矿井煤层底板承压水防治措施与应用研究

2022-04-08雷薪雍

能源与环保 2022年2期

钟凯，雷薪雍，王涛

(1.榆林职业技术学院，陕西榆林 719000； 2.神府开发区海湾煤矿有限公司，陕西榆林 719000)

随着我国社会经济总量的不断提升，对煤炭资源的需求量也越来越高[1]。我国煤矿主要位于地下，在进行煤矿开采过程中不可避免地会涌现出很多地下水[2]。地下水如果不加以有效防治，轻则会对煤矿开采过程造成不利影响，制约煤矿开采效率的提升，严重时可能引发煤矿安全事故，威胁工作人员的安全[3]，做好防治水害工作是所有矿井面临的重要问题。基于此，有必要结合实际情况对矿井突水机理及相关防治技术进行深入分析和研究[4]。针对该问题，国内外很多学者和技术人员开展了广泛的研究并取得了很多实践成果，为矿井防治水害工作的不断推进奠定了良好的基础[5]。本文主要以某煤矿为例，分析了矿井防治水害的基本情况，值得其他煤矿企业借鉴。

1 矿井基本情况概述

1.1 井田特征及主要水体

井田的南北走向长度2.7 km，东西走向长4.5 km，井田面积将近10 km2。当前已经批准多个煤层可以开采，每年开采得到的煤矿资源达到了150万t。然而在煤矿开采过程中，矿井内涌出了大量地下水，正常情况下的涌水量达到了333.5 m3/h，严重时涌水量可以达到683.5 m3/h。

基于地理分析发现，该井田周围主要的大型水体有3个：第1条河流处在矿区的南边，在井田范围内由西向东北方向流动，查阅水文资料可知河流最低的流量为0.000 6 m3/s，而实际测量发现洪峰流量达到了80 m3/s；第2条河流在矿区的西南侧，距离矿区约10 km，查阅资料发现该河流曾经出现过断流现象，实际测量的洪峰流量达到了251 m3/s；第3个为水库，处在矿井附近，是矿井地表水的重要来源，水库的坝顶长度为126 m，坝高为19 m，水库的总体容量和有效容量分别为104×194 m3和104×150 m3。

1.2 水文地质特征

本文主要以11100掘进工作面为例，阐述矿井煤层底板承压水防治措施及实践应用效果。

(1)煤层底板含水层。底板主要包含3层含水层：①中澳陶统灰岩含水层。主要包括泥质灰岩和白云质灰岩等，该含水层与11100掘进工作面煤层底板之间的距离在118.3～142.6 m，内部包含有很多裂隙并且出现了一定程度的发育。经过探测发现，其渗透系数为0.7 m/d，稳定状态下其水位标高为+87 m；②下段灰岩含水层。该含水层主要由L2、L3灰岩等部分构成，其中L2灰岩的发育相对较好，平均厚度大约为15 m。与11100掘进工作面底板之间的距离在89.3～104.4 m。经地质探测发现，其水位标高为+86.2 m，渗透系数为9.88 m/d，属于富水层；③上段灰岩含水层。该含水层主要由L7、L8、L9灰岩等部分构成，其中L8灰岩整体上发育相对较好，其平均厚度为8.75 m，岩溶裂隙出现了一定程度发育。经过地质勘探发现,其渗透系数在9.8～11.0 m/d，与11100掘进工作面底板之间的距离在24.0～36.9 m。煤层底板主要含水层及其位置关系如图1所示。

图1 煤层底板主要含水层及其位置关系示意Fig.1 Schematic diagram of main aquifers in coal seam floor and their positional relationship

(2)煤层底板主要隔水层。底板主要包含3层隔水层：①铝质泥岩隔水层。该隔水层位于中奥陶统灰岩含水层和下段灰岩含水层中间，整个区域范围内都出现了明显的发育。其厚度为2.8～ 28.9 m，平均厚11.8 m，性质较为稳定，隔水性能相对较好，但是在局部厚度较小并且构造不稳定的区域其隔水性能会有所下降。②中段砂泥岩隔水层。该隔水层位于下段灰岩含水层和上段灰岩含水层中间，主要由泥岩、砂岩和灰岩等部分构成，厚度28.9～ 53.3 m，可以阻断L2灰岩和L8灰岩之间的水联系。③砂泥岩隔水层。该隔水层位于上段灰岩含水层和煤层底板之间，主要由细粒砂岩构成，还包含有部分黑色块状泥岩，厚24.0～ 39.9 m，平均厚度31.9 m。通常情况下，该隔水层可以很好地阻断底板地下水进入到煤层工作面中。

2 井田水文地质钻孔实测结果分析

为了对11100掘进工作面的水文地质情况进行研究，在整个工作面共布置了22个钻场，部分钻场布置多个钻孔，整个工作面共完成钻孔25个。11100采掘工作面钻孔的布置情况如图2所示，由图2可知，钻孔主要布置在工作面的运输巷中。

图2 11100掘进工作面钻孔的布置情况Fig.2 Layout of boreholes in 11100 tunneling face

11100掘进工作面钻孔数据及结果统计情况见表1。由表1中数据可以看出，19号钻场的23号钻孔的承压值最大，达到了0.76 MPa。经过前期开展的大量地质勘查发现，11100掘进工作面所处的地质以寒武系灰岩和石炭系灰岩为主，但2种灰岩之间的水联系相对较少。寒武系灰岩包含有大量的地下水，并且呈现出纵向、孤立的分布特点，横向的连续性相对较差，相互之间不连通。

表1 11100采掘工作面钻孔数据及结果统计Tab.1 Drilling data and result statistics of 11100 mining face

通过对工作面钻孔结果数据的研究，并结合已有的文献资料发现，11100掘进工作面的水文地质情况可以划分为2个区域，分别为简单区域(突水威胁区)和复杂区域(突水危险区)。复杂区域通过钻孔发现包含有很多水，涌水量相对较大，且水压很大，灰岩之间的水具有很好的连通性。简单区域通过钻孔发现涌水量相对较小，径流和水压都较小，灰岩之间的水均呈现出孤立状态，相互之间不联通。

3 矿井煤层底板突水机理和危险性分区

3.1 突水机理分析

掌握矿井煤层底板发生突水的原因是对其进行治理的基础和前提。煤层附近的围岩可以分为不同的富水区，不同区域存在隔水岩层将其进行隔离，相互之间不连通。但是在掘进过程中，设备会对附近的围岩造成扰动，再加上静水压力的综合作用，会导致隔水岩层产生裂缝并不断变粗变长[6]。缝隙的不断变粗变长会导致隔水岩层的强度降低，当静水压力超过了岩层强度时，会导致岩层彻底破裂，从而导致2个富水区连通，最终大量的水从底板涌入工作面[7]。

基于流体力学理论可知，缝隙水流从底板突出时，其水流可以近似成为2种形式的组合，分别为剪切流和压差流[8]。但是在不同时期2种水流的主导地位存在一定程度的差异。在突水形成刚开始阶段，压差流占主要地位，在突水后期则是剪切流占主导地位。

3.2 突水危险性分区

关于矿井煤层底板发生突水的临界标准，我国学者和技术人员开展了很多研究，目前普遍通过突水系数来评判突水的危险性。突水系数描述的是单位隔水岩层能够承受的最大极限静水压力，实践中可以用下述公式进行计算：Ts=P/(M-Cp)。式中，Ts为突水系数，P和M分别为隔水岩层的承压值和厚度；Cp为底板采动造成的破坏带深度。

根据突水系数计算值的大小，可以按照发生突水的概率，将整个工作面区域划分成为3种类型，即突水安全区、突水危险区和突水威胁区。①突水安全区，表示隔水岩层的强度能够承受静水压力的作用，这部分区域基本不会发生突水的危险；②突水威胁区，表示隔水岩层的抗压强度与实际静水压力之间数值相接近，特殊情况下有发生突水的可能性，根据突水系数计算结果，将突水系数在0.06 MPa/m的区域称之为突水威胁区；③突水危险区，该区域表示隔水岩层的强度值比静水压力值要小很多，发生突水的概率非常大，危险性相对较高，实际计算中将突水系数不小于0.06 MPa/m的区域称为突水危险区。

11100掘进工作面不同标高部位的突水系数计算结果如图3所示。由图3可知，11100掘进工作面底板位于不同标高时，计算得到的突水系数存在很大的差异。底板标高为-450、-500、-550 m时，突水系数分别为0.007、0.029、0.051 MPa/m，这些突水系数均没有超过0.06 MPa/m，所以这些区域全部为突水威胁区；当工作面底板标高为-600、-650 m时，对应的突水系数分别为0.073、0.096 MPa/m，这些突水系数均超过了0.06 MPa/m，所以这些区域全部属于突水危险区。

图3 工作面底板不同标高部位的突水系数Fig.3 Water inrush coefficient at different elevations of working face floor

4 防治措施

4.1 矿井综合探测技术方法

本研究中使用的矿井综合探测技术方法如图4所示。

图4 矿井综合探测方法Fig.1 Comprehensive mining method

共使用探放水专用钻机12台，分为2种型号(ZLJ1600型和ZLY537型)，另外还使用了磁电流量仪、瑞利波探测仪、高分辨电法仪和音频仪各1台。以上这些先进的仪器设备为矿井综合探测工作奠定了良好的基础。

在采掘工作面开口部位开始进行物探，工作面每推进70 m开展一次物探工作，物探有效距离需要严格控制在100 m范围以内，超前距需要控制在30 m以上。在进行超前物探过程中，如果发现存在低阻异常情况需要停止掘进，应该先通过超前钻探对前方地质情况进行检测，验证无危险后再继续掘进[9]。如果验证后发现前方确实存在富水区，应结合实际情况补充疏水降压钻孔。矿井综合探测流程图如图5所示。

图5 矿井综合探测流程Fig.5 Flow chart of comprehensive mine exploration

4.2 矿井水害隐患分析及水文水害预报编制

矿井中安排了专门的矿井水害防治人员。工作人员应该结合已有的工作面地质和水文地质资料，结合工作面的实际地质勘查情况，分析矿井煤层工作面可能存在的水害隐患，在此基础上制定水文水害预报。预报中需要明确工作面中存在的充水水源，并对潜在的涌水量进行理论计算，以上工作严格根据《煤矿防治水细则》执行。由于11100掘进工作面经过前期分析认为存在水害威胁，在掘进施工过程中必须根据前期设计的防治水方案执行。针对工作面实施超前物探或者钻探，提前掌握掘进工作面前方的基本情况，并提前采取措施解决水害隐患，避免工作面涌水量过大威胁矿井安全。必须由地质探测人员确认安全后，才可以进行掘进施工。

4.3 疏水降压技术

根据前期勘探数据结果，按照水文水害危险程度，可以将整个工作面的水文水害情况划分成为3个区域，即突水危险区、突水威胁区和安突水安全区，以上3个区域的危险程度依次降低。针对不同的区域需要采用不同的处理措施，其中安全区无需采取特殊的措施。对于突水威胁区和危险区，构建完善的排水系统是确保疏水降压工作顺利推进的前提和基础。

本文所述矿井的主排水系统设置在-450 m的部位，设计的水仓容量大小超过了1万m3。共设置了5台水泵，水泵型号为MD580-60×9，其中2台水泵处于工作状态，2台水泵处于备用状态，1台水泵处于检修状态，所有水泵采用双供电线路，通过冗余供电确保设备运行过程的可靠性。排水管路用厚14 mm、直径377 mm的无缝钢管，共设置了4条管路，其中2条管路处于工作状态，2条管路处于备用状态。经过前期测试发现，排水系统的最大排水能力和正常排水能力分别为2 100、1 080 m3/h，可以满足实际使用需要。

另外，在11100掘进工作面中设置了完善的排水系统，工作面排水仓与矿井排水系统连接。工作面排水仓中使用2台200D-43×3型电机，所有电机采用双回路进行供电。

4.4 底板注浆加固技术

煤层厚度在3.83～ 9.98 m，平均厚6.17 m。煤层的平均埋藏深度大约为550 m，水头压力大约为7.6 MPa，经过计算分析，突水危险区的突水系数达到了0.096 MPa/m。随着科学技术水平的不断提升，不同时期矿井工作面底板的注浆加固工艺在不断发生变化。

根据传统的底板注浆加固工艺，如果掘进工作面的高度为3 m时，需要注浆加固的深度为60 m，如果掘进工作面的高度为5.5 m时，那么对应的加固深度需要控制在82 m，进行钻孔注浆时，孔间距需要设置为50 m，注浆过程中压力控制在15 MPa。王伟东等在对新桥煤矿进行防治水工作时，结合实际情况创新设计了方格网布孔注浆法(图6)。这种注浆加固工艺方法突破了传统的主要根据实践经验来设置注浆工艺的局面，使注浆加固效率和效果均得到了很大的提升[10]。

图6 煤层底板的注浆加固技术示意Fig.6 Schematic diagram of grouting reinforcement technology for coal seam floor

本文所述的煤矿工作面整体上呈现出水压大、富水性强以及隔水层薄等不良特征，给防治水工作带来了比较大的难度。结合煤矿工作面底板实际情况，基于传统的注浆加固工艺，设计研究了注浆加固艺方法。具体如下：为了提升制得的浆液的可注性，采用分散制浆机来获得浆液；另一方面，为了避免注浆过程中发生堵塞或者其他问题，采用多路输浆管进行注浆，结合不同位置实际情况设计了二级和三级套管结构，通过这种措施可以在很大程度上提升管道的强度，防止发生喷射问题。

二级和三级套管结构如图7所示，通过这种反复透管注浆的方式，能在一定程度上提升注浆效果。单孔注浆结束的标准如下：在保证注浆压力控制在15 MPa基本不变的情况下，如果注浆量不超过30 L/min，并且这种状态持续20 min以上，凝固时间超过30 h以上才能够透孔，通现检测发现实际的涌水量不超过5 m3/h。达到以上所有标准才视为注浆工艺合格；如果达不到上述标准，则需要进行反复注浆，直到达到以上标准为止。

图7 二级和三级套管结构的示意Fig.7 Schematic diagram of secondaryand tertiary casing structure

5 治理效果分析

在对矿井煤层底板承压水进行深入分析的基础上，提出了对应的防治水技术方案，并将其应用到煤矿开采工程实践中，取得了较好的应用效果。以11100掘进工作面为例，目前在该工作面累积的疏放水量达到了2万m3，工作面底板的钻孔承压值由最大时的0.76 MPa降低到了0，有效解决了底板突水对煤矿掘进过程构成的威胁，保障了煤矿生产的安全性。截至目前，该煤矿所有工作面均没有出现明显的底板突水问题，说明本文所述的防治水技术方案是科学、有效的，值得其他煤矿企业借鉴。