底板岩溶水害综合治理技术研究

赵相朋,申世军,赵 乾,张 瑜

(义马煤业集团孟津煤矿有限责任公司,河南 洛阳 471000)

0 引言

近年来,中国中东部煤矿随着矿井采掘深度的增加,煤层底板承受底板岩溶水压越来越大,受陷落柱、隐伏断层等构造的影响,煤层底板岩溶水害威胁越来越大。围绕深部煤层开采的底板岩溶水害控制,国内相关专家学者进行了大量的科学研究,取得了丰富的学术成果[1-13]。笔者就近几年孟津煤矿在底板岩溶水害关键技术进行系统研究,以期为其他类似矿井水害区域治理提供技术参考。

1 矿井水文地质条件

孟津煤矿位于新安煤田东部,主采煤层为二叠系山西组二1煤层,平均厚度2.5 m。矿井水文地质条件复杂,正常涌水量278.7 m3/h,最大涌水量407.8 m3/h。矿井直接充水水源为顶板山西组砂岩孔隙裂隙含水层和底板太原组灰岩岩溶裂隙含水层,2个含水层均为弱-富水性充水含水层,静储量有限,易于疏排,对安全生产影响不大。矿井间接充水水源为奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层,为弱-强富水性充水含水层,上距二1煤层底界58.20～82.99 m,一般65.84 m,按近3年奥灰最高水位计算,奥灰顶界面水压平均5.5 MPa,突水系数平均0.084 MPa/m,其间有2层主要隔水层阻止该含水层水进入矿井,正常情况下对开采二1煤层没有影响,但局部区域煤层底板隔水层减薄或受到构造破坏则存在突水可能,为矿井主要水害威胁,时有突水发生,2013年4月16日11011工作面奥灰突水,最大突水量1 780 m3/h,2022年11030中间底抽巷突水,最大突水量70 m3/h。

2 底板岩溶水害综合治理技术

孟津煤矿底板岩溶水害治理技术路线:掘进工作面每60 m施工一个钻场,每个钻场设计3个超前探水钻孔,其中沿巷道掘进方向1个,底板方向2个,底板孔终孔层位在奥灰含水层与二1煤层底板间的本溪组铝土质泥岩或铝土岩隔水层顶界面,主要用来探查巷道前方及底板奥灰岩导水裂隙。回采工作面采用底板注浆加固技术,钻孔落底位置按40 m×40 m方格网布置,终孔层位在奥灰顶界面下30 m左右,主要将奥灰上部含水层改造为隔水层,对底板导水裂隙进行充填,使之闭合,不导水,切断奥灰含水层与上覆煤岩层之间的水力联系。

随着矿井产能的提高,井下钻孔由于工序繁琐、施工周期长,同时受限于探测距离、限员,造成防治水工程与巷道掘进相互制约等诸多问题,已无法满足当前安全生产的需求,因此矿井引入地面区域治理技术,采取井上、井下相结合的方式,更早地对工作面超前钻探及预注浆改造。从超前探、井下注浆加固和地面区域治理3个方面对施工中的关键参数分别加以介绍。

2.1 超前探技术

2.1.1 垂向控制深度

超前探钻孔主要用来探查巷道前方及底板奥灰岩导水裂隙,依据《煤矿防治水细则》,掘进工作面底板安全隔水层厚度采用斯列萨列夫公式进行计算,具体如下

(1)

式中,t为安全隔水层厚度,m;L为巷道底板宽度,m;γ为底板隔水层的平均重度,MN/m3;Kp为底板隔水层的平均抗拉强度,MPa;P为底板隔水层承受的实际水头值,MPa。

以12080上巷底抽巷为例,巷道宽度L=5 m,隔水层岩石的平均重度γ=0.023 2 MN/m3,隔水层岩石的平均抗拉强度Kp=4 MPa,底板隔水层承受的水头压力P=5.3 MPa,经计算t=4 m,即掘进工作面底板隔水层在无构造破坏地段,实际隔水层厚度t实>4 m可安全掘进,无突水危险性,隔水层厚度越厚安全性越高,但考虑到钻孔出水后注浆时间较长,势必影响到巷道掘进,因此超前探钻孔应尽量避免揭露含水层,故超前探钻孔落底层位选择在奥灰含水层与二1煤层底板间的本溪组铝土质泥岩或铝土岩隔水层顶界面,垂向控制深度约40 m,如图1所示。

图1 超前探垂向控制深度示意

2.1.2 超前距及帮距

根据《煤矿防治水细则》钻孔超前距和帮距计算公式

(2)

式中,L为超前距或帮距,m;K为安全系数,一般取2～5;M为巷道高度,m;P为实际水头值,MPa;Kp为煤的抗拉强度,MPa。

以12080上巷底抽巷为例,安全系数K取5,巷道高度M=4 m,实际水头值P=5.3 MPa;隔水层岩石的平均抗拉强度Kp=4 MPa,经计算得L=19.9 m,为了安全起见,超前距和帮距取值25 m,如图2所示。

图2 超前距及帮距平面示意

2.1.3 应用实例

12080上巷底抽巷设计层位为二1煤层下12～15 m,设计长度810 m,沿走向掘进,巷道主要作用是为二1煤层瓦斯抽采提供施工场所。巷道掘进过程中共布置了13个超前探钻场,施工超前探水钻孔39个,累计钻孔进尺6 552 m,单孔涌水量大于30 m3/h,出水点距巷道底板垂深30 m,表明奥灰有向上导升现象,经注浆加固后巷道安全通过,其他钻孔涌水量均小于5 m3/h,目前巷道已竣工,未出现涌水现象,超前探达到预期效果。

2.2 井下注浆加固技术

2.2.1 注浆钻孔落底层位

奥灰岩溶裂隙含水层总厚度约为281.04 m,岩层由下部的冶里组和上部的马家沟组构成,岩性主要由灰岩、白云质灰岩、角砾状灰岩、硅质白云岩和白云岩组成,如图3所示。奥灰的富水性具有随着埋藏深度的增加而减弱的特征,奥灰上部的马家沟组是威胁煤层开采的最主要的含水段,在马家沟组顶部一般存在着一定厚度的古风化壳,厚度30 m左右,多被黏土质充填,成为相对隔水段,充分利用马家沟组顶部存在的相对隔水段并对其进行注浆改造,消除马家沟组顶部的溶蚀溶洞、断层构造及裂隙等,将其改造为相对隔水层,增加隔水层有效厚度,解决矿井开采所面临的突水威胁,是孟津煤矿防治水的一条有效途径。根据矿井对注浆加固地层取芯情况,浆液在地层中横向和纵向上扩散半径均大于30 m,因此,将注浆钻孔落底层位定在奥灰顶界面下30 m,可将奥灰顶界面至奥灰顶界面下60 m范围均改造成隔水层,如图4所示。

图3 粘土-水泥浆液裂隙充填与扩散特征

图4 注浆加固钻孔布置剖面

国家矿山安全监察局于2022年6月22日印发《煤矿防治水“三区”管理办法》规定,突水系数大于0.06 MPa/m属缓采区,缓采区严禁进行回采作业和与水害探查、治理无关的掘进作业,突水系数大于0.1 MPa/m属禁采区,禁采区严禁进行采掘作业,孟津煤矿大部分区域属于缓采区。以12070工作面为例,该工作面二1煤层底板最低标高-320 m,以最近3年奥灰最高水位217.13 m计算,奥灰顶界面水压6.03 MPa,隔水层厚度65.84 m,奥灰突水系数最大0.09 MPa/m,属于缓采区。若注浆加固钻孔终孔层位奥灰顶面下30 m,按30 m浆液扩散半径,可将奥灰含水层顶界面下60 m改造为隔水层,改造后底抽巷隔水层厚度125.84 m,改造后含水层顶界面水压6.63 MPa,最大突水系数0.05 MPa/m,符合规定要求,可以安全回采。

综上所述,将注浆钻孔终孔层位定在奥灰顶界面下30 m(图4),从安全生产实际和政策层面均是最优选择。

2.2.2 治理范围

按照新安煤田4个矿井的实践经验,无断层区域治理范围大于开采范围30 m,断层影响区域由奥灰顶界面与断层巷道外侧一盘交线外推50 m,按照浆液扩散半径30 m计算,非断层区域治理范围大于开采范围60 m,断层区域治理范围大于开采范围80 m。

2.2.3 钻孔布置原则

工作面底板注浆改造主要改造底板奥灰含水层,同时改造太原组下部灰岩。钻孔布置在平面上采用放射状展布,以斜孔为主,在剖面上长短结合,使钻孔揭露的含水层段尽量长,钻孔尽量与断层、裂隙垂直或斜交,辐射奥灰含水层,空间上把煤层底板改造成箱形隔水单元,隔断工作面深部与外围导水构造之间的水力联系。对地质构造发育地段、工作面初压显现地段均作为布孔的重点,特别是瞬变电磁勘探出的富水异常区,要重点布孔进行控制。结合上述浆液扩散半径均大于30 m,钻孔落底位置按40 m×40 m方格网布置可达到全覆盖注浆加固的目的,如图5所示。

图5 注浆加固钻孔布置平面示意

2.2.4 应用实例

12070工作面为倾向长壁工作面,煤层倾角3°～5°,可采长度867 m,可采储量96.2万t,可采面积137 826 m2。按照上述钻孔布置方法,共施工注浆钻孔254个钻孔,钻孔总出水量3 554 m3/h,总注浆量136 944 m3,合干料25 851.62 t,总注浆干料/单孔总出水量为7.27倍,改造完成后经施工检查钻孔和物探验证,工作面注浆改造效果明显,目前工作面已回采结束,未出现涌水现象,注浆加固达到预期效果。

2.3 地面区域治理技术

11030工作面、11040工作面是孟津煤矿首个地面区域治理工程,针对奥灰含水层,在地面施工定向水平多分支钻孔,对奥灰含水层进行注浆改造,以封堵二1煤层与奥灰含水层之间的导水通道,改造奥灰含水层和增强隔水层阻水能力。本次地面区域水平孔层位参照井下注浆钻孔落底层位,选在奥灰顶界面下30 m,按30 m浆液扩散半径,可将奥灰顶界面下60 m改造为隔水层,如图6所示。

图6 地面区域治理剖面示意

根据新安煤田及各矿区突水点多出现在底板巷的经验,水平分支孔在水平方向上以底板巷为中心,左右15 m范围之内布置一个基准分支孔,基准分支孔之间按照40～60 m的间距采用内插法均匀布置。地面区域治理完成后,在地面和井下分别进行瞬变电磁、槽波地震勘探,对物探异常区采用注浆加固方法施工检验孔,做到地面区域治理与井下底板注浆加固相结合、顺层治理与穿层治理相结合。

3 结论

(1)超前探、井下注浆加固及地面区域治理关键是选择合理的目标层位,依据政策要求及生产实践,目标层位应遵循以下原则,超前探钻孔落底层位选择在奥灰含水层与二1煤层底板间本溪组铝土质泥岩或铝土岩隔水层顶界面,井下底板注浆加固及地面区域治理目标层位选在奥灰顶界面下30 m。

(2)针对钻孔平面上布置方法,分别从超前探钻孔、井下注浆加固钻孔、地面区域治理水平分支孔3个方面进行分析介绍。

(3)通过底板岩溶含水层综合治理及巷道掘进和工作面回采实践表明,综合治理技术可以有效防止煤层底板突水,保障矿井安全生产、地下水环境及水资源,具有明显的环境和社会效益。