紫晟煤业2-101工作面采前水害防治技术应用研究

雷志国

(霍州煤电集团 紫晟煤业有限责任公司，山西 临汾 031400)

随着矿井开采的深入，所面临的水文地质条件愈加复杂，致使各类的矿井水害时有发生。奥灰水突水事故在我国多个矿区出现过,比如2020 年湖南源江山煤矿发生重大透水事故，此类突水事故严重威胁矿井的生产安全，因此做好矿井开采期间的各类水害的防治具有重要意义。工作面回采期间主要水害来自顶板和底板，顶板突水多采用“上三带”理论分析其危险性，底板多采用突水系数法预测其危险性，但是这些方法在预测工作面突水危险的准确性方向存在质疑，因此为确保紫晟煤业2-101工作面的安全生产，通过数值模拟手段针对性分析工作面顶底板突水危险性，设计具体的带压开采技术措施，实现工作面的安全开采。

1 工程概况

霍州煤电集团紫晟煤业目前主采2号煤层，煤层厚度2.78～4.69 m，平均厚度3.50 m，2-101工作面东侧为一采区开拓大巷，西部为井田边界，北为规划2-102工作面(未掘)，工作面南高北低，揭煤区域为一轴向北东的向斜构造，工作面底板为铝质泥岩，厚1.60 m，遇水会膨胀底鼓，外观为灰色、深灰色，部分具滑感，顶板为K2石灰岩，均厚6.6 m，为厚层深灰色石灰岩。结合往期2号煤层采煤工作面采掘经验，采掘巷道、工作面回采期间，矿井涌水量大，影响矿井的安全高效生产。

2 工作面涌水水源分析

2.1 大气降水、地表水分析评价

紫晟煤业地处山西省霍州市，属于半干旱温带高原大陆性气候，降水量远小于蒸发量，地表无河流沟谷，2-101工作面地面高程+1 147.0～+1 297.4 m，煤层底板高程高+698.3～761.5 m，盖山厚度约398～519 m，煤层埋深较深，工作面开采基本不受地表水及大气降水的影响。

2.2 顶板含水层水分析评价

采煤工作面回采期间，煤岩体由于原有赋存状态遭到破坏，采空区顶板岩层根据破坏程度划分为垮落带、裂隙带及弯曲下沉带，上覆含水层内水可通过垮落带和裂隙带涌入工作面，因此对于顶板砂岩裂隙水水源的判断需首先确定“两带”的发育高度。为更加精确的确定2-101工作面回采后顶板垮落带、裂隙带的发育高度，依据紫晟煤业2-101工作面地质条件采用FLAC3D软件建立图1(a)所示三维数值模型[1]，工作面埋深450 m，建模时模拟煤层上覆岩层280 m，模型上方岩层总后170 m，模型上方垂直应力为4.25 MPa，回采工作面沿X轴方向布置，沿Y轴推进，步距40 m，模型计算平衡后，统计上覆岩层和底板岩层的塑性破坏深度，整理得到图1(b)、(c)所示的结果。

由图1(b)可以看出，随着工作面的回采，上覆岩层的破坏范围呈增大趋势，工作面回采距离由40 m增大至240 m，裂隙带发育高度由0增大至103 m，工作面回采280 m裂隙发育带高度相对于回采240 m仅增大2 m，工作面回采300 m，裂隙带发育高度仍为105 m，达到了相对稳定的状态，由此可知，2-101工作面裂隙带发育高度105 m；同理由图1(c)可以看出，2-101工作面回采期间底板岩层破坏深度为36 m.

2-101工作面导水裂隙带发育高度为105 m，结合紫晟煤业水文地质资料可知，直接充水水源主要为太原组砂岩裂隙含水层、山西组砂岩裂隙含水层。二叠系下统山西组主要由黏土岩、泥岩、各种砂岩岩层组成，该含水层最薄处4.12 m，最厚处达55.23 m，富水性弱，对于2-101工作面开采涌水量基本无影响。石炭系上统太原组岩性主要为泥岩、各类砂岩，2号煤层上方含水层厚度38.7～94.5 m，整体富水性较弱、局部富水性较强的岩层，结合2号煤层以往工作面采掘及探放水经验，该含水层为工作面涌水的主要含水层。

2.3 底板水带压开采分析评价

2号煤层底板主要还是为太原组砂岩含水层和奥灰含水层，2号煤层下方太原组砂岩含水层平均厚度4.2 m，与2号煤层间距1.7～5.3 m，结合数值模拟研究结果，工作面回采将直接导通，因此该含水层是工作面涌水水源，该含水层富水性弱，对工作面的安全回采威胁不大。奥灰含水层距2号煤层底板45.7～87.5 m，平均距离61.4 m，工作面带压开采的安全性通过突水系数进行评价：T=P/M，P为底板奥灰水水压值，根据2-101工作面底板奥灰钻孔钻探成果，奥灰水最大水压为0.98 MPa，M隔水层厚度为61.4 m-36.0 m=25.4 m，计算可得突水系数T=0.039 MPa/m，参阅《煤矿防治水细则》判断[2-3]，2-101工作面属突水小概率区，说明正常情况下底板奥灰水不会威胁工作面的安全生产，但回采巷道掘进期间已揭露断层20条，降低底板隔水层的阻水能力，导致2-101工作面回采受到奥灰水的威胁。

3 工作面顶板水害探查与治理

2-101工作面回采受到顶板砂岩含水层水的威胁，工作面四周均为实体煤，上层煤、下层煤均未采掘，故设计顶板进行探方孔施工，即能够探明顶板富水情况同时起到疏放砂岩含水层的效果，钻场布置在2-101工作面两侧巷道内，共施工108个探放孔，常规探放孔垂直高度为45～50 m，其中包括3个长距离钻孔，钻孔垂直深度大于60 m.根据现场施工情况，共有90个探放孔出水量小于5 m3/h，水压小于0.5 MPa，其中大多数钻孔无水，共有18个钻孔出水量大于5 m3/h，其中6个钻孔出水量大于30 m3/h，1号、3号长距离钻孔终孔后初始涌水量为120 m3/h、149 m3/h，根据探查情况得到顶板富水区域分布如图2所示。

图2 顶板探放孔及富水区域

在探放孔施工完成后，对2-101工作面顶板砂岩含水层水进行疏放，为期40 d共计疏放水578 943.5 m3，各疏放孔总出水量由812.35 m3/h衰减至36.42 m3/h，统计16个初始出水量大于5 m3/h的初始出水量和疏放40 d后的出水量，整理得到图3所示结果，除h8-4号、h13-4号钻孔出水量仍大于5 m3/h，其余出水量均小于1 m3/h，表明疏干效果良好。

图3 探放孔出水量对比

4 底板水害探查与治理

为探明2-101工作面底板奥灰承压水的具体赋存情况，开展了槽波地震物探工作，分别采用射槽波、滑行波能量成像[4]，得到图4(a)、(b)所示结果，与工作面采掘工程图结合，整理得到底板富水异常区的分布情况如图4(c)所示。工作面内共5个底板异常区。

为确保2-101工作面能够实现带压开采，根据物探、钻探结果，对工作面底板异常区进行探测和治理，以1号异常区为例。在回风巷2号钻场进行钻探。该区域煤层底板距奥灰水顶面距离平均为46.76 m，钻探深度60 m，4个钻孔终孔后，单孔最大出水量15.4 m3/h.通过4个钻孔进行井下注浆，钻孔布置详情如图5所示。注浆方法为全孔段孔口静压注浆，采用1∶1水灰比的425普通硅酸盐水泥浆，平均注浆量6.5 t，单孔最大注浆量13.8 t，注浆结束压力8.5～9.0 MPa.

图5 1号异常区探查注浆孔布置

以1号异常区为例，对其进行注浆改造后，在2-101运输巷采用EMRSm-3型脉冲瞬变电磁仪对煤层底板进行探测，探测结果如图6所示，物探结果显示，底板高阻特性明显，低阻异常区范围基本消失且相互间不连通，说明注浆后岩层内的裂隙基本被充填密实，富水性变弱，注浆改造效果良好。

图6 1号异常区电阻率等值线断面图

5 结 语

结合紫晟煤业2-101工作面水文地质条件，研究得出工作面顶板导水裂隙带高度105 m、底板岩层破坏深度36 m，确定工作面主要水源为顶板太原组砂岩裂隙含水层水、底板奥灰含水层水，据此设计顶板进行探放孔施工疏放太原组砂岩裂隙含水层水，疏放总量达578 943.5 m3，疏干效果良好，通过槽波地震物探查明底板奥灰承压水分布情况，对异常区进行钻探、注浆加固处理，从安全评价角度，2-101工作面已具备带压开采的条件，为矿井的安全高效生产提供可靠保障。