邢台矿区下组煤开采防治水技术研究

苏维涛

（冀中能源股份有限公司地测部 河北 邢台 054000）

1 矿井概况

葛泉矿是河冀中能源股份有限公司骨干矿井之一。于1989年建成投产，矿井设计年生产能力为60万吨，可采煤层为 2#、2下、5#、7＃、8＃及 9＃煤层，葛泉矿东井处在葛泉井田南翼F13断层东北部分，相对井田构成独立块段，下组煤赋存较浅，煤层厚度大 （平均厚度4.89m），9#煤层至奥灰顶面的隔水层厚达38～55m，一般在40m以上。目前，本区奥陶系灰岩水水位标高在+40m左右，试采区-150水平突水系数在0.07 MPa/m左右。

葛泉井田地表全为新生界地层所覆盖，根据钻孔及井巷揭露，东井内发育的地层自老至新依次为奥陶系中统马家沟组与峰峰组;石炭系中统本溪组、上统太原组;二叠系下统山西组及第四系。

本区地处邢台矿区，在区域构造上位于太行山断褶带东部边缘，断层以高角度正断层为主，以北东方向的断层最为发育。

从区域水文地质单元划分，根据地形地貌特征、构造控水规律及奥灰地下水流场情况，葛泉井田位于百泉水文地质单元之中。

2 研究思路

2.1 客观、全面评价本区9#煤带压开采可能的充水水源、充水通道。分析、评价与9#煤带压开采相关的含水层（组）的岩性结构、空间分布规律、富水性特征及其关键控制因素；分析与评价9#煤顶、底板隔水层（组）的岩性组合、空间分布规律、含导水构造裂隙发育的规律性特征、岩石力学特征及其岩（底板岩层）水（底板承压水）应力（采动应力和原始地应力）关系。从而对本区9#煤带压开采可行性进行分析与评价，制定科学合理、切实可行的带压开采防治水技术路线；

2.2 将井上下结合的钻探技术、物探技术、化探技术，尤其是新的探查技术和手段付诸工程实践，并对其适用条件、应用效果、可靠性及其推广价值作出分析与评价。从而形成与带压开采技术相适应的井上下结合的综合探查技术体系，更好的为矿井水害安全服务；

2.3 对煤层底板隔水层及本溪灰岩含水层的可注性进行分析与评价；采用井上下结合的“互动式”注浆系统，研究煤层底板注浆改造的工艺流程。对注浆材料、注浆压力、浆液配比、浆液扩散半径、注浆结束标准、注浆效果检验方法、检验标准进行研究；在优化注浆工艺及其配套措施的基础上研究注浆孔布置原则和注浆次序；

2.4 采用先进的突水监测系统和煤层底板采动破坏深度探测仪器及压水试验方法，对注浆改造后9#煤层底板采动破坏深度进行探测，对其破坏过程及突水征兆进行监测。研究煤层底板采动破坏规律。

3 技术方案

3.1 针对葛泉矿下组煤试采区薄隔水层、大导高、本灰与奥灰双层高承压岩溶裂隙含水层复合为一个含水体的复杂水文地质条件，制定了“精细探查，先探后掘；注浆改造，先治后采；全程监控，全面设防”的防治水技术路线。其实施步骤如下:

3.1.1 在工作面巷道掘进前，分别采用地面三维地震勘探技术、地面瞬变电磁勘探技术和钻探技术对下组煤开采的地质、构造、水文地质条件进行了综合探查与防治水方案可行性论证，并建立了完善的矿井防排水系统和矿井水害应急预案，对顶板大青灰岩水进行了初步可控疏放。

3.1.2 在工作面巷道掘进过程中，采用长距离直流电法超前探测技术对掘进头前方煤层及其顶、底板富水性特征进行精细探查，并对异常段进行了钻探验证。此后，对通过验证的煤层底板富水区段进行了超前预注浆加固，从而保证了巷道掘进安全。

3.1.3 在工作面回采前，对煤层底板隔水层及本溪灰岩含水层进行了全面注浆改造，并采用井下坑透、音频电透视、瞬变电磁等物探技术对注浆改造效果进行了定性评价；采用水文地质钻探手段对注浆改造效果进行了定量评价，对注浆效果较差的区段进行了补充注浆，从而保证了注浆工程的可靠性。

3.1.4 在工作面回采过程中，实施了煤层底板突水监测与围岩应力、应变探测；在工作面回采至停采线附近时，组织实施了注水试验观测。在整个工作面回采过程中，还对工作面采后涌水量进行了观测。

3.2 采用井上、下结合的全方位、多层次勘探手段，制定了“井下为主，地面为辅，物探为主，钻探验证”的勘探原则。尤其是采用直流电法长距离超前探测技术和三、四极结合的假异常排除技术，提高了探测精度，大量节省了钻探工程量。

物探方法的选择主要考虑对“探查体识别与定位”的“敏感性”:采用地面三维地震勘探手段，主要探查9#煤层及隔水层中断层和异常体；地面瞬变电磁探查煤层底板富水性，从宏观上把握试采区富水性特征；井下采用直流电法长距离超前探测技术和三、四极结合的假异常排除技术探测掘进头前方富水构造；坑透探查煤层构造；直流电法和音频电透视结合探查工作面底板隔水层富水区。经开采实践，其选择方法合理，效果明显，达到了预期目的。

勘探钻孔尽量考虑“一孔多用”:探查孔、试验孔兼做注浆孔；后期补充注浆孔兼做前期注浆效果验证孔。

3.3 煤层底板全面注浆改造技术

针对本区本区9#煤带压开采“一薄、二强、三高”的水文地质特点，本区底板水防治以“先治后采”为原则，采用先进的注浆工艺、优化注浆孔布置方案，加固煤层底板隔水层，对垂向导水裂隙和构造进行封堵，补强其阻水性能；全面改造本溪灰岩含水层为相对隔水层，对导（富）水溶隙进行封堵，有效阻隔煤层底板下伏高压奥灰水导升裂隙向上延伸。本项目主要在以下几个方面进行了探索与实践:

3.3.1 准确定位注浆目的层

考虑煤层底板采动破坏深度，注浆加固的目的层为煤层底板下10m至本溪灰岩底板下2m的含导水构造；

3.3.2 注浆孔布置原则的探索

（1）采用浆液扩散半径为20m，注浆加固范围内钻孔终孔间距在40m以下；

（2）钻孔裸孔段应尽可能多的穿过注浆加固的目的层段，钻孔方向尽可能垂直于构造裂隙发育方向，以利于浆液向垂直裂隙带扩散，采用斜孔和近水平孔很好的解决了这一问题；

（3）对工作面切眼位置、初次来压位置、周期来压位置、巷道直接底板两侧10m范围内、停采线附近、物探异常区及构造发育区段进行重点加固与改造；

3.3.3 采用先进的注浆系统

根据东井注浆量大、注浆范围广、注浆时间长等实际情况，选用了目前国内先进的井上下联合注浆系统，具有风动下料、射流造浆、制浆过程自动跟踪控制，粘土、水泥注浆量自动计量、注浆密度自动监测等优点。能够根据注浆效果适时建议合适的注浆压力和浆液密度。

3.3.4 优化注浆工艺和流程

采用下行式分段注浆方式，注浆之前先进行压水试验，根据压水试验结果计算注浆段单位吸水量，然后确定浆液配比与浓度后进行注浆，简述如下:

（1）三阶段渐进式动态注浆工艺:工作面底板注浆改造工程分三个阶段进行，第一阶段注浆封堵与充填较大的含导水裂隙；第二阶段为加密注浆阶段，对第一阶段尚未充填或封堵效果不理想的导水裂隙进行充填与封堵；第三阶段为补充注浆阶段，对前两阶段遗漏的含导水裂隙进行封堵；对1192工作面注浆改造的同时，兼顾相邻工作面底板预注浆。

（2）动态分析、实时反馈、不断优化的注浆流程:不断积累钻孔涌水量、初见本灰深度、注浆量等数据，并对其进行动态分析；应用注浆过程参数实时反馈机制，针对分析结果确定下一步重点注浆区段，不断优化钻孔布置方式和注浆工艺，从而达到理想的注浆效果。

（3）引流注浆工艺:单个钻孔注浆过程中，周边其他钻孔放水引流，从而扩大浆液扩散半径，减少钻探工程量。

（4）探索了适合本区的注浆结束标准:结束压力:6～8MPa；结束吸浆量，一般35L/min以下。

3.3.5 采用综合检测手段验证注浆效果

对工作面底板进行全面注浆加固与改造之后，采用电测深和音频电透视技术对注浆加固效果进行了检验，并对仍然存在的物探异常区进行了钻探验证，对验证存在的注浆薄弱区段补充注浆。

3.3.6 制定了注浆改造效果量化评价指标

以钻孔密度、检查孔个数、单孔涌水量和见本灰水深度作为注浆效果评价的量化指标:

（1）注浆孔密度达到450 m2/孔，钻孔平均间距小于20m；

（2）检查孔个数占注浆孔个数的30%以上；

（3）检查孔单孔涌水量小于20m3/h；

（4）80%的区段初见本灰水深度大于15m，初见本灰水量小于3m3/h。

3.4 煤层底板破坏深度探测与突水监测

3.4.1 根据工作面回采过程中水压、应力、应变传感器监测数据的综合分析，在确认无突水征兆的情况下，没有发出突水预报，实现了该工作面的安全开采；

3.4.2 通过注水试验和突水监测结果，确定了工作面底板最大破坏深度为12.5m，主要位于煤层底板本溪灰岩上部的粉砂岩中。

3.5 在采用全面注浆改造技术控制工作面底板采后涌水量的同时，对煤层底板全面注浆改造后工作面采后涌水量预测计算方法开展了研究。

4 实施效果

采用上述防治水技术方法，实现了1192、1190、1197等7个工作面的安全回采，采出原煤153万吨，目前工作面采后涌水量最大在30m3/h左右最小的仅为1.5m3/h。

5 问题及建议

5.1 如何提高单一物探方法探测资料解译的可靠性，除仪器本身和探测方法上需不断改进外，更应重视解译人员实践经验的积累和提高对探测区域地质、水文地质认识；

5.2 以工作面水害形成条件为勘探目标，在工作面煤层底板及承压含水层数字化诊断的基础上，建立数字化采面（采区）和地质保障系统是带压安全开采的必然要求和今后防治水工作的努力方向。

5.3 本套防治水技术适应于埋藏浅，突水系数小于0.1的地区，对于埋藏深，突水系数大于0.1的地区，可进一步进行奥灰顶部可控注浆改造，将强含水层改造成隔水层，以降低突水系数，保证安全开采。