赵庄二号井3 号、15 号煤层底板水害评价与防治

周 璐

（晋能控股装备制造集团赵庄二号井，山西 长治 046605）

0 引 言

根据统计数据，含有特殊地质构造的位置更容易出现工作面底板突水事故[1]。在断层带中，岩体强度及变形模量等都会明显弱于非断层带，岩体渗透性也较非断层带岩体存在明显差异，这主要受到岩体裂隙发育情况、胶结程度等因素的影响[2-4]。断层带内岩体的应力改变也会对岩体内孔隙水压力造成影响，使该区域地下水压力、流量发生变化，从而反馈在岩体的应力变化中，在矿压及地下水水压的共同影响下，采动断层会发生一定错动活化，同时伴生裂隙[5-7]，在这种含有断层的区域进行开采作业时，往往更容易出现突水事故。

1.2.2 放弃社保。根据本次调查数据显示，新房建造未完工的农户中，未缴纳社保的农户占64.30%。调研访谈中，许多农户直言社保对于他们来说负担太重，他们更加愿意把缴纳社保的钱花在新房建造、子女读书上。同时，农户放弃社保还有两方面的影响。一是社保一次性缴纳要求给农民带来了一定压力。根据农村养老保险一次性补缴规定，男满45岁、女满40岁的农民最高补缴10年，需交纳6万余元；而男满60岁、女满55岁的农民补缴15年，总共补缴9万余元。二是政府对社保的宣传不到位，农户对社保了解片面，甚至认为社保是可有可无的。

赵庄二号井目前开采3 号煤层，预计剩余可采储量不足5 年，为保持矿井可持续发展，需要尽早进行下组15 号煤层的开拓延伸工作。15 号煤层底板至奥灰顶界面之间的距离10.4～47.6 m，平均厚度23.52 m，回采过程中底板受采动破坏影响，有效隔水层厚度不足，直接回采发生奥灰突水的可能性较大。底板水害问题将给煤炭开采造成较大的困难。通过对3、15 号煤层水害威胁评价，涌水量预测，并提出可行的底板水害防治方案，为该煤层的水害防治提供帮助，并为施工流程的合理规划提供参考。

1 工程概况

赵庄二号井位于赵庄煤矿东部刀把形区域内，井田范围由13 个拐点圈定，井田面积15.431 km2，开采3 号煤层，生产能力为120 万t/a。依据区域地质资料，区域内地层由老到新，从东至西包括：上元古界震旦系、古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、新生界第三系及第四系。井田大部分区域覆盖第四系黄土，西部及东南部有少量地层露出，分别为二叠系上统上石盒子组上段（P2s3）地层、二叠系上统上石盒子组中段（P2s2）地层。含煤矿地层以主要包括：石炭系上统太原组、二叠系下统山西组。截止目前，井田共发现陷落柱69 个，其中井巷采掘头面揭露陷落柱13 个，钻探揭露的陷落柱有10 个，在采掘过程揭露的陷落柱个体大小差异较大，分布无规律，个别为导水陷落柱。该井田内含水层主要包括：松散层孔隙含水层，基岩风化带裂隙含水层，二叠系上、下石盒子组及山西组含水层，石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙含水层，奥陶系碳酸盐岩溶裂隙含水层。

在使用天然火的过程中，人们逐渐学会了把火种保存下来，使它常年不灭，这样就能够经常吃上烤熟的食物了。但是火种保存不善总会熄灭，而天火又不是经常可以遇上的，在这种情况下，人们开始考虑，是否能够自己来制造火或者取得火呢？燧人氏钻木取火的传说，就由此而来。

2 底板水害威胁程度评价

2.1 突水危险性评价方法

该煤田处于华北型煤田内部，井下15 号煤以带压开采为主要开采方法。现阶段，进行煤矿开采时的承压安全评价主要通过突水系数进行[8]，该系数由目标煤层隔水底板的水压同隔水底板厚度作比取得，即：T=P/M，其中，P表示目标煤层隔水底板的水压大小（MPa），M表示隔水底板厚度（m）。

根据承压开采理论，虽深部位置存在较高压力的地下水，但受到隔水层的影响，可以承受一定量的水压值。因此，在实际作业过程中，不需要将该区域水位将至煤层底板位置以下才进行开采[9-10]，从宏观层面进行分析，在华北煤田中出现的底板奥灰突水的可能性分区问题，可以从以下方面进行考虑：

栀子苷对照品（批号：110749-201410，纯度：≥100%）、芍药苷对照品（批号：110736-201438，纯度：≥96.4%）、丹皮酚对照品（批号：110708-201407，纯度：≥99.9%）均购自中国食品药品检定研究院；甲醇、乙腈均为色谱纯，其余试剂均为分析纯，水为一级纯化水。

Ⅱ区：位于奥灰承压水面位置以下的区域，但该类型区域的突水系数处于T>0.06 MPa/m 范围内，属于较安全区域，在该区域进行开采作业时，应积极进行矿井防治水工作，达标后实施带压开采。

Ⅲ区：位于奥灰承压水面位置以下的区域，突水系数T 处于0.06～0.1 MPa/m 之间，该类型区域为过渡区域，存在较大底板突水风险，一般只能在构造较为简单的区域进行科学、合理的矿井防治水工作后才可实施带压开采。

克氏原螯虾(Procambarus clarkii)俗称克氏螯虾、淡水龙虾、小龙虾，原产于美国中部和东部、墨西哥以及古巴，是最具食用价值的淡水龙虾品种，年产量占整个淡水龙虾产量的70%～80%。在我国，小龙虾人工养殖和消费的数量很大。目前，在对虾的加工中主要以冻虾仁为主，在加工中产生大量的虾头、虾壳等下脚料，约占虾体质量的30%～40%[1]，如不及时处理，就会造成环境污染。

2.2 煤层突水系数计算

依据矿井勘探孔及其他钻孔资料，将3、15 号煤层相关数据代入突水系数公式中，计算得到3 号煤层突水系数区间为0.013 0～0.029 9 MPa/m，15 号煤层突水系数区间0.063 7～0.269 7 MPa/m。通过计算可知，3 号煤层突水系数区间都处于0.06 MPa/m 以下，为较安全区域，可以进行安全开采。但需要注意的是，井田内断层存在陷落柱较发育情况，矿井存在奥灰岩溶水溃入风险，3 号煤层突水系数由南向北有增大趋势，井田范围内东南部最低，西北部最高。15 号煤突水系数在0.063 7～0.269 7 MPa/m，总体上均大于构造发育地段的临界值0.06 MPa/m。根据突水系数等计算结果对该煤层进行分区，15 号煤层的大多数区域，突水系数处于0.06～0.10 MPa/m 范围内，为过渡区域，井田西北位置存在部分突水系数大于0.1 MPa/m 的区域，为高危区域；东部部分区域的突水系数小于0.06 MPa/m，为安全区域。

2.3 突水危险性综合评价

对于3 号煤开采，突水系数均小于0.06 MPa/m，隔水层厚度较大，发生直通式突水的可能性较小，防治工作的开展主要针对构造、裂隙、陷落柱等发育密集的区域进行，在对煤层掘进回采作业前，应对通过多种方式对掘进头周围区域及作业面的含水性进行探查，应根据实际需求以注浆加预留隔水煤柱等方式，预防突水事故发生。3 号煤防治水难度总体较低，风险总体可控。

对于15 号煤层来说，其整体突水系数处于0.063 7～0.269 7 MPa/m 之间，煤层大部分区域突水系数大于0.10 MPa/m，即井田都为危险开采区域。当峰峰组顶部存在10 m 以上较厚相对隔水层时，煤层突水系数处于0.040～0.111 MPa/m 之间，大部分区域为过渡区域。煤层到奥灰顶界面厚度范围为10.4～47.6 m，平均厚度为23.52 m，煤层底板主要包括：太原组底部砂岩、本溪组铝土质泥岩，上奥陶系峰峰组顶部构成较复杂的相对隔水层，未来15 号煤层开采后，底板破坏带的形成缩短了15 号煤层至奥灰水之间隔水层的厚度，使得奥灰突水事故的发生可能性进一步提高，同时根据放水试验的结果，奥灰含水层表现为弱~强富水性，若出现突水事故，其将会对矿井的生产安全构成严重影响；另外根据目前矿井构造发育的情况，共推断和揭露断层261 条，陷落柱56 个，当断裂构造或陷落柱出现含（导）水情况时对矿井的安全也会构成极大的威胁。

L-阿拉伯糖又称L-树胶醛糖、果胶糖，其形态为白色结晶，对热和酸稳定，广泛存在于植物中如玉米皮、甘蔗渣[1]。L-阿拉伯糖具有很强的非竞争性抑制蔗糖吸收的功能，能够减少吸收蔗糖带来的血清中葡萄糖浓度升高,其甜度是蔗糖的一半，可作为一种新型的低热量功能型甜味剂[2]。已有研究表明，L-阿拉伯糖具有调节血糖吸收、降脂、促进肠道消化排毒、防止龋齿等功效[3]，近年来不断被开发应用。

因此，15 号煤层底板奥灰水带压开采突水概率相对较高、突水危险性相对较大、煤层进入带压开采区时必须采取科学合理防治措施：包括对垂向导水构造的超前探测、注浆封堵加固及改造，底板薄弱带的注浆加固和改造，并且进行水害实时监测及预警预报，配合足够的防排水系统和合理的应急预案，同时必须严格按照《煤矿防治水细则》中第七十条，结合实际情况，通过实施地面治理、井下注浆、含水层改造、填充开采等方法，将突水系数值降到安全值以下，方可实现15 号煤层的安全带压开采，对危险区进行带压开采。

3 矿井涌水量预计

3.1 3 号煤涌水量预计

对于矿井的掘进阶段来说，其主要开展的防治水技术工作包括：掘进头前部位置的导水构造探测及对应的治理。步骤如图1 所示。

式中：Q为预计涌水量；Q1为已知矿井的涌水量；矿井正常涌水量为97.9 m3/h，最大涌水量为175 m3/h；F0为预计矿井开采面积m2；预计2022 年底已回采面积为：193 097 5 m2；F为已知矿井开采面积m2；目前已回采面积为：1 555 000 m2；为同水平开采，为1；

3.重视法制环境的建设。健身休闲产业供给效率和质量的提升离不开体育、旅游、文化、教育、金融、税务、国土等相关部门的联动与监管。须完善健身休闲产业的市场准入和退出机制，制定行业规范和服务质量标准，全面提升供给主体的服务水平。还须加强对健身休闲企业的监管力度，特别是健身器械设备安全的监管，以及高危险性项目的安全保障。另外还要重视消费者权益保护，开通多种消费维权渠道，提高维权处置能力和行政效率。

对于巷道以及工作面掘进作业时的防治水工作不仅要对顶板含水层进行检测及预疏放以外，还需要对掘进头前方位置的导水构造实施探查，并进行治理；在开始工作面回采作业前，主要的防治水工作以作业面内部、顶部的含水地质异常体情况进行监测并实施治理；在进行工作面回采作业时，不仅要持续进行常规水文地质监测，还需要针对矿井内较为薄弱区域进行突水监测及情况预测。

未来3 年开采3 号煤层，水文地质条件相似，开拓方式、采煤方法和生产能力不变，通过计算结果可预测未来3 年内矿井正常涌水量大小为121.6 m3/h，最大涌水量为217.3 m3/h。

Ⅳ区：位于奥灰承压水面位置以下区域的突水系数处于T>0.1 MPa/m 范围内，该类型区域为危险区域，具有极高的底板突水事故发生概率，一般只能通过疏水降压、底板加固等方式对该区域进行减压处理，待突水系数T 降低至0.1 MPa/m 以下后，才能在具有充足安全措施的情况下进行带压开采。

3.2 15 号煤涌水量预计

开采15 号煤时，在上部3 号煤采空区积水提前疏干的前提下，矿井涌水量主要由两部分组成，一是来自顶板的薄层灰岩含水层，二是底板奥灰水。本次涌水量预测仅针对顶板太灰水进行预测，底板奥灰水为突水水量具有不可预测性。

15 号煤位于K2 灰岩含水层下部，开采必定将疏干顶板灰岩水，假设以15 号煤首采工作面等面积的区域为研究区域，采用“大井法”对煤层顶板灰岩水进行预测，选用《煤矿防治水手册》中承压转无压完整井矿井涌水量计算公式，计算参数以太原组灰岩含水层水文孔抽水试验时计算所得数据。

矩形大井概化：

式中：Q为预计矿井涌水量，m3/d；K为含水层渗透系数，m/d；M为煤层顶板以上导水裂隙带高度范围内含水层厚度，m；H为为含水层平均水位至含水层底板平均标高的距离；H为含水层的平均残余水头，疏降后取0m；S为为含水层水位平均降深，m。R0为矿井排水的引用影响半径，R0=R+r0，m；R为影响半径，m；r0为大井引用孔径，m；a、b为矩形大井的长宽；η为系数，取1～1.18。

太灰灰岩含水层水位取目前长观孔的水位平均值，即＋730 m，含水层底板标高取平均＋450 m，灰岩含水层厚度以平均值进行计算，即18.54 m（K2～K6），渗透系数K 使用田家庄、东风井、1、2、3 号孔太灰含水层抽（放）水试验数据平均值（剔除个别异常数据）0.147 6 m/d，此时要把太灰水疏干，降深S＝+730 m-(+450 m)＝280 m。预测范围暂定为井田西北翼所覆盖的区域，面积约170 万m2。15 号煤层顶板水疏降水量预测计算参数见表1。

Ⅰ区：位于奥灰承压水面位置以上的区域，其为不带压区域，一般不会发生底板奥灰突水问题。

表1 15 号煤顶板灰岩含水层涌水量计算参数表

根据矿井涌水量计算公式，地下水水位降至含水层平均底板时，矿井正常涌水量为592 7.2 m3/d（247 m3/h），据3 号煤矿多年涌水量统计资料，3 号煤最大、最小涌水量之比可达1.79，预测15 号煤最大涌水量时，同样采用该比值1.79，则15 号煤最大涌水量为106 09.7 m3/d（442.1 m3/h）。15 号煤尚未批准开采，暂无采掘规划，待采掘规划确定，采区边界划定之后，可利用太灰含水层的相关参数采用大井法预测目标区域的涌水量。

修订后的PDCA量表，总量表的Cronbach’s α=0.77，其中，“使用象征有死后生活词汇的倾向”分量表的Cronbach’s α=0.73， “使用描述逝者心理状态词汇的倾向”分量表的Cronbach’s α=0.88。

4 采掘期间防治水技术方案

可以说，评价理论帮助我们从词语的角度分析人际意义，而篇章格律与评价理论的结合则帮助我们从篇章结构的角度分析人际意义。

4.1 掘进期间的防治水方案

结合赵庄二号井涌水资料分析，矿井涌水主要来自3 号煤层顶板之上K、K8、K10 砂岩含水层水及大气降水和地表水渗透。矿井正常涌水量71.7～135.7m3/h，平均97.9 m3/h，矿井最大涌水量为175 m3/h。矿井3 号煤涌水量预测采用比拟法求解：

图1 巷道防治水技术步骤框图

现阶段，对巷道掘进头前部位置导水构造进行探测的方法主要以直流电法超前探测技术实现，并通过钻探进行探测结果的验证。在井下数据采集工作，主要通过点源三极装置实现，其中无穷远电极并不会对巷道内的测量电极造成较大影响，因此可以将此电池看做点电源电场。在进行探测时，供电电源需要置于巷道中，使得此电场分布呈现为全空间分布，故可通过全空间电场理论对探测所得的数据进行处理、分析、解释。根据近年来的应用，超前探测距离在100 m 左右。

在开展巷道掘进作业时，需要严格遵守“有掘必探、先探后掘”的作业规范，需要对掘进头前侧约80 m 有效距离进行超前探测。在探测结果显示无异常的情况下，开始掘进作业，但仍需要保留20 m 超前探测距离。在探测结果出现异常的情况下，需要对异常出现的原因进行全面分析，判断对应的地质构造类型，并进行孔探，以确定地质构造具体的含水性、导水性及对作业的威胁程度等。在打钻水孔探查时若发现煤岩松软、片帮、来压、钻孔中水压、水量突然增大，顶钻等情况时，需立即停止作业，但不可直接将钻杆拔出。在通过物探方法对异常构造区进行确定后，需要再使用打探水孔的方式对其进行二次探测及验证。对于探水孔需要进行控水装置的安装，控水装置需要适应区域水压。在探放水量较大的情况下（大于10 m3/h），需要通过此潭水孔实施放水试验，完成后进行注浆封堵，随后开展掘进作业；在探放水量较小的情况下（小于10 m3/h），可以直接开展掘进作业，但需要对该探水孔的水压和水量进行持续监测。

4.2 回采期间的防治水方案

工作面回采的水害防治主要为物探和钻探结合，以超前物探的方式对前侧情况进行探查，并辅以超前钻探对物探结果进行二次验证，根基探测结果对异常地质体施以科学、合理的防治方案。从作业时间方面划分，回采阶段的防治水工作主要划分为作业前、作业中等阶段，不同阶段实施不同的防治方法。步骤如图2 所示。

图2 巷道及采掘工作面水害防治技术框图

在开始工作面回采作业前半年内，应当通过多种类型的物理探测方法对工作面的内部、顶面、地面进行全面探测，对工作面围岩的构造情况、富水性、异常构造体位置等进行了解；在开始工作面回采作业前，通过物探确定的富水区域、异常构造等都需要通过钻探的方式进行验证，若为富水区需要对钻孔实施注浆封堵。对于水流较大的探水孔，需要在采动时特别注意防止其被进一步破坏，应积极实施注浆封堵、加固等措施进行处理。对于下组煤的开采，当底板隔水层厚度无法阻抗奥灰水压时，应考虑对奥灰进行区域治理；在实施工作面回采作业时，需要对煤层底板的奥灰含水层水位情况进行持续监测，若出现异常信号，需要及时停止作业，对异常情况进行全面分析，在排除风险后再开始作业；对于作业过程中出现不影响正常作业的突水点位，仅实施排水措施即可继续作业；若其对正常作业造成影响，需要对突水点出现的原因进行分析，并进行注浆封堵，以确保回采作业的安全进行；工作面回采作业时，需要持续对物探过程中发现的异常位置进行监测，特别关注工作面回采作业区域内的异常位置；在进行工作面回采作业时，进行突水情况预测及预报是很关键的工作，一般情况下工作面出现突水前都会出现明显的征兆，因此需要对作业过程中出现的各种异常情况予以高度重视，需要构建完善的异常情况汇报机制，若工人在施工过程中发现异常情况，需要及时向班长进行汇报，由班长初步确定情况后向技术部门汇报，提升异常情况处置效率。

第三，社会保障机制不健全。目前东营市农村社会保障体系和农业风险保障机制很不完善，不利于农村一、二、三产业的正常融合与发展。

5 结 语

1）通过对应数据计算出3 号煤层底板突水系数范围为0.013 0～0.029 9 MPa/m，其整体低于构造发育地段临界值0.06 MPa/m；15 号煤层突水系数范围为0.063 7～0.269 7 MPa/m，其整体高于构造发育地段的临界值0.06 MPa/m；由于峰峰组顶部存在相对隔水，因此15 号煤层突水系数变化范围最终确定为0.040～0.111 MPa/m 之间，总体位于过渡区；15 号煤开采需采取专门的水害防治工程与配套技术措施；

2）预计未来3 年，3 号煤矿井中正常涌水量为121.6 m3/h，最大涌水量为217.3 m3/h；15 号煤（预计范围为西北翼盘区）正常涌水量为247 m3/h，最大涌水量为442.1 m3/h。

3）随着矿井采矿作业的持续进行，作业位置的地质条件复杂度将进一步提升。未来，赵庄二号井中，水害问题将会是影响矿井持续发展的关键性因素之一，会对巷道设计、采掘等作业造成严重影响。所以，对该矿井的水害治理刻不容缓，特别对于矿井底板水害问题进行的研究，根据研究结果结合实际情况给出科学、合理的水害防治办法及依据，确保井下作业的安全和矿井的持续发展。