以奥陶系灰岩顶部为工作层的带压开采防治水技术方法

姬中奎, 夏玉成

(1.西安科技大学，西安 710054； 2.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710054)

以奥陶系灰岩顶部为工作层的带压开采防治水技术方法

姬中奎1,2, 夏玉成1

(1.西安科技大学，西安 710054； 2.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710054)

为解决桑树坪煤矿11号煤带压开采底板隔水层厚度不足问题，研究了以奥陶系灰岩顶部为工作层的防治水技术方法。分析了3105工作面带压开采的条件，论证了奥陶系灰岩顶部工作层的必要性，研究了奥陶系灰岩顶部的隔水性能，确定了工作层在奥陶系灰岩中的深度，给出了工作层内奥陶系灰岩的探查治理方法，总结了3105工作面所实施的各项防治水工程。实践证明，以奥陶系灰岩顶部为工作层开展防治水后，工作面可安全回采。

奥陶系灰岩含水层；顶板隔水性能；注浆工程；效果检验；桑树坪煤矿

我国华北型煤田带压开采中深受底板奥陶系灰岩水的危害，如峰峰矿区、焦作矿区、肥城矿区和淮北矿区等，奥陶系灰岩水害一方面表现为通过上部的薄层灰岩威胁煤层开采，另一方面表现为通过导水构造如陷落柱、断层直接威胁工作面安全。长期以来，底板奥陶系灰岩水的防治工作多集中在煤层底板到奥陶系灰岩顶界面之间，一种方法是对薄层灰岩进行底板改造[1-3]，另一种方法是治理煤层底板中的导水构造[4-6]，以奥陶系灰岩顶部为工作层、直接在奥陶系灰岩中做工作的情形很少。近年来，随着矿井采深的加大和防治水技术的发展，矿井需要并逐渐出现了以奥陶系灰岩顶部为工作层的防治水技术方法，如冀中能源的邢邯矿区和峰峰矿区[7-9]。目前本方法总体上处于起步阶段，整体技术还有待进一步完善和提高，防治效果还有待多个矿区验证。韩城矿区桑树坪煤矿下组煤带压开采条件特殊，11号煤和奥陶系灰岩之间的距离小，需将防治水工作深入至奥陶系灰岩中、以奥陶系灰岩顶部为工作层开展防治水。研究桑树坪煤矿奥陶系灰岩顶部工作层的防治水技术方法，对于丰富完善我国带压开采防治水技术体系具有重要的意义。

1 必要性分析

桑树坪煤矿位于陕西省韩城矿区，主采山西组3号煤，年生产能力约为1.5 Mt。由于3号煤瓦斯含量高且存在突出现象，决定以3号煤底板的11号煤为解放层，先开采11号煤，然后再开采3号煤。根据采掘计划，桑树坪煤矿目前拟开采的11煤首采面为南一采区3105面。

1.1 矿井地质与水文地质

桑树坪井田内出露地层由老到新为：奥陶系中统马家沟组、峰峰组，石炭系上统本溪组、太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组，上统上石盒子组、石千峰组及第四系。11号煤与上部煤层及下部奥陶系峰峰组的关系见图1。

图1 主要煤层地层关系简易柱状Figure 1 Main coal seams small correlation columns

井田主要含水层为第四系砂砾层孔隙潜水中等含水层组(H1)二叠系砂岩层裂隙承压弱含水层组

(H2)、石炭系砂岩灰岩裂隙承压极弱含水层组(H3)及奥陶系石灰岩层溶隙溶洞承压强含水层组(H4)。奥陶系灰岩含水层组(H4)上部为中统峰峰组二段和中统峰峰组一段。

1.2 南一采区11煤到奥陶系灰岩间距

根据桑树坪煤矿南一采区11号煤带压开采可行性研究[10]，11号煤南一采区共在井下施工了10个揭露奥陶系灰岩的钻孔，除T8孔开孔在奥陶系灰岩不计外，其余各孔11煤至奥陶系灰岩顶界面的间距为14.8～28.6m，平均为20.78m，距离偏小。

1.3 工作面带压开采条件

3105工作面尺寸为180m×713m，煤层采高2.60m，为仰斜上山开采。根据南一采区钻孔资料采用插值法，可知3105工作面11煤到奥陶系灰岩的间距为16.5～21.5m，且工作面中部大部分区域在16.5～18.0m。3105面煤层底板标高为252～326m，奥陶系灰岩水位为375m，工作面底板承受水压为1.41～0.69MPa。根据钻孔资料计算，工作面突水系数为Ts=0.035～0.078MPa/m(图2)。11煤底板的岩性主要为砂砾岩及泥岩，无薄层灰岩。3105工作面构造简单，11煤底板未发现有断层及陷落柱，为较规则单斜构造，煤层倾角较小，约为7°。

图2 3105工作面奥陶系灰岩水突水系数等值线Figure 2 Isoline of Ordovician limestone water bursting coefficients in working face No.3105

由于3105工作面的隔水层太薄，隔水层中没有薄层灰岩含水层，且多数区域隔水层厚度小于20m，局部突水系数大于0.06 MPa/m，因此虽3105工作面没有发现构造，但若要安全回采，仅仅依靠煤层底板和奥陶系灰岩顶面之间的隔水层无法抵抗底板奥陶系灰岩水的压力。

1.4 奥陶系灰岩水疏降可行性

桑树坪煤矿奥陶系灰岩富水性强，20世纪80年代建矿以来，井下掘进揭露奥陶系灰岩出水点常年涌水量达400m3/h以上，奥陶系灰岩水位至今未见连续下降。2011年8月7日奥陶系灰岩突水中，矿井突水量在约8 000 m3/h的情况下，矿井奥陶系灰岩降深水位仅约35m[11]，证明其奥陶系灰岩的富水性强，不具有可疏性，通过疏降工作来降低奥陶系灰岩水水位的方法不可取。

在奥陶系灰岩水不具有可疏性且煤层底板隔水层厚度不足的情况下，工作面要安全回采，必须要将防治水工作下延到奥陶系灰岩之中，在奥陶系灰岩顶部开展工作，之后才能进行回采。

2 技术方法研究

2.1 奥陶系灰岩顶部工作层防治水总体思路

奥陶系灰岩与薄层灰岩不同，奥陶系灰岩沉积厚度大，但存在分层现象，总体富水性强但有不均一性，且个别层位有一定的隔水性，因此防治水改造不能也不可能采取薄层灰岩全段注浆改造的方法。奥陶系灰岩工作层防治水的思路为：首先确定奥陶系灰岩顶部工作层的深度；其次研究工作层深度内奥陶系灰岩岩溶发育及隔水性能；第三，若发现工作层深度内奥陶系灰岩的岩溶不发育，隔水性能好，可以利用其作为隔水层，若工作层深度内奥陶系灰岩的岩溶发育，富水性强，则对其进行注浆，将工作层深度内奥陶系灰岩改造为相对隔水层，然后再进行回采。

2.2 奥陶系灰岩顶部工作层层位深度

3105工作面是倾斜工作面，切眼在煤层底板最低处，标高为252m，该处突水系数最大(0.078 MPa/m)。取切眼处煤层底板厚度为18m，要保证工作面安全回采，按突水系数Ts<0.06MPa/m计算，切眼处奥陶系灰岩防治水工作层的厚度不小于6.6m。考虑到工作面回采后底板有破坏，同时为保证安全厚度有一定富余量，取奥陶系灰岩顶面工作层深度为15m。经计算，此时切眼处突水系数最大，Ts=0.047MPa/m，小于0.06MPa/m，正常情况下可安全回采。

2.3 奥陶系灰岩顶部岩层隔水性能

在桑树坪煤矿南一采区11煤带压开采可行性研究钻探过程中，10个钻孔均为井下孔，且开孔位置低于奥陶系灰岩水位标高。施工中钻孔进入奥陶系灰岩顶界面以下50.10～62.42m，所有钻孔的最大涌水量为0.378m3/h，表明奥陶系灰岩顶部的富水性较差。因钻孔涌水量小，对钻孔实施了压水试验，测试了奥陶系灰岩岩层的透水率，测试中各钻孔分为10～17段次进行分段测试[10]，详见表1。由表1可知，10个钻孔中9个钻孔透水率为0.06～0.88Lu，小于1Lu，按透水率分析各岩层包括奥陶系灰岩顶部为极微-微透水。只有1个T10钻孔在11煤与奥陶系灰岩之间透水率最大为20.44Lu，在峰峰组二段中最大为13.5Lu，为中等透水，在峰峰组一段中最大为0.53Lu，为弱透水。以上钻孔见水及压水试验表明，总体而言，桑树坪煤矿南一采区(包括3105工作面)奥陶系灰岩顶部0～62.42m段岩溶不发育，隔水性能较好。

表1 南一采区钻孔压水试验数据统计

2.4 3105工作面防治水技术方法

南一采区奥陶系灰岩顶部0～62.42m段岩溶不发育，隔水性能较好。3105工作面在南一采区范围内，奥陶系灰岩顶部工作层的深度只需15m，因此3105工作面防治水的总体技术路线是奥陶系灰岩顶部隔水性能利用。在隔水性能利用过程中，因南一采区10个钻孔的控制精度有限，工作面必须进行独立探查。探查中若工作层内岩溶不发育、隔水性能好，工作面可以回采。若局部地段岩溶发育富水性强，还需对该段进行注浆加固，之后才能生产。

3105工作面奥陶系灰岩顶部工作层探查工程采用物探先行、钻探为主的方法。根据现有钻探技术，目前矿井近水平定向钻探已日益成熟，该技术具有钻孔深度大、可超前实施、钻孔轨迹可靠可控、能顺层平穿奥陶系灰岩顶部、钻孔有效段比例高等优点，因此钻探施工中可采用近水平定向钻方法。

3 防治水工程实施

3.1 物探工程

根据桑树坪矿南一采区3105工作面水文地质条件及防治水工作评价[12]，工作面巷道掘进前实施的物探工作有地面三维地震、地面瞬变电磁、井下直流电超前探、井下瞬变电磁超前及井下瞬变电测深，巷道掘进后实施的物探工作有直流底板测深、音频电透视及无线电坑透。地面三维地震和地面瞬变电磁未发现工作面内有异常构造和异常区；井下直流电超前探、井下瞬变电磁超前及井下瞬变电测深发现的低阻异常区已在掘进中揭露，未有较大出水点；直流底板测深、音频电透视及无线电坑透物探中在切眼处有一个相对重叠的异常区。

3.2 钻探工程

根据工作面及附近采掘空间条件，钻探探查工程中在3105工作面两端有关巷道共布置5个钻场，共施工了15个定向孔(表2)。钻孔结构一开孔径φ193mm，套管φ168mm，长度15～20m，穿过开孔段破碎岩层；二开孔径为φ153mm，套管φ127mm，长度30～35m，三开裸孔段孔径为φ96mm。定向钻钻孔稳斜段垂向上按不低于奥陶系灰岩顶面以下15m控制，平面上各钻孔水平间距按40m控制。施工中钻孔实际深度在奥陶系灰岩以下15～20m，钻孔单孔深度为304～718m，钻孔总进尺7 424m，钻孔轨迹实测平面图详见图2。

表2 3105工作面定向钻探工程汇总

定向钻施工过程中，未发现一处有掉钻、空推或快进的现象，钻孔最大出水为1-3孔，在孔深113 m处出水4.3 m3/h，多数钻孔未发现出水现象，还有部分钻孔水量非常小。由于钻孔水量小，终孔后进行了压水试验，试验中钻孔吸水量非常小，经计算单位吸水率经计算小于0.005 L/(min·m·m)。

对于掘进后物探在切眼处发现的异常区，在南一11煤下部回斜钻场之间施工了定向钻孔检1孔，钻孔52 m处出水约为3.2 m3/h，129 m处出水约为4.5 m3/h，终孔后压水试验中单位吸水率为0.001 78 L/(min·m·m)，表明该低阻异常区透水性弱富水性差。

图3 3105工作面井下近水平定向钻孔平面布置Figure 3 Underground nearly horizontal boreholes plan layout in working face No.3105

3.3 注浆工程

由于钻孔揭露的水量小，压水试验中单位吸水率均小于0.005 L/min·m·m(0.5Lu)，达到了注浆结束标准，因此3105工作面奥陶系灰岩顶部工作层深度内没有进行过大规模的注浆，只进行了封孔注浆，在注浆压力为3MPa的情况下，钻孔总注浆量为50.5t。

15个定向钻孔的钻探、压水及注浆情况表明，3105工作面底板奥陶系灰岩顶界面以下15～20m处奥陶系灰岩的岩溶不发育，隔水性能较好，可做为隔水层加以利用。

3.4 其他工作

为了确保工作面安全回采，根据3105工作面和南一采区特点，采前专门修建了排水系统。在南一280专用回风巷及集中运输巷之间修建了水仓，水仓容积2 000 m3，设置了潜水电泵，电泵排量为500 m3/h，并配备了远程控制系统，既可在井底中央水仓操作潜水电泵，也可在地面控制室对电泵实施操控。

4 效果检验

4.1 3105工作面回采验证

3105工作面以奥陶系灰岩顶部为工作层完成了相关物探、钻探和注浆工作后进行了推采，在含有部分生产用水的情况下，回采后最大涌水量未超过20 m3/h。这样，在煤层底板距离奥陶系灰岩顶界面仅17 m、最大突水系数为0.078 MPa/m情况下，3105工作面实现了安全回采。

4.2 其他工作面验证情况

3105工作面安全回采后，相邻3104工作面也采用了以奥陶系灰岩顶部为工作层的防治水方法，具体实施的防治水工程与3105工作面类似，工作完成后也实现了安全回采。目前。桑树坪煤矿其他工作面的奥陶系灰岩防治水工作正在进行之中。

5 结论

①对于受奥陶系灰岩水害威胁且底板隔水层厚度不足的矿井，可采用以奥陶系灰岩顶部为工作层的防治水技术方法。

②以奥陶系灰岩顶部为工作层进行防治水，首先要确定奥陶系灰岩顶部工作层的深度，然后探查工作层深度内奥陶系灰岩的岩溶发育及隔水性能，若隔水性能好，可作为隔水层加以利用，若岩溶发育富水性强，则需要进行注浆改造。

③奥陶系灰岩顶部探查中采用物探先行、钻探为主的方法，由于钻孔轨迹可靠、钻孔深度大、能充分揭露奥陶系灰岩，钻探中可采用井下近水平定向钻。

④实践证明，在奥陶系灰岩顶部层位开展相关防治水工作后，工作面可以实现安全回采。

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StudyonWaterControlinMiningunderSafeWaterPressureofAquiferRegardingOrdovicianLimestoneTopasWorkingLayer

Ji Zhongkui1,2, Xia Yucheng1

(1.Xi’an University of Science and Technology, Xi’an, Shaanxi 710054; 2. Xi’an Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp, Xi’an 710054)

To solve the issue of watertight stratum thickness insufficient during the mining under safe aquifer water pressure of coal No.11 in the Sangshuping coalmine, put forward a water control means regarding the Ordovician limestone top as a working layer. Thus analyzed working face No.3105 mining under safe water pressure of aquifer condition, demonstrated the necessity of regarding Ordovician limestone top as a working layer. Then studied the watertight performance of Ordovician limestone top, determined the depth of working layer in Ordovician limestone, given out Ordovician limestone exploration and governing means within working layer, summarized working face No.3105 implemented various water control engineering. The practices have proved that water control regarding Ordovician limestone top as working layer, so that working face can be safely extracted.

Ordovician limestone aquifer; roof watertight performance; grouting engineering; effect test; Sangshuping coalmine

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.11.06

1674-1803(2017)11-0031-04

A

姬中奎(1970—)，男，陕西潼关人，工程硕士，研究员，从事矿井防治水工作。

2016-09-20

樊小舟