，（6）.