顾北煤矿A组煤首采区灰岩水害探查治理技术探讨

2022-02-11蔡有京窦春远

中国煤炭 2022年1期

蔡有京，窦春远，魏健

(淮浙煤电有限公司顾北煤矿，安徽省淮南市，232001)

矿井水害一直以来是两淮煤田的重大灾害之一，严重威胁着矿井的安全生产[1-2]。虽然浅部煤炭资源逐渐枯竭，但深部煤炭资源储量丰富、煤质较好，因此，煤矿逐步向深部水平延伸开采，不得不面临灰岩水害的威胁。近年来，两淮矿区发生过较大的灰岩突水事故，如2013年2月3日淮北矿业集团桃园煤矿发生一起奥灰陷落柱突水，事故造成1人死亡，矿井被淹；2017年潘二煤矿“5·12”灰岩突水事故，最大突水量为14 520 m3/h，事故造成矿井被淹[3-4]。深部灰岩水一旦通过导水通道涌入工作面，就会造成难以估计的经济损失和恶劣的社会影响。笔者以淮南矿区顾北煤矿南-1煤采区为研究对象，系统分析了深部灰岩水害探查治理技术方法[5-7]，论证了防治水工程治理效果。

1 研究区水文地质条件

淮南矿区根据断层分布及富水性特征将水文地质单元划分为南、中、北三大类，而中部和南部单元又分别有3～4个亚类，即中-1～中-3和南-1～南-4。淮南矿区水文地质划分如图1所示。顾北煤矿南-1煤采区含水层自上而下有新生界松散含水层、二叠系煤层砂岩裂隙含水层及深部灰岩岩溶裂隙承压含水层。

图1 淮南矿区水文地质划分

在井下实际生产期间，松散含水层不会造成威胁，而在煤岩巷掘进期间，煤系砂岩水常以淋、滴水为主，通常也不会造成突水威胁。研究区内A组煤层底部太原组灰岩岩溶裂隙承压含水层由于水压较高，且隔水层间距较小，对工作面开采构成的威胁较大。

同时区内奥灰钻孔揭露资料显示，奥灰厚度65.4～68.9 m，区内补勘钻孔抽水试验资料显示，单位涌水量q为0.000 46～0.000 70 L/(s·m)、渗透系数K为0.000 63～0.000 97 m/d，富水性弱。通常在没有垂向导水通道或陷落柱发育区域内，奥灰水与上部太灰水之间的水力联系较弱。

2 研究区灰岩疏放性试验

为查明南-1煤采区C3Ⅰ组灰岩含水层岩溶发育、富水性、渗透性等特征及其空间变化规律，查明C3Ⅰ组灰岩含水层与下部相邻含水层C3Ⅱ组、C3Ⅲ组灰岩含水层以及奥陶系和寒武系灰岩含水层之间水力联系，确保受灰岩水影响矿区A组煤层安全开采，顾北煤矿先后在南-1煤采区对C3Ⅰ组灰岩含水层实施两期多阶段井下灰岩群孔放水试验工程[8]。

第一期放水试验于2020年3月、12月分两阶段在13121运输巷底抽巷开展井下C3Ⅰ组灰岩群孔放水试验。试验实施期间(2020年3月20日-29日、2020年12月7-23日)利用地面27个水位观测孔、129个灰岩钻孔对C3Ⅰ组灰岩含水层的疏放情况进行研究分析。

通过收集放水试验过程中水位、水压及水温变化资料，表明浅部灰岩含水层与试验区域深部灰岩含水层之间水力联系不密切，采区A组煤底板灰岩含水层以静储量为主，岩溶裂隙不发育，C3Ⅰ 组含水层与下部灰岩含水层之间的补给和径流条件较差，C3Ⅰ 组含水层具有“衰减快、易疏放”的特点。

2021年4-5月开展了顾北煤矿南-1煤采区第二期群孔放水试验，本次放水试验选取37个试验孔，其中井下放水及测压孔24个，包含13121运输巷底抽巷C3Ⅰ组灰岩疏放水孔1个，地面灰岩水位观测孔13个。地面观测孔的位置分布如图2所示。

图2 地面观测孔位置分布

在对井下灰岩钻孔进行疏放试验期间，通过动态监测地面灰岩观测孔水位变化情况，如图3～图5所示，井下灰岩疏放水体主要为C3Ⅰ组灰岩水体，在疏放及恢复过程中，采区内C3Ⅲ组、奥陶系、寒武系灰岩组水体水位未有明显变化。此现象分析认为：采区内C3Ⅰ组灰岩水体与深部奥陶系、寒武系灰岩水体之间未存在水力联系，同时反映采区地面区域探查治理工程效果显著，成功封堵了C3Ⅰ组灰岩水体与深部C3Ⅲ组、奥灰含水层水体之间的垂向裂隙通道。

图3 C3Ⅰ组灰岩含水层水位曲线

图4 C3Ⅱ及C3Ⅲ组灰岩含水层水位曲线

图5 奥灰和寒灰含水层水位曲线

3 研究区地面区域探查治理

从注浆设计原则中钻孔间距的合理性角度进行研究分析，运用COMSOL Multiphysic数值模拟不同注浆参数下水泥浆液在灰岩地层中的扩散规律[9-10]。本次研究注浆参数以注浆压力7 MPa，粘度系数0.008 Pa·s，水灰比1.9为基准，通过修改注浆压力P、粘度系数μ和水灰比R等参数，罗列出4种工况进行注浆模拟分析，具体情况见表1。不同工况条件下浆液扩散模拟如图6所示。

表1 不同工况条件下的注浆模拟

图6 不同工况条件下浆液扩散模拟

图6中棕色区域为浆液充填完全密实区，其范围外有一层半密实区浆液扩散圈层，再往外延伸至无压区。当浆液扩散至半密实区边缘时，注浆压力显著降低，注浆效果较差，在密实区范围时，注浆压力较大，岩层中的裂隙被浆液完全充填，注浆效果较好。

通过对以上4种工况条件进行模拟分析，探究出注浆参数与浆液有效扩散半径之间的关系，为实际地面区域治理工程中注浆参数选择提供一定的理论指导。本次研究的各种工况条件下浆液有效扩散半径见表2。

表2 浆液扩散半径数值模拟结果 m

由注浆工程质量分析结果可知，采区内所有注浆孔压力均在7.0 MPa以上，注浆孔间距为60 m。浆液扩散范围数值模拟结果显示，注浆压力为7.0 MPa时，岩体浆液有效扩散半径为30 m以上，并且随着注浆压力的增大，浆液扩散半径呈现明显的增大趋势；粘度系数与浆液扩散半径呈现负相关关系，即粘度系数越小，扩散半径越大；水灰比与浆液扩散半径呈现正相关关系。综合以上4种工况分析：注浆压力对注浆扩散半径的影响最为明显，粘度系数次之，水灰比影响最小。

由于地面区域治理期间实际注浆参数标准要高于以上4种工况条件的标准，因此能够满足13521工作面底板探查治理工程中注浆钻孔间距60 m的要求，其钻孔设计方案是合理可行的。

4 研究区井下综合验证

地面区域探查及注浆治理结束后，利用井下钻探和物探相结合的方法对采区底板灰岩治理效果进行验证评价。

4.1 井下综合物探

采区内工作面回采前煤矿开展了多种物探工程，如三维电法、音频电透视法及瞬变电磁法综合探查煤层底板以下60 m范围内的相对低阻异常区分布情况，综合分析后共发现11处低阻异常区，分别为13121工作面D-YC1～D-YC4、13321工作面D-DZ1～D-DZ6及13521工作面D-DZ1。富水异常区具体位置如图7所示。