榆树坡煤矿5105工作面底板富水异常区治理技术

狄应龙

(山西宁武榆树坡煤业有限公司， 山西 宁武 036700)

1 矿井概况

山西宁武榆树坡煤业有限公司位于山西省宁武县城东北约2 km处，行政隶属宁武县凤凰镇和阳方口镇两镇管辖。井田地处晋北山区，沟谷纵横，梁峁绵延，地形比较复杂，呈中低山地貌。最高海拔1 665.1 m；最低海拔1 323 m，最大相对高差342.1 m. 井田面积15.02 km2，地质储量3.8亿t，可采储量约1.4亿t. 全区含煤8层，其中2、5号煤层为全井田稳定可采煤层。2号煤层厚度2.55～6.41 m，平均4.42 m. 顶板岩性为粗中砂岩，底板为砂质泥岩。5 号煤层厚度13～16 m，平均15.07 m.

主要地质构造以北北东向新华夏系构造为主，发育为北东向区域张性大断裂为主，一般断层规模较大。断距2～48 m，平均5～9 m. 全井田经3次三维地震及精细解释探明断层条数54条，其中正断层52条，逆断层2条。

5煤位于太原组下部，结构复杂，含1～6层夹矸，为全区稳定开采的巨厚煤层。工作面附近施工的ZK702钻孔煤厚16.27 m， 煤层结构较简单，含夹矸4层，为稳定可采的巨厚煤层，其顶板为泥岩，厚度22.65 m，底板为砂质泥岩，厚度2.6 m. 5105面为矿井5号煤首采工作面，上部为1201采空区和1201小1采空区，四周无其他采空区存在。工作面进风顺槽长1 496 m，回风顺槽长1 511 m，倾向长177 m. 煤层倾角2°～11°，平均6°，工作面标高+980～1 115 m. 除切眼位置小范围不带压外，工作面其它区域受奥灰水威胁，需带压开采。工作面底板隔水层承受奥灰水压0.34～1.5 MPa，突水系数小于0.06 MPa/m，由于工作面内构造发育，采掘过程中具有突水危险性。

2 构造发育区及富水异常区的确定

2.1 构造发育物探探查技术

槽波地震勘探[1-2]可以探查小断层、陷落柱、煤层分叉与变薄带、采空区及废旧巷道等地质异常，具有探测距离大、精度高、抗干扰能力强、波形特征较易于识别及最终成果直观的优点。

为了进一步查明首采面隐伏地质异常体的发育情况，采用槽波探测技术，确定采用全排列的采集方案，以最大限度地接收有效数据，提高成像精度。沿进风巷两侧帮、回风巷两侧帮、切眼布置激发点和接收点。首采面进风巷两侧帮、回风巷两侧帮、切眼激发点与接收点布置如下：接收点间距10 m，共布置609个；激发点间距20 m炮距，布置369个。首采面槽波透射CACT成像结果见图1，槽波透射RACT成像结果见图2.

图1 首采面槽波透射CACT成像结果图

图2 首采面槽波透射RACT成像结果图

探测区域内共解释断层5条，均为正断层，分别命名为DF41、DF42、DF45、DF53、CF1. 其中，CF1为新发现断层，修正三维解释断层走向及位置4条(DF41、DF42、DF45、DF53)；按落差分，DF41、DF53落差大于1/2煤厚小于煤厚，DF42、DF45、CF1落差在1/2煤厚左右；按可靠程度分，均为可靠断层。槽波地震探查成果表见表1.

表1 槽波地震探查成果表

2.2 富水异常区物探探查技术

采用电法探测技术[3]对富水异常区进行探测。针对首采面富水异常区，采用音频电穿透和直流电法两种电法探测技术进行综合物探。

2.2.1 音频电穿透技术

音频电穿透[4]设计布置两顺槽发射点的间距为50 m，接收点距10 m，共计60个发射点、294个坐标接收点。针对每个发射点，在另一巷道与之对称点附近一定区段进行扇形扫描接收，每个发射点一般对应10～20个接收点。施工时采用15 Hz、120 Hz双频点进行测量。5煤底板下60 m范围内砂泥岩和灰岩的富水异常情况见图3.

图3 首采面底板下0～60 m层段音频电穿透平面异常图

工作面底板下0～60 m层段范围内地层综合电导率值为0.33～1.13 S/m，平均值为0.66 S/m，标准偏差为0.12 S/m，根据数据统计选定异常阀值为0.75 S/m，即综合电导率值大于阀值的为异常区。首采面0～60 m层段范围内共发现5处异常区段。1号异常主要在上巷0#点沿巷道向东北50～70 m以及下巷0#点沿巷道向东北0～50 m，异常范围相对较小，异常幅值相对较弱；2号异常主要在下巷0#点沿巷道向东北210～230 m、300～340 m、410～430 m，异常范围相对较小，异常幅值相对较弱；3号异常主要在上巷0#点沿巷道向东北490～550 m、580～610 m以及下巷0#点沿巷道向东北500～640 m，异常范围相对较大，异常幅值相对较强。4号异常主要在上巷0#点沿巷道向东北850～920 m、1 100～1 120 m、1 250～1 360 m以及下巷0#点沿巷道向东北760～780 m、840～950 m、1 050～1 250 m，异常范围相对较大，异常幅值相对较强。5号异常主要在上巷0#点沿巷道向东北1 420～1 430 m、1 500～1 530 m以及下巷0#点沿巷道向东北1 400～1 420 m、1 540～1 560 m，异常范围相对较小，异常幅值相对较弱。

2.2.2 直流电法测深技术

直流电法测深[5-7]设计点距为10 m，回风巷布置147个物理点，进风巷布置147个物理点，选取最小极距20 m，最大极距120 m的三极装置进行探测，探测深度可达80 m. 首采面直流电测深视电阻率断面异常图见图4.

1) 上巷底板视电阻率断面异常特征。

上巷底板下共存在5处低阻异常区。1号异常位于0#点沿巷道向东北0～60 m，异常范围相对较小，异常幅值相对较弱，异常主要集中在底板下20～80 m；2号异常位于0#点沿巷道向东北170～280 m、300～320 m，异常范围相对较小，异常幅值相对较弱，其中170～280 m异常中心主要集中在深部，300～320 m异常主要集中在底板下40～60 m；3号异常位于0#点沿巷道向东北360～560 m、560～680 m，异常范围相对较大，异常幅值相对较强，其中360～560 m异常主要集中在中深部，560～680 m异常主要集中在浅部；4号异常位于0#点沿巷道向东北840～960 m、970～1 020 m、1 110～1 220 m，异常范围相对较大，异常幅值相对较强，970～1 020 m异常范围较小，仅在80 m以深层段发育；5号异常位于0#点沿巷道向东北1 250～1 400 m、1 530～580 m，异常范围相对较大，异常幅值相对较强。

2) 下巷底板视电阻率断面异常特征。

下巷底板下共存在5处低阻异常区。1号异常位于0#点沿巷道向东北0～80 m、100～140 m，异常范围相对较大，异常幅值相对较强，其中0～80 m异常主要集中在中深部；2号异常位于0#点沿巷道向东北170～220 m、260～290 m，异常范围相对较小，异常幅值相对较弱；其中170～220 m异常主要集中在深部，260～290 m异常主要集中在底板下30～60 m；3号异常位于0#点沿巷道向东北450～520 m、560～600 m，异常范围相对较大，异常幅值相对较强；其中450～520 m异常贯穿整个探测深度，520～640 m异常主要集中在浅部。4号异常位于0#点沿巷道向东北870～960 m、1 040～1 160 m、1220～1 240 m，异常范围相对较大，异常幅值相对较强；其中870～960 m、1 040～1 160 m异常贯穿整个探测深度，1 220～1 240 m异常仅集中在底板下40～70 m；5号异常位于0#点沿巷道向东北1 340～1 440 m、1 520～1 560 m，异常范围相对较大，异常幅值相对较弱。

3 注浆钻孔布置

3.1 钻孔平面布置

依据物探成果显示低阻异常区、构造发育块段重点加密布设钻孔，其他区域兼顾探查治理原则，对首采面注浆钻孔进行钻探钻孔参数设计。注浆钻孔平面布置图见图5.

3.2 钻孔结构

钻探钻孔结构：开孔孔径为d133 mm，钻进16 m，下入15 m，d108 mm×6 mm地质套管，固管扫孔后更换d75 mm钻头继续钻进至终孔。注浆钻孔结构见图6.

图5 注浆钻孔平面布置图

图6 注浆钻孔结构图

3.3 钻孔终孔层位

根据《煤矿防治水细则》要求，带压开采矿井采用底板治理工程后，突水系数应小于0.1 MPa/m. 结合该治理区域水文地质条件进行计算，突水系数T取0.1 MPa/m，奥灰水位取+1 080～+1 090 m，5号煤层底板标高取+935～+1 090 m，隔水层厚度取34.8 m，工作面采后底板破坏带发育深度按25 m考虑。

依据突水系数计算公式：

T=P/M

式中：

T—突水系数，MPa/m；

P—奥灰水压，MPa；

M—隔水层厚度，m，取34.8.

可得：M=P/T

其中：P=[H1-(H2-M-M3)]/100

式中：

H1—奥灰水位，m，取1 090；

H2—煤层底板标高，m，取935；

M3—奥灰改造厚度，m.

当T取0.1 MPa/m时，M3奥灰改造厚度为10 m；当T取0.06 MPa/m时，M3奥灰改造厚度为26 m.

在极限情况下，回采后底板破坏深度达到35 m，隔水层完全失效，在这种情况下需要改造的奥灰含水层厚度为21 m(突水系数取0.1 MPa/m). 综合以上分析，注浆改造奥灰含水层厚度不得小于10 m，考虑一定的安全系数，该次注浆层位选择在奥灰顶面下10～20 m较为适合。

4 注浆治理工艺

针对首采面底板的富水性不均一、隔水层薄的特点，设计分段下行注浆工艺方法。采用高压射流制浆机进行制浆，可注性较好，浆液比较细腻且流动性强，单孔的注浆量高，可以减少钻孔的数量。注浆主要是将岩层裂隙进行封堵，根据钻孔的出水量和吸浆量，对浆液密度进行调整，水灰比在(3∶1)～(1.5∶1)，密度在1.20～1.37 g/cm3. 注浆工艺流程见图7.

图7 注浆工艺流程图

1) 注浆原则。对煤层底板进行钻孔注浆时，要确保注浆的连续性，减少钻孔的工作量，对导水通道及底板裂隙进行有效封堵。如果一个单孔的注浆量大于2 000 m3时，可以选择在注浆的过程中留有间歇，一般为4 h，在间歇期间，要确保将注浆管路清洗干净，如果在采用间歇方式后仍然达不到工程要求，可采用注固体材料的方式进行加固。

2) 注固体材料。注浆材料以PO42.5水泥为主。在进行注浆的过程中，如果出现注浆压力长时间保持稳定，或者巷道的底板出现跑浆等状况，则需要更改注浆材料，使用锯沫、大豆、海带丝等固体材料对导水裂隙进行充填。在吸浆池中均匀地撒上锯沫，要注意控制锯沫的撒入量，不能影响泵的正常运转，或是在井下的孔口处安装注入器，将海带丝和大豆等固体材料输送到钻孔中。

3) 终孔标准。在注浆完成后，设计的终孔压力为3 MPa，在一档注浆达到所设定的压力后，需进行二档注浆，注浆时要保持恒定压力10～30 min，完成后方可结束注浆。

5 效果评价

单孔注浆量较大的钻孔，可以分为两类：其一是涌水量较大的钻孔，单孔涌水量介于14～100 m3/h，这类钻孔吃浆量较大，注浆浆液进入受注层位后，裂隙较发育，导水通道较通畅，浆液迅速扩散，因此单孔注浆量较大；其二是钻孔涌水量较小，但钻孔揭露断层等构造，受断层带内地层不完整、胶结程度差、裂隙带发育等因素影响，该类钻孔虽然涌水量小，但通道、裂隙发育，单孔注浆量依然较大。

切眼外侧DF53断层，注浆水泥用量97 t；进风巷外帮DF43断层，注浆水泥用量180 t；工作面内DF45断层，注浆水泥用量601 t；回风巷外侧DF40、DF41断层，累计注浆995 t；工作面内部其它低阻异常区累计注浆水泥用量2 900 t.

针对重点异常区和大型构造，在探查治理竣工后重新布置了24个检查孔，开展查缺补漏和前期治理效果检查，单孔涌水量小于1 m3/h，证明治理效果较好。截止2021年5月，该工作面已安全回采过半，未发生底板涌水事件，从回采效果上充分证明了底板注浆治理工艺在山西宁武榆树坡煤矿得到了成功应用。

6 结 论

1) 采用综合物探技术手段对工作面内构造发育情况和富水异常区情况进行探查。经过钻探验证，综合物探成果较为准确，可作为钻探探查设计的参考依据。

2) 通过超前区域治理加固隔水层-改造含水层，可以实现薄隔水层条件下奥灰安全带压开采，具有较好的经济效益。

Treatment Technology for Abnormal Water-rich Area in Floor of 5105 Working Face in Yushupo Coal Mine

DI Yinglong

AbstractThe first mining face of No.5 coal seam in Yushupo coal mine is a working face under water pressure, and there are many faults inside the working face, which increases the possibility of water inrush from the floor during mining. In order to realize safe mining under water pressure on this surface, comprehensive geophysical methods are adopted to explore structural development areas and water-rich abnormal areas on the working face before mining, and the floor advanced pre-grouting technology strengthens the water-resistant layer. Through the floor grouting treatment process, the safety mining under pressure has been realized on this face, and good economic benefits have been obtained. It has provided water prevention and control ideas for the mine and surrounding mining shafts under water pressure, and the social benefits are significant.

KeywordsMining under safe waterpressure of aquifer; Integrated geophysical exploration techniques; Structural development area; Water-rich abnormal area; Advanced pre-grouting