煤层底板奥灰水害治理方案研究

卓聪志

(西山煤电(集团)有限责任公司 通风处，山西 太原 030053)

·试验研究·

煤层底板奥灰水害治理方案研究

卓聪志

(西山煤电(集团)有限责任公司 通风处，山西 太原 030053)

针对古书院矿15#煤三盘区首采工作面面临的底板奥灰水害威胁问题，提出了采用疏水降压和底板注浆改造两种治理方案，从经济和技术角度进行对比，最终得出疏水降压适用于该矿井低水压但隔水层较薄条件下的奥灰水害治理，为矿井奥灰水害治理提供依据，同时对相似条件下底板奥灰水害防治具有参考意义。

底板水害；奥灰含水层；疏水降压；注浆改造

古书院煤矿位于山西省晋城市，是典型的华北型煤田开采区域。依据岩性及空间赋存与分布特征，井田内含水层自下而上依次分为：奥陶系中统岩溶裂隙含水层组、石炭系灰岩岩溶裂隙含水层组、二叠系砂岩裂隙含水层、第四系冲积层孔隙含水层。

矿井上组煤开采基本结束，逐渐进入下组煤15#煤的回采工作。由于15#煤三盘区范围内出现煤层底板奥灰含水层带压情况，且底板隔水层厚度较薄，水文地质条件较为复杂，煤层底板奥灰水突水危险性较大。针对该水害特征，结合矿井地质及水文地质条件，提出相应的奥灰水害防治措施，对确保矿井安全生产具有重要意义。

1 条件概况及评价

古书院矿15#煤三盘区首采工作面位于井田西北部，为井田首个奥灰含水层带压开采工作面。煤层底板本溪组隔水层承受奥灰水压为0～0.63 MPa，本溪组隔水层厚度6.7～20.3 m. 根据《煤矿防治水规定》中提出的突水系数法进行突水系数值计算，其数学表达式见式(1)：

(1)

式中：

T—突水系数，MPa/m；

P—底板隔水层承受的水压，MPa；

M—底板隔水层厚度，m.

通过对水压和隔水层厚度的分析，得出15#煤层底板突水系数等值线图，见图1.

图1 15#煤底板奥灰含水层突水系数等值线图

由图1可以看出，工作面多数区域突水系数均小于0.06，突水危险性较小。但是，由于该工作面煤层底板隔水层薄，在底板矿压破坏深度影响下隔水层隔水能力完全缺失，突水系数值不能很好地反应该条件下水害危险程度，工作面回采前需采取相应水害防治措施。

2 水害防治措施

对于治理底板含水层带压开采常用疏水降压和注浆加固措施，古书院矿15#煤三盘区首采工作面带压区治理均可采用这两种方式，现对两种方式的可行性进行分析：

2.1 煤层底板注浆改造

煤层底板注浆改造是降低含水层富水性的有效手段，有利于形成较为坚固的保护层而防止底板突水。具体操作时沿工作面下顺槽大面积布置注浆孔，通过注浆孔将浆液送到灰岩含水层裂隙中，将奥陶系峰峰组改造为不含水层或弱含水层，从而减弱含水层的富水性使其与隔水层共同作用，增强了煤层底板隔水层的强度，实现了工作面不突水或突小水开采。

古书院矿15#煤底板主要隔水层为本溪组泥岩，在自然情况下隔水性能较好，裂隙不发育，但是在开采条件下会受到破坏而失去隔水性能。由古书院矿勘察成果可知，本溪组底部的奥陶系峰峰组为弱含水层，富水性较差，可以对峰峰组进行注浆改造。因此，对煤层底板峰峰组含水层进行注浆改造是封堵底板突水通道，削弱底板突水的物质基础。最终改造峰峰组弱含水层为隔水层，实现首采工作面的安全回采。以下对首采工作面注浆工程施工量进行初步评价：

1) 注浆孔布设原则。

a) 根据其它矿区灰岩注浆经验，结合矿井实际情况，采用浆液扩散半径为20 m，即注浆加固范围内钻孔终孔位置间距应≤40 m.

b) 注浆深度的确定。

注浆深度的确定应该结合矿压破坏带发育深度与隔水层隔水能力综合确定。本次根据传统突水系数公式(2)来确定注浆厚度：

(2)

式中：

T—突水系数，MPa/m；

P—改造后隔水层底板承受的水压，MPa；

M—改造后底板隔水层总厚度，m；

Cp——矿压破坏深度，m.

考虑煤层底板采动破坏深度为19.3 m，注浆加固的目的层为煤层底板矿压破坏带底界以下峰峰组含水层。工作面煤层带压区含水层水压约为0.158 MPa，取临界突水系数值为0.06 MPa/m，然后采用式(2)进行计算，得出注浆厚度M1为2.75 m，示意图见图2. 由于不同区域隔水层厚度会有所不同，所以采取保守厚度值3.3 m.

图2 注浆厚度计算示意图

2) 注浆改造方案。

峰峰组灰岩是本次注浆工程的主要受注层位。施工方案为:在地面建造浆站，通过送料孔(地面钻孔)向井下153302工作面带压区巷道铺设疏浆管路，并在井下打注浆孔。造好的浆液通过注浆泵沿疏浆管路、注浆孔压入受注含水层裂隙，把裂隙中的水置换成浆液并凝固，从而达到改造峰峰组含水层为隔水层的目的。注浆改造的分项工程如下：

a) 造浆站。参考我国其它底板承压水水害比较严重的矿区，如焦作、永城、肥城等矿区注浆改造的经验，古书院矿最好选用建立地面注浆站。由于建立地面注浆站与井下注浆站相比，技术较为成熟，且注浆效率高，大多数矿区都是选择在地面建立注浆站方案。

地面造浆站为永久性建筑，可以为三盘区后续开采的其他工作面服务。

b) 注浆孔。根据浆液的扩散半径及峰峰组灰岩的富水性，预计注浆共需6个钻孔。在工作面1533021巷相隔100 m向工作面内开一个钻窝，每个钻窝打一组钻孔(3个)，每个孔的方位和倾角不等，倾角取20°～45°，并使其尽可能与地层走向垂直，具体参数要根据峰峰组含水层具体水文地质条件确定。

注浆孔初步预计单孔平均深度150 m，共约6个钻孔，总进尺约900 m.

c) 主要设备选型。注浆泵的选取根据计算所得所需的最大压力以及注浆量进行选取。

根据初步计算，需选取钻进能力在250 m以上的钻机，以满足钻进深度较大的要求。

疏浆管路也应该按照注浆压力等参数进行合理选取。

3) 注浆工程造价。

通过对153302工作面底板注浆改造含水层工程的初步分析，对注浆工程的造价进行简要分析：

工程分井上造浆站和井下注浆两部分，预计初期投资为643万元，具体明细如下：

a) 地面造浆站土建工程及设备：220万元

b) 疏浆系统：140万元

c) 钻探设备：120万元

d) 注浆孔：900 m(1 200元/m)，108万元

e) 注浆材料：30万元

f) 注浆材料测试及技术服务：10万元

g) 不可预见费：15万元

2.2 煤层底板疏水降压

疏水降压是通过疏降使煤层底板含水层水压降低至采煤安全水压。疏水降压有两个目的：1) 要把充水含水层中的水疏排出去，使富水的含水层变为贫水层甚至被疏干。2) 通过疏放降低含水层水位和作用在煤层底板的承压水头，实现不带压开采或在安全水头压力下开采。

153302工作面标高564～592 m，底板隔水层的厚度为14.75～16.25 m，平均15.7 m.奥灰含水层的水压为0.065～0.170 MPa，工作面小部分区域带压。加上工作面开采过程中底板矿压破坏的影响，底板隔水层受到破坏，带压区有底板突水的危险。因此在工作面开采带压区过程中需要对底板含水层水进行疏降，排除突水隐患。

底板岩溶水疏水降压可行性分析：

1) 底板岩溶水补给、径流、排泄条件。古书院矿区位于三姑泉西南部，奥灰含水层水流向受到区域含水层补给、径流、排泄条件的影响。由本区勘察成果以及水化学分析结果可以大致推断三盘区范围内奥灰含水层整体流向为由北向南，其中由于石城沟背斜核部部分区域地层标高高于区域地下水位标高，可能在该部位形成一个局部的地下分水岭。由此可知，153302工作面奥灰地下水的补给主要来源于北部含水层的侧向补给，东部由于石城沟背斜的存在而补给量较为有限。在天然条件下奥灰水形成由北向南的流向，部分区域也会出现由东北向西南的顺层流。

2) 含水层水文地质条件分析。153302工作面带压区疏降目标含水层为奥陶系灰岩含水层，该含水层一般厚度较大，富水性较好，因此疏放之前必须开展专门的水文地质勘查工作，确定含水层是属于强补给型、纯消耗型，或是补给—消耗型。目前，在三盘区内部有两个水文孔进行了水文地质试验，渗透系数为0.004 9～0.007 0 m/d，单位涌水量标准值为0.023～0.032 L/(s·m)，但是考虑到三盘区东部水文孔抽水试验成果，推测153302工作面单位涌水量值可达到0.112 5～0.225 0 L/(m·s)，属于中等富水含水层。

3) 疏降水量预测。153302工作面底板隔水层相对较薄，为保证煤矿安全开采，需对15#煤带压区进行疏水降压，疏降区面积F=28 150 m2. 本次预测对奥灰含水层采取疏排降压方案，将水头降至煤层底板以下，涌水量采用“大井”法的无限边界承压稳定流公式进行预测：

a) 计算参数确定。

渗透系数(K)值的确定：选取盘区内二仙掌水文孔和牛山砖厂水文孔抽水试验成果，渗透系数取两个水文孔的平均值，即K=0.005 95 m/d.

含水层厚度(M)值的确定：选取牛山砖厂水文孔石灰岩含水段累计厚度值，M=277.69 m.

水位降深(S)值的确定：本次取自然水位标高(选取现有水文孔最大水位标高571.5 m)至疏降标高(566 m)的距离5.5 m，得出S=5.5 m.

b) 15#煤奥灰涌水量预测结果。

将各参数代入，经计算可得出15#煤三盘区首采工作面奥灰涌水量：

c) 疏放水工程。

疏水降压工程主要通过井下疏放水钻孔进行放水，通过排水渠、排水泵等排水设备进行排放。

153302首采工作面带压区初步设计奥灰疏放钻孔5眼，具体布置位置按实际情况约60 m施工一个硐室，靠南部两个硐室分别施工一个疏水孔，最北部施工一个疏水孔。疏水孔均为斜孔，终孔层位需进入马家沟组富水岩段，预计每孔平均孔深100 m. 同时需要施工一个井下水文观测孔用于底板疏水时观测水位动态，预计孔深200 m，可留作矿井以后的井下长观水文孔。

此外，需要在巷道施工配备的水渠、水仓、水泵等排水设施。

4) 疏水降压经费预算。

通过对153302工作面底板疏水降压方案的初步分析，对疏水降压的造价进行简要分析。

疏水降压造价主要包括工程造价和日常排水费用两部分，预算共计431.5万元，具体明细：

a) 排水设施的改造：250万元

b) 钻探设备：80万元

c) 疏水钻孔：500 m(1 100元/m)，55万元

d) 水文观测孔：200 m(1 400元/m)，28万元

e) 日常排水费用：8.5万元

f) 不可预见费：10万元

其中，a)b)d)属于矿井正常防治水工程范畴，可供其他工作面长期使用。

3 水害防治措施优选

注浆改造首采工作面峰峰组含水层方案在古书院矿基本可行，可以有效减小底板突水的可能性，实现首采工作面的安全回采。地面造浆站等建筑修造需要一定的时间，而153302工作面将要面临回采问题，且首次工作面带压区范围小，注浆量相对较小。整套注浆设备施工周期长，费用高，即首采面投入偏高。

由于水仓、水渠、水泵等排水设施也是工作面开采之后的必要设施，不属于单独的底板含水层疏水降压工程的范畴。因此，疏水降压方案主要投入为日常排水费用和疏水钻孔的施工，费用较为合理，建议首采工作面开采过程中对带压区采取疏水降压的方式，将底板奥灰含水层水位降到煤层底板标高以下，确保首采工作面的安全回采。

4 结 论

1) 通过对古书院矿煤层底板水文地质条件分析，采用突水系数法评价认为矿井15#煤开采处于安全区域。但是，由于煤层底板隔水层厚度薄，在矿压破坏条件下将失去隔水能力，存在底板奥灰突水威胁。

2) 通过对水害治理方案设计，对比疏水降压和含水层改造的治理工艺和所需费用可得，矿井疏水降压可以较好地解决煤层底板奥灰水害威胁，同时费用相对较低，可供矿井实施使用。

TD745

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2017-05-25

卓聪志(1986—)，男，四川隆昌人，2011年毕业于中国矿业大学，助理工程师，主要从事煤矿防治水工作(E-mail)304858435@qq.com