深部开采煤层防治水技术研究

段 霞

（山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司，山西 晋中 045300）

矿井水灾是现阶段矿井面临的最严重的自然灾害之一，随着我国矿井开采规模的不断增大，煤矿也已经逐步进入深部开采，开采过程中出现的水压问题也越发严峻［1－2］。近些年，我国的矿井发生了一些煤矿突水灾害，严重影响矿井的正常回采，对矿井的经济效益造成巨大的影响，甚至一些较为严重的灾害还会造成人员伤亡［3］。现阶段，我国已经成为受煤矿水灾害影响最严重的国家之一。根据统计表明，煤矿突水事故中85%为巷道底板高压水通过导水裂隙进入矿井或者采空区［4－5］。而我国华北地区的煤矿受底板承压水的影响较大，主要原因是其属于奥陶系灰岩的地质条件，该条件岩层富水性强、水压高、隔水层薄，断层等构造发育明显，造成该区域矿井发生突水事故的危险性高。

1 工作面概况

平山矿Y485里工作面为8、9煤层分区，工作面开采深度－680m～－780m，走向长度762.5m，倾向长度145m，煤层平均倾角24°。掘进发现，1层～2层夹石，且夹石发育较厚、较连续，厚度在1.0m～3.5m，局部受断层及沉积影响夹石厚度可达到3.5m以上，夹石岩性多为灰黑色碳质泥岩。该工作面位于一向斜构造核部一侧，地层产状变化较大。从风道、溜子道及切眼等巷道的掘进中发现18条断层，断层发育明显。

Y485里工作面位于煤5～煤12弱含水层段，煤层本身赋水性差，但工作面正处于向斜轴核部区域，施工过程中产生的导水裂隙带容易连通上部5煤底板含水层而出现较大涌水。

2 矿井水灾探测技术

2.1 超高密度电法探测技术

超高密度电法探测技术是依据巷道围岩与含水地质构造的差异，通过使用专门的探测仪器观测巷道围岩中电参数传导的不同规律，来判定巷道岩层的不同地质构造情况，通过该性质来区分岩层的含水特性，从而根据探测的结果制定相应的开采计划与防治措施，避免发生矿井突水事故。

超高密度电法探测技术是在矿井掘进工作面布置一定数量的电极，连通直流电后用仪器测定两个电极之间的电势差来推出对视电阻率剖面，并通过反演计算得出掘进工作面岩层的电阻率剖面，并依据不同类型的岩层性质（当岩层为含水岩层时，其电阻率为低阻；当岩层为一般岩层时，其电阻率为高阻）来判定掘进工作面是否出现含水层，从而实现超高密度电法探测技术在超前探测水中的作用。

在该煤矿Y485里工作面运输巷和回风巷掘进过程中使用超高密度电法探测技术来判定该工作面底板的富水异常区和断层导水性质。根据探测结果，将工作面划分为富水异常区与正常区域，并根据探测结果做好相应的防治水技术措施，确保矿井的安全生产。

2.2 地质雷达探测技术

地质雷达探测技术是依据雷达发射的电磁波通过矿井不同的岩层时会发生不同的反射和透视，将探测的结果数据化，并通过相应的软件呈现反射波传播的时间、频率、相位等，并通过传回来的数据来确定矿井不同位置岩层的性质，判别岩层的富水性与地质构造情况。其探测原理如图1所示。

图1 地质雷达探测技术示意图

通过地质雷达探测技术可以对矿井的水文地质条件与构造条件进行精细的探测。在Y485里工作面采用地质雷达探测技术对矿井的水灾进行探测，该工作面运输巷与回风巷在掘进过程中主要由该工作面顶、底板砂岩受断层构造影响破裂形成导水裂隙带，提供工作面充水水源。通过地质雷达探测技术在工作面巷道两帮与拱顶0m～30m范围进行探测，共探测6次，并依据探测结果来确定巷道的富水异常危险区域，为矿井的防治水提供相应的依据。

2.3 钻探技术

对于采用物探技术与地质雷达探测技术探测出的富水异常区应当采用钻孔技术进行相应的验证。根据探测出异常区的位置与巷道掘进的方向来布置钻孔的参数，一般钻孔的个数大于2个，钻孔超探距离应当大于30m，倾角为－10°～－20°，其布置示意图如图2所示。

图2 钻孔布置示意图

对于钻孔超探距离的确定是保证钻孔布置中最重要的一环，而超探距离的确定则是依据公式（1）：

式中：K为矿井的安全系数；L为巷道的宽度，m；P为巷道底板所承受水压，MPa；KP为煤的抗拉强度，MPa。

根据Y458里工作面的地质条件，其超探距离结果如表1所示。

3 防治水技术

采用物探与钻探技术确定矿井富水的危险区域，对危险区域应当超前采用相应的防治水技术措施，确保危险区域的安全生产。矿井超前防治一般采用疏水降压、注浆改造等技术措施。

表1 Y458里工作面不同水压超前探测距离

3.1 疏水降压

煤矿采用疏水降压防治水，是通过钻孔将岩层中的奥灰岩水提前释放，水位降低到安全线以下，从而达到防治水的目的。而疏水降压有全量疏水与局部限量疏水两种，全量疏水降压是在工作面施工足够多的钻孔，将工作面中的水降低到安全水位；而局部限量疏水降压是在底板薄弱区域进行疏水降压，虽然同样将水位降低到安全水位以下，但是由于底板的疏水通道依然存在，仍然有可能发生突水事故。疏水降压的目的是将巷道底板岩层中含水层中的水进行疏排，将含水岩层的水位疏干变为贫水层，从而达到工作面不带压开采的目的。

Y485里工作面采用疏水降压的防治措施，其钻孔布置示意图如图3所示。共布置7组钻孔，每组钻孔3个，累计施工21个钻孔，钻探进尺1 688.4m。

图3 疏水降压钻孔布置示意图

3.2 注浆改造

采用注浆改造技术用于煤矿防治水，其原理是利用注浆液将巷道围岩中原来被承压水占据的裂隙形成阻水整体，将导水裂隙封堵，底板注浆也进一步可以提高底板隔水层的厚度，提高抗压强度与抗突水能力，避免发生矿井突水事故，保证矿井的安全生产。

Y485里工作面采用注浆改造防水技术措施，采用扩散半径为20m左右的注浆液，而在断层或者陷落柱等复杂地质构造周围采用扩散半径为15m的注浆液。采用超前注浆的技术措施在工作面两巷掘进时对底板进行加固，从而达到注浆防治水的目的。

4 效果检验

Y485里工作面富水危险区域采用钻孔疏水降压与注浆改造后进行防治水效果检验，结果表明，采用该措施后，能减小富水区的水位高度，减少导水裂隙带，提高底板的抗水强度，具有良好的防治水效果，对矿井的安全生产具有十分重要的作用。

5 结论

1）以Y485里深部工作面为研究对象，分析了该工作面的地质条件，该工作面在掘进过程中出现了涌水现象，对于该现象采用超高密度电法探测技术和地质雷达探测技术进行探测，对探测到的危险区域采用钻探技术进行验证，从而确定该工作面为富水危险区域。

2）在Y485里工作面探测到的富水危险区域采用疏水降压与注浆改造的防治措施进行超前防治水，并进行效果检验，结果表明该措施具有良好的防治水效果。