强径流带条件下深部山青开采水害治理技术研究与应用

武文清

（冀中能源峰峰集团有限公司，河北 邯郸 056200）

0 引 言

孙庄矿井田位于邯邢水文地质南单元黑龙洞泉域的西南部强径流带上，矿井东侧为F6 边界断层，该断层不仅对煤层破坏严重，且使大青含水层与奥灰含水层对接，两含水层发生水力联系，大青水获得良好的补给条件和丰富补给水源。井田西侧为奥陶系灰岩出露区，主要接受大气降水的补给。南部以坐标点孙10、孙11、孙12、孙13 连线为界，北部以4032800 纬线为界，该线为孙庄矿与沙果园矿的边界线。井田南北走向长约5.5 km，东西宽约2.0 km，面积11.830 4 km2。基于矿井复杂的水文地质条件，2006 年，该矿委托中煤科工西安研究院对12661 深部山青试采工作面进行井下底板注浆加固，经打钻验证底板注浆加固效果差，随即终止了深部山青的开采。随着资源的逐渐枯竭，为确保矿井的可持续发展，深部山青的开采已成为矿井迫在眉睫的重大问题。因此，如何能解决强径流带条件下深部山青开采的防治水难题，是孙庄矿防治水工作的重中之重。

1 薄层灰岩区域治理的必要性

1.1 矿井开采历史

孙庄采矿公司始建于1958 年8 月，1972 年10月1 日简易投产，是一个有着近50 a 开采历史的老矿井。全矿井划分为6 个采区，-45 m 水平以上4 个上山采区：一采区、二采区、三采区、五采区；-45 m 水平以下2 个下山采区：四采区、六采区。

截止2021 年末，-45 m 水平以上的一、二、三、五采区上组煤已开采完毕，-45 m 水平以下的四、六采区2 号、3 号、4 号及-100 m 以上6 号煤已经枯竭。全矿井剩余可采储量332.3 万t，其中受大青灰岩水和奥灰水威胁的深部山青煤为247.2万t，占全矿井可采储量的74.4%。由于井田位于邯邢水文地质南单元黑龙洞泉域的西南部强径流带上，水文地质条件复杂，只有解放深部山青资源，才能实现矿井的可持续发展。

1.2 深部山青开采遇到的难题

2003 年孙庄矿为给河北省南部煤矿开采“下三层”煤层积累经验，同时也为矿井增加一定的资源储量延长矿井寿命，决定进行深部山青煤层的试采工作。2003 年8 月，委托煤炭科学总院西安分院编制了《峰峰矿务局孙庄矿深部山青12661、12662 试采工作面防治水工程总体设计》，并负责深部山青工作面开采的全部防治水工程。2006 年8月12661 工作面掘进工作完成后，于2006 年10 月开始进行底板注浆施工，截至2007 年10 月，在12661 工作面共完成底板注浆加固钻孔78 个，总进尺5 692.38 m，注水泥5 415.62 t，发生费用443.6 万元。尽管投资巨大，但在施工的30 个钻孔中，仍有12 个孔的单孔涌水量在120 m3/h 以上，其中38 号孔单孔涌水量达到240 m3/h。经分析，主要原因为司南翼一采区有多个小煤窑大青出水点，总出水量在13.0 m3/min 以上，形成动水注浆，水泥浆液流动较远，损失量较大，且该区大青含水层水文地质条件复杂，存在明显的各向异性，造成了底板注浆加固效果差。如再进行12661 底板注浆加固改造，不仅投资巨大，而且很难达到治理效果。因此，终止了12661 工作面一切试采工作。

从上述治理深部山青情况分析，矿井深部开采表现出了与浅部开采不同的水文地质规律，深部开采受双重水害威胁，由于南翼地区水文地质复杂，采取井下底板注浆加固的防治水措施是不可行的，矿井也未实现深部山青煤层的开采。

1.3 薄层灰岩区域治理的必要性

矿井经过近50 a 的开采，目前剩余可采储量332.3 万t，其中受大青灰岩水和奥灰水威胁的深部山青煤为247.2 万t，占全矿井可采储量的74.4%，如不解放受水威胁的深部山青煤，矿井将面临关闭的严峻局面。因此，尽快解放受水患威胁的深部山青煤，已成为矿井迫在眉睫的重大问题。

为了解决深部山青开采受双重水害威胁的防治水难题，该矿决定采用地面区域治理的方法对大青灰岩含水层进行注浆加固，使其改造为弱含水层或相对隔水层，阻断了奥灰含水层对上伏薄层灰岩的补给通道，增强了煤层底板的阻隔水能力，来解决矿井深部山青煤层开采受双重水害威胁的难题。

2 12661 深部山青试采工作面情况

2.1 工作面概况

12661 试采工作面位于井下六采区向斜轴西翼，西至运料巷与南大巷相邻，北至停采线与孙庄村煤柱相邻，南至切眼与向斜轴相邻，东至运输巷与-200 m 等高线相邻，附近无其它采掘情况。对应地表标高+191.2—+222.4 m，起伏不平，冲沟发育。

12661 试采工作面掘进过程中共揭露8 条断层，落差0.5 ～1.5 m，均对回采生产有一定影响。工作面开采标高为-103—-196 m，煤岩倾角16°～31°，平均倾角23°，平均厚度1.3 m，下距大青灰岩含水层约40 m，距奥灰含水层约70 m（图1）。工作面走向长约720 m，倾向宽约135 m，可采储量19.3 万t。

图1 12661 工作面下伏含水层柱状图Fig.1 Columnar diagram of underlying aquifer in No.12661 Face

2.2 采取防治水措施

（1） 地面区域治理。

12661 试采工作面地面区域治理工程于2017年11 月施工，2020 年5 月完工，共施工2 个主孔，24 个水平分支孔，治理层位大青灰岩，水平孔间距40 m。共计钻探工程量17 642.72 m，探查漏失点89 个，注浆量53 398.27 t。

（2） 采前综合物探。

根据瞬变电磁、音频电透视、无线电波坑道透视探测结果，该工作面影响范围内共圈定3 处相对低阻异常区。针对3 处相对低阻异常区，施工9 个验证钻孔，未发现异常。

（3） 工作面区域治理验证孔。

为了验证地面区域治理效果，在井下对12661试采工作面及其外围煤层底板进行了钻探验证，完成大青钻孔49 个，钻探工程量4 667.3 m，注水泥139.05 t。钻孔水量0.18 ～8.1 m3/h，水压0.1～1.9 MPa，水位-150 ～43.7 m，经钻探正式工作面底板大青灰岩含水层得到了有效治理，由强含水层改造为弱含水层。

2.3 取得成效及认识

（1） 取得成效。

经地面区域治理后，将大青灰岩含水层改造为弱含水层或相对隔水层，实现了矿井深部山青开采防治水技术的突破。12661 深部山青煤试采工作面于2022 年8 月安全回采结束，安全采出煤量19万t。

（2） 深部山青防治水工作。

虽然工作面进行了地面区域治理，但在回采过程中仍发生了一定程度的出水，目前工作面稳定涌水量1.4 m3/min。分析原因主要为，基于矿井南翼地区水文地质条件的复杂性，大青灰岩含水层既有奥灰水的垂向补给，也存在侧向补给。虽然工作面经地面区域治理后，将大青灰岩含水层改造为弱含水层或相对隔水层。但山青煤距离大青灰岩平均厚度37 m，间距较近。工作面推采300~460 m 时，工作面中部49 号~52 号处有2 条1.5 m 断层，呈地堑构造，底板原生裂隙比较发育。随着工作面推采，在矿压和水压的共同作用，容易致使煤层底板原生裂隙扩展，造成工作面底板出水。目前，工作面已安全推采结束，通过分析工作面推采过程中底板出水的原因，为确保深部山青试采工作面安全保水开采，创新总结了“全周期”水害治理模式，对工作面薄弱带进行动态治理，保证工作面安全保水开采。

3 深部山青“全周期”水害治理模式

矿井深部山青受大青含水层和奥灰含水层双重水害威胁，为了解决其隔水层薄、相对采深大、水压高，同时防止工作面在开采过程中，受矿压和水压的共同作用，容易致使煤层底板原生裂隙扩展出水的防治水难题，矿井制定了“采前综合改造-采中动态加固-采后减水治理”的“全周期”水害治理模式，来确保深部山青的安全保水开采。

3.1 采前综合改造

工作面回采前，采用地面区域治理、采前综合物探、井下底板验证相结合的方法对12661 试采工作面进行综合改造，将大青灰岩含水层改造为弱含水层或相对隔水层。

3.2 采中动态加固

工作面回采过程中，采取井上下相结合的防治水措施，对工作面断层带附近进行动态加固。

井下措施：在12661 运输巷4 号钻场，施工了4 个大青钻孔，共注水泥67 t；在12661 运料巷12号钻场，已施工完成2 个钻孔，共注水泥36 t，对工作面薄弱带进行注浆加固补强。

地面措施：利用区域治理注2 孔，设计施工了注2（2） -1 分支孔，对工作面断层带进行动态加固，钻探工程量981 m，注水泥4 972 t，注锯末12 331 斤，海带477 斤，麻绳930 斤，对工作面进行动态加固（图2）。

图2 12661 工作面注2（2） -1 分支孔采中动态加固断层成果图Fig.2 The results of mining dynamic reinforcement fault by injection 2(2)-1 branch hole in No.12661 Face

3.3 采后减水治理

目前12661 工作面稳定涌水量1.4 m3/min，12662 工作面正准备回采。由于12662 工作面与12661 工作面相连，为减少12662 工作面回采时采动应力对12661 工作面的影响，从而影响减水效果，待12662 工作面回采结束后，利用地面区域治理钻孔对12661 工作面出水点，进行减水治理，同时减少排水费用，实现矿井保水开采。

4 结 论

（1） 通过分析矿井深部山青工作面受“双重”水害的特点，采用地面区域治理的方法对大青灰岩含水层进行注浆加固，使其改造为弱含水层或相对隔水层，阻断了奥灰含水层对上伏薄层灰岩的补给通道，是可行的。

（2） 针对工作面采深大、隔水层薄、断层多、底板原生裂隙发育等情况，创新总结了“采前综合改造-采中动态加固-采后减水治理”的“全周期”水害治理模式，确保实现深部山青的安全保水开采。

（3） 工作面经全周期水害治理后，有效降低了大青和奥灰大水量突水的风险，最终达到了保水开采的目的。

（4） 12661 深部山青试采工作面的安全开采，延长了矿井服务年限，保证了矿井可持续稳定发展，对下一步回收下组煤煤具有推广价值。