陶二煤矿深部底板承压水防治技术研究

李江锋

摘 要：陶二煤矿生产水平进入2#煤底板﹣380 m标高以来连续发生底板涌水事故，给安全生产带来很大影响，前期采用底板注浆堵水及工作面强排，没有取得很好效果。根据陶二井田第四勘探线至第十二勘探线之间，伏青灰岩下发育有巨厚层火成岩体的特殊情况，在采用长距离大口径斜孔疏水降压技术，由被动堵排变主动疏降，解决了困扰十年的回采工作面底板涌水影响安全生产的问题，为陶二煤矿底板承压水害的防治奠定了坚实的基础。

关键词：底板水;承压含水层;疏水降压;长距离大口径

中图分类号：TD823 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2022）03-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.018

陶二煤矿位于河北省邯郸市复兴区，矿井采用立井与暗斜井多水平联合开拓方式，矿井正常涌水量为880 m3/h，属水文条件复杂型矿井。

陶二煤矿自1982年投产以来，共发生涌突水事故24次。其中，顶板突水4次，小煤窑水突出1次，陷落柱突水1次，底板突水18次。

尤其是进入﹣380 m标高以后，连续发生了工作面回采底板突水事故，四下采區依次回采12421、12423、12425等7个工作面，7个工作面均发生底板突水，单点突水量最大为150 m3/h，曾造成4次采区、采面被淹灾害事故。

1 2#煤底板突水情况特征分析

陶二井田深部2#煤下部含水层共发生突水事件14次，突水情况统计如表1所示。

分析从表1可知，2#煤下部突水水源全部为伏青灰岩含水层和火成岩裂隙水。突水点垂直分布与井巷工程密集程度和开采强度密切相关，也与突水源富水性有关。根据表1，在﹣380 m～﹣500 m标高范围内的火成岩突水点皆为2#煤开采过程中的底板突水点。

陶二煤矿进入﹣380 m标高开采以来，连续发生工作面回采底板突水事故，随着开采水平的逐步延伸，使2#煤层底板承受的压力越来越大，增加了煤层底板突水概率[1]。

2 煤系地层局部含隔水层及火成岩特征

2.1 伏青石灰岩含水层

伏青石灰岩含水层上距2#煤层底板约55 m，下距巨厚火成岩约10 m～15 m，岩性为灰色隐晶质石灰岩，层位稳定。陶二煤矿在开采2#煤层时，分别在12421、12422和12423工作面底板发生伏青石灰岩突水事故，单点最大水量为150 m3/h。

据井检孔抽水试验资料，钻孔单位涌水量为0.00394 l/s·m，渗透系数为0.00854 m/d。水质类型为HCO3·SO4—Na型，矿化度为1 176 mg/l，水位标高为﹣200 m。由以上资料分析，伏青石灰岩含水层属富水性弱含水层。

2.2 局部隔水层特征

伏青石灰岩与野青石灰岩间距约34.53 m～60.77 m，岩性以粉砂岩、泥岩为主，同时也有厚度不等的火成岩侵入，均具较好的隔水性能。

野青石灰岩与2#煤层顶板砂岩间距约21.88 m～47.14 m，平均36.10 m，岩性中粉砂岩和泥岩占60%以上，具有良好的隔水性能，如图1所示。

2.3 火成岩侵入情况及特征

陶二煤矿煤系地层岩浆活动较强烈，有多层火成岩侵入，按火成岩侵入煤系地层层位的高低，本区火成岩以稳定的大青灰岩（L2）、伏青灰岩（L5）、野青灰岩（L7）等为界，自下而上分为h1（O2顶～L2）、h2（L2～L5）、h3（L5～L7）、h4（L7～1煤层）、h5（1煤层～P1s顶）五层。

其中，对2#煤层开采及含水层影响较大的是伏青灰岩下部h2火成岩，其厚度大，分布较稳定。h2火成岩在陶二矿井田第四勘探线至十二勘探线之间（主要生产区）伏青灰岩下发育有巨厚层火成岩体，该火成岩体呈岩盖侵入，钻孔最大揭露厚度为330.24 m（未穿透）。

火成岩厚度大，对煤系地层、煤层厚度及煤质均造成一定破坏，主要表现为巨厚岩浆在强大挤压作用下侵入伏青灰岩下，炽热的高温使上覆岩石脆性化，上挤的张力使上覆地层产生大量裂隙，采掘时破坏了地应力的平衡状态。随着地应力的释放，导致裂隙张开，并导通伏青灰岩含水层，造成底板突水事故。

本区突水水源主要来自2#煤层以下的伏青灰岩及巨厚火成岩承压含水层，该含水层水通过巨厚火成岩裂隙由奥灰水补给，由于火成岩裂隙发育规模较小，虽有奥灰水补给，水量却有限，但水压较大，水压力大是造成本区突水危险性增加的主要原因[2]。

因此，伏青灰岩下巨厚火成岩在2#煤层与奥灰含水层之间既是一个含水层又是一个相对隔水层，对奥灰水起到隔水作用。该区域2#煤开采不受奥灰承压水直接影响，矿井主要采取火成岩裂隙含水层治理措施，防止2#煤深部底板承压积水。

3 以往采取的技术措施及效果

3.1 底板注浆堵水和含水地层加固

在12424面进行底板注浆堵水和地层裂隙充填加固工作，是在该面出水后进行的，采场煤壁至采后25 m底板下20 m、25 m、30 m、40 m深度终孔并实施注浆情况。

在20 m深度内岩石破碎，横向、垂直水力联系均很强烈，注浆效果良好，吸浆量巨大，整个工程注入水泥约1 500 t，20 m以浅消耗水泥量1 000 t以上，约占70%以上。

20 m深度以下（深度约20 m～39 m）的钻孔出水量小，横向、垂直水力联系性差，仅主要突水通道进浆量稍大，垂直联系较强，而其他部位注浆效果较差，或基本不进浆。据此确定回采底板破坏深度约15 m～20 m。

这种注浆治水方案虽然以往应用比较广泛，但是针对本矿的实际情况其效果不是很理想，从12422与12424面突水及堵水期间涌水量互为消长的关系可以看出，两处出水部位共同接受补给，但不一定处于下部补给点位置，因而无法从根本上解决底板突水、生产环境恶化、工效低下等问题。

3.2 工作面排水强行开采

在工作面下方安排150 m3/h～250 m3/h的固定和移动排水能力，强行开采，或者对下巷进行配巷改造，形成单独的排水和通风系统后开采，12418外、12422下、12424外、12421面等均采用此方法。

由于工作面有起伏，未形成自流排水或集中排水系统，这种措施实际上是被动排水，工作面回采往往是间断进行，工效较低，难以从根本上改变采场环境差的问题。

4 长距离大口径斜孔疏水降压技术措施及效果

根据四下采区多个工作面的回采资料分析，当工作面回采到距切眼40 m～80 m时，通常会发生工作面底板突水事故，突水水量一般在100 m3/h～150 m3/h，稳定水量约60 m3/h～110 m3/h。同时，在以往的h2火成岩裂隙水治理过程中，进一步掌握了该火成岩裂隙在本区的展布和导水特性，即裂隙垂直发育，横向导通性较差。

根据以上特性，确定了2#煤层底板火成岩承压水治理方案：随回采工作面开采，提前在工作面下运巷，分组施工长距离大口径（开孔∮148 mm，终孔∮89 mm）斜疏水钻孔，进入火成岩，钻孔方向多与裂隙方向呈正交或斜交，以增大钻孔揭露裂隙的概率和提高单孔疏水量，通过疏水将含水层的水位降至安全标高之下，从而减轻或消除矿井生产过程中因破坏其上下隔水层而涌入矿井，达到疏水降压的目的[3]。

该方案首先在12428工作面上巷施工2个、下巷施工2个、外配巷施工2个长距离倾斜泄水钻孔，终孔至h2火成岩内，采取以疏放为主的防治措施进行底板水治理。

陶二煤矿12428工作面在上巷先期施工完成两个疏放水钻孔后，疏放水量已达到60 m3/h，开始回采后第四个月，里部的3个钻孔共计揭露火成巖水量约110 m3/h，工作面连续5个多月安全推进200余m。

直至12428工作面安全高效回采完毕，同时减少了上部12426、12609工作面底板突水水量。之后，矿井深部所有2#煤工作面，全部采用此方法疏放h2火成岩裂隙水，实现大采深高承压水条件下的安全开采。

通过12428施工的6个疏放水钻孔得出如下结论：

第一，火成岩裂隙水初始水位为﹣180 m，回采工作面底板承受裂隙承压水的安全水压在2.0 MPa。

第二，钻孔倾斜垂直地层走向（或与地层倾向成微夹角）布置，钻孔放水量大;火成岩裂隙方向与地层的展布方向一致，横向方向联系弱，纵向方向联系强。

第三，单孔揭露火成岩出水深度为0～75 m，揭露深度增加，但水量不再增加，火成岩裂隙水垂直裂隙阶段性发育、垂直导通性差。

第四，火成岩裂隙呈中间宽、向上下变窄直至渐灭的枣核状沿地层走向展布。

第五，放水孔的影响范围约200 m～250 m。

第六，由于裂隙方向沿地层方向展布，每个工作面回采前都需要施工疏水降压孔。

通过工作面施工长距离大口径斜孔，提前疏放煤层底板特殊条件下火成岩承压水，改变了底板水涌出途径，减少了采场突水概率并同时改善了工作面作业环境，减轻了回采工作面的防排水压力，达到满足工作面安全高效生产的目的。

5 长距离大口径斜孔疏水降压技术措施优势和创新点

长距离大口径斜孔进行疏水降压的思路是基于四下地区2#煤层底板火成岩裂隙承压水具有垂直水力联系阶段性强、层间水力联系弱的特殊水文地质条件，存在多个局部含水单元，注浆无法揭露深部更多裂隙含水单元。采用大口径斜孔是考虑到钻孔多揭露一些垂直方向上的导水裂隙，实现钻孔集中疏水，获得充分的疏放水量，达到采煤区域疏降效果的目的。

本次治理工作首次采用大口径破碎地层斜孔施工技术及钻孔集中疏水降压开采防治水技术。从钻孔揭露的涌水情况看，单孔疏放水量均超过15 m3/h，总疏水强度最大达到118 m3/h，火成岩水位由﹣186 m逐渐降至﹣244 m。

6 结语

长距离大口径斜孔疏水降压技术在陶二煤矿的成功应用为陶二煤矿底板水防治奠定了坚实的基础，陶二煤矿在应用该技术措施近十年的生产中，每个2#煤工作面回采前都施工长距离大口径斜孔疏水降压钻孔，均取得了良好的效果，没有再发生底板突水，在一定程度上保证了陶二煤矿的安全高效生产。

参考文献

[1] 杨勇，付玲玲.大埋深复杂水文地质条件防治水技术的研究[J].地球，2014（2）：342.

[2] 杨彦利，关英斌，王峰，等.陶二矿2#煤层底板采动破坏效应及突水研究[J].黑龙江科技信息，2009（11）：17-18.

[3] 郭波，宋铁成，刘晓飞.关于疏水降压技术的应用讨论[J].科技风，2010（18）：124.