赵庄煤矿煤层带压开采防治水技术研究

赵璐璐

（晋煤集团赵庄煤业有限责任公司，山西 长治 046605）

0 引 言

我国煤矿地质、水文地质条件总体来讲十分复杂，受水害威胁的煤炭储量约占探明储量的27%，仅华北地区受底板承压水威胁的煤炭储量约为160亿t。随着开采深度、开采速度、开采规模的增加和不断扩大，来自深部高承压水的危害日趋严重。为加强煤矿的防治水工作，防止和减少水害事故，保障煤矿职工生命安全[1]，赵庄煤矿在3#煤层开采的过程当中，总结了防治水措施，积累了丰富的经验。实践证明,带压开采技术及其安全防范技术措施的综合运用是安全生产的可行途径。

1 赵庄井田及水文地质条件

赵庄矿位于沁水煤田东南部，区域地层由老至新为上元古界震旦系，古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系，新生界古近系、新近系及第四系，主要含煤地层为二叠系和石炭系。二叠系山西组3#煤煤层松软，地质构造复杂，煤体中小型断层多、软煤、夹矸非常发育，矿压显现明显，且在部分区域存在复合性煤层。复杂的地质构造给抽采钻孔布置增加了难度，矿井的抽掘采衔接因掘进进尺受到制约而受到影响。煤系基底为奥陶系灰岩，富水性极不均一，单位涌水量为 0.0045～18.4 L/(s·m)，属弱富水 ～ 极强富水性含水层，煤层底板带压1～4.8MPa，隔水层平均厚度约130m，构造发育地段存在底板突水的可能。

主采3#煤层面临两个主要水文地质问题：一是来自3#煤层顶板砂岩含水层的涌水，这一部分水将构成矿井的正常涌水，在一般情况下，这些砂岩含水层裂隙不发育，连通性差，含水性弱，不会对3#煤层开采构成严重威胁，但当回采后顶板冒落裂隙带沟通上部强含水层和水体时则可能造成大量涌水，影响采掘工作，造成许多不安全因素。二是来自3#煤层底板奥灰岩溶裂隙水的潜在威胁，由于整个井田内奥灰岩溶裂隙含水层的地下水位标高高于3#煤层底板标高，3#煤层开采处于带水压状态，在整个井田范围内3#煤层突水系数介于0.0095～0.052MPa/m，小于“临界值”0.06 MPa/m，一般情况下不会发生奥灰突水[2]，但由于井田内断层、陷落柱较发育，在断层、陷落柱等地质异常体发育地段，可能造成奥灰承压水导入。赵庄矿水文地质柱状如图1所示。

图1 煤层底板含水层柱状图

2 前期物探及抽放水试验

2.1 陷落柱（断层）的探查

通过物探、化探和钻探等方法查明这类地质异常的位置，空间分布形态和赋水状况。陷落柱分布往往与井田构造有关联，首先应分析井田构造特征，特别是褶皱特征，预测陷落柱重点分布块段，指导物探探测工作。根据物探方法特点和各矿区探测效果分析，在地面首选三维地震方法探测，对于长轴大于20m的陷落柱，其探测效果可达50%左右[3]。在井下首选坑透方法探测，通过电磁波遇地质构造会形成透视阴影异常区[4]，其探测效果可达80%左右。陷落柱位置确定后对其富水性特征探测，在地面首选瞬变电磁法探测，在井下采用直流电法和音频电穿透法探测[5-6]。当物探方法探测结果说明陷落柱具有富水特征时，考虑到物探方法多解性特点以及富水性程度如何，需要钻探探查验证，若探查结果陷落柱富水，须进行注浆治理。若陷落柱不富水（或物探探测不富水），为了防治采动对陷落柱扰动而引起采后突水发生，须进行相关监测，目前可采用目标层高水位法和埋设传感器方法监测，预报突水，从而达到安全回采。

2.2 抽放水试验

为探查峰峰组灰岩含水层和太原组K2薄层灰岩含水层的富水性，降落漏斗的形态及其扩展情况，对各盘区进行打钻抽放水试验。

抽水试验在规划施工的奥灰地下水动态观测孔W1、W2、W3、W4、W5、W6 和 W7 形成过程中进行。W1～W7分别位于工业广场、六盘区、八盘区、一盘区、二盘区、四盘区、五盘区。钻孔钻进采用变口径钻进的方法，对K8砂岩含水层、K2薄层灰岩含水层和奥灰峰峰组灰岩含水层三个层段自下而上逐层封堵并进行的抽水试验。据现有资料分析，奥陶系峰峰组可分为上、下两段，上段主要为石灰岩，厚度37～80m，平均60m左右，是富水地段，下段主要由泥灰岩，角砾状灰岩、白云岩等组成，厚度28～53m，平均42m左右。要求所有峰峰组中的抽、放水钻孔都应终孔于峰峰组上段底部。各钻孔地点有条件时，可一个主孔抽水，数个观测孔观测水位。

井下放水孔及其布置，见表1。每个放水钻孔完成后，要进行最大流量放水试验。按表1所列钻孔逐个进行单孔放水试验时，应将其它钻孔作为观测孔。例如在钻孔W8放水时，应观测钻孔N和W1等的水位变化等等，以研究中间层水位与峰峰组含水层的水力联系，为3＃煤层底板突水预测预报提供依据。

表1 峰峰组灰岩含水层和太原组K2灰岩含水层井下放水试验孔

3 3#煤层主要导水通道

3.1 顶板充水

3#煤层顶板充水主要来自顶板砂岩裂隙水，因受采煤时形成的导水裂隙带的影响，会沟通砂岩裂隙含水层。3#煤层上覆岩层为泥岩、砂质泥岩和砂岩的中硬岩石，顶板岩石力学参数如表2所示。计算垮落带高度(Hm)和导水裂缝带高度(Hli)，公式如下：

式中：Hm为预测冒落带最大高度；M为煤层采厚；Hli为导水裂缝带最大高度；

3#煤层垮落带高度为12.07～15.0m；用公式(2)计算导水裂缝带高度为43.64m～51.26m，用公式(3)计算导水裂缝带高度为47.42m～59.40m。开采后形成的导水裂缝带可沟通山西组含水层。3#煤层上距K8砂岩24.08～48.53m，平均32.35m，可沟通下石盒子组部分含水层。因此对3#煤层构成直接充水含水层的是二叠系下石盒子组和山西组砂岩含水层。煤层开采过程中，受导水裂缝带影响，含水层天然流场发生变化，采空区上方的岩层产生塌陷，隔水层的完整性被破坏而失去隔水性，上覆碎屑岩含水层和地表水及采空区积水，也将成为3#煤层的充水因素。

表2 3#煤层顶板岩性力学参数

3.2 底板突水

3#煤层底板标高在+30～+770m间，而奥灰水水位标高在+590.31m～+702.43m间。据此可以看出，在3#煤层位于五龙沟西断层以西，处于奥灰水水位之下，存在着带压开采问题。3#煤层带压开采面积133.29km2。依据国家煤矿安全监察局《煤矿防治水规定》中突水系数计算公式来计算3#煤层底板突水系数。

公式：T=P/M

式中：T为突水系数 (MPa/m)；P为底板隔水层承受的水压(MPa)；M为底板隔水层厚度(m)；

经计算，3#煤层底板突水系数在0～0.037 MPa/m之间，正常块段小于0.1 MPa/m，底板受构造破坏块段突水系数小于0.06MPa/m，属煤层开采安全区。除东南部一小部分奥灰水水位低于3#煤层底板标高不带压外，其余区域奥灰水水位标高皆高于3#煤层底板标高，处于带压状态。底板突水系数值从东南部往西北部逐渐增大，也就是说3#煤层底板承受奥灰水的压力由东南部向西北部逐渐变大。在没有导水构造的影响下，奥灰水突水的可能性较小。但通过首采区的三维地震勘探工作和巷道掘进过程得知：本区小型断层和陷落柱比较发育。在带压开采区，开采3#煤层时，奥灰水可能会沿断层、陷落柱等导水构造涌入矿井。因此，在3#煤层带压开采区采掘时，谨防奥灰水通过导水构造进入矿井。

通过定量与定性综合分析研究，3#煤层在正常的地质块段可安全带压开采，主要防止部分断层与陷落柱存在导水的可能性。由于煤层与奥陶系灰岩顶面隔水层厚度变化大，采动裂隙、构造裂隙、隐伏小型断层与陷落柱均可构成底板突水。为确保安全带压开采，需要对导水通道采取防治技术措施。

3.3 其他导水途径

采掘过程中由于矿山应力作用，煤层底板将会遭受一定程度的破坏。受其影响，一是在煤层底板隔水层较薄时，可直接构成同含水层水的联系，造成底板承压水涌入矿井；二是削弱与降低隔水层的隔水强度，使有效隔水层变薄，构成导水通道；三是使原有小断层或裂隙产生扩张效应，相应增加其破裂面宽度和延伸长度，构成同底板承压含水层水的联系；四是在采动应力与水压共同作用下，若煤层与含水层间隔水层较簿，且以软岩层为主时，其抗压强度低，会使底板变形底鼓，所产生的引张裂隙构成导水通道。

不良钻孔容易沟通煤层上、下含水层和地表水，这类钻孔是人为造成的充水途径。回采揭露时涌水量、水压取决于是否贯通强含水层或地表水，以及钻孔孔径和水压差。当排水能力较小时，可能造成淹井事故。为预防此类导水钻孔涌水，应留设防水煤柱等方法加以防范。

4 防治水措施

现如今煤矿地下水防治方法由传统的简单排水发展到预先疏干；从原始的堵漏发展到帏幕注浆；从单纯的治水，发展到积极地防治结合。从实践中总结出的一套包括疏、堵、躲、防在内的综合防治水技术使传统受水害威胁的的煤矿得以安全开采。

4.1 注浆加固

注浆加固是防止底板承压水突水的主要方法之一[7]。注按注浆的不同目的，注浆法分为加固注浆和堵水注浆两种，加固注浆更侧重于浆液凝固体的强度和加固体的稳定性，而堵水注浆则更侧重于浆液固结体和注浆介质的整体抗渗透性能。针对井田水文地质条件与充水因素，一是堵设断层、裂隙、陷落柱等导水通道；二是增加煤层底板隔水层或弱含水层的抗压能力。根据裂隙宽度或颗粒粒径及渗透系数不同，表明地层渗透性不同，据此选择不同注浆材料[8]。注浆层位为峰峰组灰岩且注浆后完整隔水层厚度从峰峰组顶面算起。隔水层厚度计算根据此处完整地段临近突水系数取0.1MPa/m，因此1MPa水压需10m厚峰峰组注浆厚度。

4.1.1 巷道过断层注浆方案

根据地质综合分析、物探及超前探水，当掘进工作面前方存在富水区或突水危险区时，具有较大规模的涌水、突水危险；对巷道施工安全构成威胁的地段；拟采用水泥—水玻璃双液注浆方案，在断层带向后35m至断层带前方35m范围内为主要加固范围。掘进面迎头进行预注浆，布置8个钻孔，钻孔间夹角为45o，呈放射状包围巷道，注浆深度设计为8m。巷壁发生跑浆时，及时采用双液浆进行加固封堵。首先在断层带向后25m至断层带前方25m范围内进行喷浆加固。起到堵浆作用。当掘进头后方巷道没达到封堵效果仍有出水点的可采用滞后局部注浆巷道顶、帮、底板进行加固，达到堵水目的。

4.1.2 工作面过断层注浆方案

对工作面回采安全构成威胁的地段；拟采用如下注浆方案：在断层带附近设计钻场，用水泥水玻璃进行加固封堵。巷壁发生跑浆时，及时采用双液浆进行加固封堵。首先在断层带向后25米至断层带前方25m范围内进行喷浆加固，起到堵浆作用。在工作面和巷道中或者在地面向陷落柱打孔进行封堵时，至少应在3＃煤层底板以下20m，以免受采动破坏的影响。封堵完毕后应打检查孔进行检查，当判定封堵成功无误时，方可掘采。陷落柱注浆封堵所需设备、施工工艺、注浆技术参数等应结合所封堵陷落柱条件和技术要求进行专门设计。

4.2 断层防隔水煤柱留设

因断层是导水的重要通道之一，通过超前探查技术，对导、含水性较好且通过注浆加固无法有效防止突水事故的较大断层留设防水煤柱。断层煤柱宽度越大,底板临界水压力越大,说明此时底板隔水层承压能力越强,底板不容易发生突水[9]。依据《煤矿防治水规定》附录三的公式计算防水煤柱的留设相关参数，留设方案如下：

1）当断层落差大于隔水层厚度时，含水或导水断层防隔水煤柱的留设参照以下经验公式[10]计算：

式中：L为防隔水煤柱宽度，m;K为安全系数，一般取2～5;M为煤层厚度或采高，m;P为水头压力，Mpa;KP为煤的抗拉强度，MPa；L1,L2,L3为防隔水煤（岩）柱各分段宽度，m；HL为最大导水裂隙带高度，m；θ-为断层倾角，（°）；δ为岩层塌陷角，（°）。

经以上公式（4）、公式（5）计算，留设的防水煤柱宽度取各计算结果较大值。

2）当断层落差小于隔水层厚度时，含水或导水断层防隔水煤柱的留设参照经验公式（4）和公式（5）计算：

式中：p为防隔水煤（岩）柱所承受的静水压力，MPa;TS为临界突水系数，一般MPa/m;10为保护带厚度，一般取10m;α为断层倾角，（°）。

经以上公式（4）、公式（6）计算，所得结果取较大值为留设的防水煤柱宽度，见表3。

表3 推断含水断层防水煤柱留设宽度

5 总结

防治水问题是煤矿带压开采的主要技术问题。由于煤层底板隔水层厚度小，变化大，采掘破坏、裂隙、小型断层、陷落柱直接可沟通底板奥陶系灰岩承压水的联系，同时由于水头压力大，采取留设防隔水煤柱，工作面底板局部或全部注浆加固、加大排水设施和能力及建立泄水巷等措施，可实现带压安全开采。除采取必要的防治技术措施外，防治水机构与防治水队伍、防治水制度的建设等保障措施是实现安全带压开采的关键。