西卓煤矿首采工作面底板水害超前区域治理分析

薛小勇，南晶晶，胡晓亮，王兴明

（1.陕西陕煤澄合矿业有限公司，陕西 渭南；2.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安）

引言

承压水上采煤底板突水是我国矿井主要的水文工程地质问题，严重影响煤矿的安全生产，有效遏制矿井突水事故的发生，一直是煤矿工业急需解决的难题[1]。由于大部分埋深浅的煤炭资源已经接近枯竭，导致煤炭开采深度逐年增加，煤矿底板突水问题变得愈发严重[2]。

2011 年，中煤科工西安研究院（集团）有限公司首次将水平定向钻技术引入到煤层底板水害超前注浆治理中[3]。超前区域治理理念在邯邢、两淮、黄河北等煤田煤层底板水害治理中大面积推广应用，并迅速发展到断层、陷落柱等导水构造治理，形成了集超前区域探查与面状治理于一体的煤层底板水害超前区域治理技术[4-7]。但在工程实践中，普遍面临水平定向钻孔浆液运移规律不明、钻遇隐伏导水通道判识与治理难度高等问题[8]。

因此，笔者以西卓煤矿为研究背景，针对1509 工作面受底板水害威胁严重的问题，分别采用经验公式法和数值模拟法对采场底板破坏深度进行计算分析，确定了以K2下含水层为目标层位进行底板水害超前区域治理。研究方法为渭北地区煤层底板水害治理提供了新参考。

1 工程概况

西卓煤矿位于陕西省渭北石炭二叠纪煤田澄合矿区中深部，矿井设计主采煤层为4 号煤、5 号煤，其中4 号煤平均厚度为1.32 m，5 号煤平均厚度为4.90 m，煤层平均埋深550 m，矿井设计可采储量为187.69 Mt。首盘区5 号煤的回采方法为一次采全高，全部垮落法管理顶板。矿井水文地质类型为“复杂”型。1509工作面位于井田西南部，为5 煤首采工作面，工作面煤层底板标高为+168～+191 m，倾角0°～8°。

2 采场底板破坏深度分析

采场底板由于受到工作面回采过程中采动的影响而发生一定范围的变形破坏，使得底板有效隔水带厚度减小，当承压水压力过大时，采场底板承压导升带与破坏带相连容易引发矿井突水事故[10]。因此，准确预测承压水上采场底板最大破坏深度是预防煤矿底板突水的一个重要环节。

2.1 经验公式预测底板破坏深度

澄合矿区内矿井针对煤层底板破坏深度开展了大量的实测工作，总结出了澄合矿区底板破坏深度计算经验公式[9]。

式中：H- 煤层埋深，m；Lx- 工作面倾向长度，m；α- 煤层倾角，°。

根据西卓煤矿1509 工作面矿压规律、围岩特性等条件。取相关力学参数：煤层埋深H=550 m；工作面倾向长度Lx=240 m；煤层倾角α=3°。将以上各参数代入到公式中可以得到西卓煤矿1509 工作面底板破坏深度为17.94 m。

2.2 数值模拟分析

2.2.1 模型建立 FLAC3D软件在计算分析过程中使得所建模型的每个网格单元在给定的边界条件下遵循规定的线性或非线性本构关系模型。采用FLAC3D数值模拟软件对西卓煤矿1509 工作面底板破坏特征进行数值计算分析。模型设计为300 m(X 轴)×100 m(Y 轴)×120 m(Z 轴)，采用Mohr-Coulomb 模型，开启大应变模式。模型上表面采用应力边界条件，上表面按上覆岩层的自重计算，施加相对应的垂直应力12.65 MPa，水平应力13.92 MPa。煤层顶底板岩性及力学参数以井田勘探孔数据为准。

2.2.2 结果分析 随着工作面的推进，原岩应力平衡状态被打破，底板发生塑性破坏变形。通过FLAC3D数值模拟软件可以分析得到西卓煤矿1509 工作面回采过程中采场底板岩体破坏特征。

根据数值模拟结果分析，数值模拟得到采场底板在靠近工作面边缘弹塑性交界处破坏深度最大，达到16.8 m，破坏形式主要为剪切破坏。位于采空区卸压区段，采场底板破坏深度较小，破坏形式主要为剪切破坏及拉伸破坏。

综上分析可得，通过经验公式计算的西卓煤矿1509 工作面底板破坏深度为17.94 m；通过数值模拟计算的结果为16.8 m。两者结果比较接近，绝对误差为1.14 m，相对误差为6.35%。因此，为了安全起见，取底板破坏深度为17.94 m。

3 底板水害超前区域治理分析

3.1 治理必要性分析

西卓煤矿1509 工作面主要受底板K2和奥灰含水层的威胁。K2灰岩含水层发育较稳定，一般厚度8 m，分K2上层和K2下层。煤层底板距离K2含水层顶面一般为17～19 m。K2含水层裂隙发育，富水性较强，接受下部强富水奥灰垂向和侧向补给，且上层位于底板破坏深度范围内，为工作面直接充水水源，对工作面回采威胁较大。通过对底板K2下含水层进行注浆改造，探查含水层裂隙及垂向导水通道，注浆加固底板隔水层薄弱带，切断奥灰垂向补给，实现工作面的安全回采。

3.2 钻探工程

3.2.1 钻孔布设 本次采用梳状和扇骨状布孔为主，总体布设3 个孔组，孔间距设计为60 m，底板水害超前区域治理钻孔布设平面如图1 所示。

图1 区域钻孔布设平面图

3.2.2 钻探工艺 地面定向钻孔结构为：一开孔径φ311.15 mm，一开套管为φ244.5×8.94 mm，进入基岩层10 m 后一开完钻。二开孔径φ215.9 mm，二开套管为φ177.8×8.04 mm，二开完钻要求进入目标K2下含水层顶面以下2 m。三开孔径为φ152.4 mm，裸眼完钻。

在施工过程中，通过岩屑、钻时、钻井液录井，对整个钻进过程实时监按，通过多源信息对比，对钻孔轨迹进行及时调整，有效保障钻孔穿层率。

3.3 注浆工程

3.3.1 注浆工艺 注浆采用分段下行式注浆法，连续与间歇相结合。钻进过程中当漏失量大于5 m3/h 时或者在不漏失的情况下钻进200 m，立即起钻注浆。本次选用纯水泥浆液注浆，浆液比重取1.1～1.5，钻遇大型导水通道时，可根据情况增加粉煤灰或灌注骨料。

3.3.2 注浆压力 不同注浆压力直接反映地层中裂隙发育情况，西卓煤矿1509 首采工作面底板薄层灰岩注浆钻孔终孔孔压设计10～12 MPa。本次选取D1主孔第六次注浆数据（图2）进行分析。

图2 区域治理D1 主孔第六次注浆曲线图

通过分析可以看出，在整体注浆过程中，注浆孔口“起压”后，注浆钻孔压力呈现“阶梯式”递增趋势，先后经历“微压充填- 低压扩散- 中压加固- 高压劈裂”4 个阶段。

（1） 微压充填阶段。注浆孔口压力为0，注浆目的层发育较大原始裂隙，地层可注性极强，浆液主要对含水层的天然裂隙进行充填加固。

（2） 低压扩散阶段。注浆孔口压力阈值为0～4 MPa，注浆目的层原始裂隙发育良好或裂隙已经部分充填，地层可注性较好。随着压力不断提升，原地层裂隙再次扩展，浆液的扩散距离逐渐增大，对灰岩含水层进行注浆加固或改造。

（3） 中压加固阶段。注浆孔口压力阈值为4～8 MPa，注浆目的层原始发育裂隙基本充填，地层可注性一般，并且随着注浆孔口压力的持续上升，灰岩含水层进一步被加固，改造形成隔水层。

（4） 高压劈裂阶段。注浆孔口压力大于8 MPa，注浆目的层裂隙完全充填，灰岩含水层内发生劈裂，并形成新的充填裂缝。随着压力上升，充填变得密实，原始裂隙和劈裂作用形成的新裂隙已经达到较充分的扩散和充填。

3.4 区域治理结果分析

西卓煤矿1509 工作面底板水害超前区域治理工程D1、D2、D8 孔组累计钻探进尺19 971.98 m；累计注浆量24 799.05 t。

D1 孔组共发生漏失12 次，注浆24 次，累计注水泥9 418 t，其中含粉煤灰22 t，平均单米注浆量1.74 t。D2孔组共发生漏失6 次，注浆30 次，注水泥5 561 t，其中含粉煤灰155 t，平均单米注浆量0.81 t。D8 孔组共发生漏失15 次，注浆47 次，注水泥9 997.05 t，其中含粉煤灰40.05 t，平均单米注浆量1.85 t。

4 治理效果检验

根据《煤矿防治水细则》要求，西卓煤矿1509 工作面采前开展了两次音频电透视探测。音频探测结果圈定出2 个探测异常区，1 号异常区在底板下17～25 m 深度有发育，推测为底板K2灰岩岩溶裂隙发育相对富水所致；2 号异常区在底板48 m 以下深度有发育，呈条带状分布在工作面内部，推测为底板奥灰岩溶裂隙发育并富水所致。根据音频电透视探测结果，对富水异常区进行了钻探验证和补充治理。累计完成钻孔21 个，钻探进尺2 139 m，注水泥151.95 t。

综上，西卓煤矿1509 工作面通过地面定向钻探技术实现了底板水害超前区域治理，并在工作面回采前同时采用物探、钻探方法进行了效果验证，达到了《煤矿防治水细则》要求。

5 结论

（1） 笔者分别采用经验公式预测法和数值模拟计算法对西卓煤矿1509 工作面底板破坏深度进行分析。两者结果比较接近，绝对误差为1.14 m，相对误差为6.35%。为安全起见，取底板破坏深度为17.94 m。（2） 通过对矿井地质及水文地质进行分析，并结合底板破坏深度，确定底板水害超前区域治理目的层位为含水层。底板水害超前区域治理工程总体布设3 个孔组，累计钻探进尺19 971.98 m，注浆量24

799.05 t。在整体注浆过程中，注浆孔口压力呈现“阶梯式”递增趋势，先后经历“微压充填- 低压扩散- 中压加固- 高压劈裂”4 个阶段。（3） 西卓煤矿1509 工作面通过地面定向钻探技术实现了底板水害超前区域治理，并在工作面回采前同时采用物探、钻探方法进行了效果验证，达到了《煤矿防治水细则》要求，工作面可以进行安全回采。