陈四楼煤矿21210 工作面底板水害治理技术研究

张 振 沈 冰

（河南龙宇能源股份有限公司陈四楼煤矿，河南 永城 476600）

1 概况

陈四楼煤矿位于永城隐伏背斜的西翼，地层整体为NWW 倾向的单斜构造，与上覆第四系不整合接触。区内断层、褶皱构造发育，主采山西组二2煤层。矿井含水层从上到下为第四系孔隙含水组、砂岩裂隙含水组、灰岩岩溶裂隙含水组，对井田深部开采威胁最大的是太原组溶洞裂隙承压含水组[1]。

21210 工作面标高-482.7～ -531.2 m，走向长793.1～807.8 m，倾斜长125.7～180.8 m，总面积13.65 万m2。据井下钻孔及巷道实际揭露地质资料，工作面平均煤厚2.37 m，煤层平均倾角8°。

2 水文地质条件分析

工作面二2 煤层顶、底板砂岩裂隙水是工作面的直接充水水源，单位涌水量为0.000 925～0.016 3 L/s·m，水温19～26 ℃，以静储量为主，对工作面影响较小。

二2 煤下距太原组L11灰岩45.05 m、L10灰岩54.15 m、L9灰岩62.63 m、L8灰岩72.29 m，平均厚度分别为2.09 m、2.8 m、4.5 m、7.1 m，煤层与灰岩由泥岩、砂质泥岩和砂岩相隔，如图1。

图1 21210 工作面地层综合柱状图

21210 工作面充水通道为断裂构造裂隙带，受褶曲及断层构造带影响，工作面底板隔水层受到破坏，底板含水层可以通过破坏带进入工作面。同时，由于构造影响，太原组上段灰岩含水层之间发生水力联系，形成供水水源[2]。

3 底板水害治理

3.1 治理层位选择

21210 工作面标高范围为-482.7～ -531.2 m，根据太原组上段灰岩含水层水位标高推断煤层底板静水压力3.08～3.56 MPa。采煤工作面安全水头压力值计算公式[3-4]：P=TS×M，则M=P/TS。

工作面底板灰岩静水压力取最大值3.56 MPa，21210 工作面按具有构造破坏的地区计算安全隔水层厚度：M=P/TS=3.56÷0.06=59.3 m。

由以上计算可知，工作面安全回采所需隔水层厚度为59.3 m。L10灰岩距离二2 煤层54.15 m，灰岩厚度2.8 m，根据周围钻孔资料L9灰岩底部距离L10灰岩5.68 m，为以泥质砂岩为主的安全隔水层，因此将治理目的层选为L10灰岩底部。

3.2 注浆改造

3.2.1 物探探查

在进行底板注浆改造前首先采用瞬变电磁勘探手段对工作面进行勘探[5]，在工作面底抽巷布置2条勘探线，探查结果如图2。

图2 工作面瞬变电磁勘探图

由勘探测线的视电阻率值剖面图可知工作面内基本不存在低阻值异常区，仅在工作面上端存在阻值为4 的值，且深度位于底板以下80 m。

3.2.2 钻孔布置

参考物探结果，工作面内基本不存在物探异常区，钻孔设计主要以范围探查为主，布置较稀疏，落点间距较大，以达到既保证工作面回采安全，又降低治理成本的目的[6]。因此在工作面底抽巷共设计钻机窝3 组，设计钻孔20 个，钻探工程量2177 m。钻孔布置如图3。

图3 21210 工作面底板注浆钻孔布置图

为保证注浆改造效果，揭露更多底板裂隙，注浆孔裸孔钻进期间钻孔直径89 mm，采用下放套管方式加固。一级孔口管开孔直径133 m，二级孔口管开孔直径113 mm，一级孔口管直径127 mm，二级孔口管直径108 mm。

3.3 施工工艺及材料选型

（1）钻孔施工工序主要包括：钻孔布置→开孔→下套管→注浆加固套管→透孔试压→预注浆→揭露含水层→钻进→地面注浆→封孔。

（2）钻探施工选用ZDY3200S 型全液压钻机及其配套设施，井上井下注浆设备分别选用2TGZ-60/210 型、3NBB-260/7 型泥浆泵。

（3）采用下行注浆方式，注浆材料采用水泥单液浆，浆液浓度1.15～1.30 t/m3。

（4）注浆结束标准为：根据灰岩含水层静水压力，确定工作面注浆封孔终压为10 MPa。

3.4 治理效果分析

3.4.1 钻孔注浆、出水量分析

工作面未出现单孔出水量大于10 m3/h 的钻孔，目标层仅有1 个钻孔出水量3 m3/h，未出水钻孔共计21 个。表明该区段钻孔基本不出水，区域灰岩段裂隙不发育，整体不具富水性。21210 工作面钻探注浆分析见表1。

表1 21210 工作面钻探注浆分析表

3.4.2 物探、钻探结果分析

该工作面采用瞬变电磁物探对工作面内煤层底板富水性进行了探查，指导钻孔设计。根据工作面的瞬变电磁视电阻率剖面图分析，工作面内底板完整性及连续性较好，探测范围内灰岩富水性较差，裂隙不发育。结合钻孔探查情况，工作面目的层仅一个钻孔出水，且不大于3 m3/h，物探成果与钻探成果一致，说明该区域煤层底板至太原组上段灰岩60 m 范围内基本不具富水性。

3.4.3 断层控制分析

施工期间重点对工作面内及落差较大的断层进行了探查和控制，目标层位除1 个钻孔出水3 m3/h外，其余钻孔均未出水，证明断层发育区域太原组上段灰岩基本不富水，且施工期间岩性较完整，未出现塌孔等异常现象，底板裂隙不发育。

3.4.4 突水系数分析

21210 工作面底板注浆改造工程目的层位实际揭露孔口水压0.7 MPa，煤层底板承受太原组上段灰岩水压为1.3 MPa，根据突水系数计算公式：T=P/M。

底板注浆改造后二2 煤底板有效隔水层厚度为60 m，最大水压1.3 MPa。则该工作面突水系数：T=P/M=1.3/60=0.022 MPa/m。经计算，该工作面经底板改造后突水系数小于0.06 MPa/m，满足《煤矿防治水细则》要求，无突水威胁。

21210 工作面底板注浆改造工程自2020 年9 月2 日开始施工，至2020 年10 月30 日施工结束，共施工3 组钻场，工作面内施工底板改造钻孔22 个，总钻探进尺3154 m，注浆量139.2 t，单孔最大出水量3 m3/h，水压范围0.7～1.3 MPa，单孔最大注浆量40.7 t。通过钻探、物探及对断层、突水系数分析，工作面水害治理效果较好，底板不具富水性，断层不具导水性，可安全回采。

4 结语

（1）根据工作面已揭露的实际情况及实钻资料，21210 工作面断层不具导水性，底板改造期间重点对断层附近太原组上段灰岩含水层进行了探查，经探查断层附近太原组上段灰岩基本不富水，且钻孔施工过程中岩层层序稳定，未出现塌孔、破碎等裂隙发育异常现象，底板完整性好。

（2）21210 工作面采用物探方法从多个角度进行探查，经探查工作面内不存在异常区，与钻探结果相吻合，表明工作面内底板完整性及连续性较好，裂隙不发育。

（3）21210 工作面评价范围内底板注浆改造后，突水系数为0.022 MPa/m，满足《煤矿防治水细则》要求，工作面不存在突水威胁，可以安全回采。