干河煤矿2-301 工作面底板突水机理及治理技术研究

宋团

（山西焦煤霍州煤电干河煤矿，山西 临汾 041602）

1 概 况

山西焦煤霍州煤电干河煤矿2-301 综采工作面表位于工业广场西北部，工作面整体为走向S63°W，倾向SE 的背斜构造，煤层倾角1°～6°，平均3.5°。该工作面主采2 号煤层。2 号煤层位于二叠系下统山西组（Plsh）下部，煤层厚度2.0～2.4 m，2 号煤层光泽较暗，主要由暗煤和亮煤组成，属半亮型煤。2-301 工作面两巷沿煤层走向布置，工作面沿煤层倾向布置。2021 年9月10 日2-301 工作面回采约290 m 时，工作面44～45 号液压支架处底板开始渗水，水量开始逐渐增大，人员有序撤离后，突水淹没工作面、回采巷道，涌水量最快达到500 m3/h。为快速有效的消突突水，恢复矿井的生产，对底板突水快速治理技术展开研究。

2 突水水源分析

2.1 工作面水文地质情况

2-301 工作面顶板主要含水层为下石盒子组（K8、K9）砂岩裂隙含水层，层位较稳定，岩性为灰白色，长石石英细粒砂岩，含水层位于1、2 号煤层以上，K8砂岩厚1.29～13.03 m，平均厚7.16 m，K9砂岩位于K8砂岩层以上22.9 m 左右，水文地质特征与K8砂岩相似，为弱富水性的裂隙含水层，对采掘影响较小。工作面下部为太原组石灰岩（K1、K2）和奥陶系峰峰组石灰岩（O2）溶隙含水层，K1、K2岩性为深灰色，中厚层状，局部为泥灰岩，裂隙不发育，中部发育少量裂隙，大部分由泥质、方解石充填。含水层位于1、2 号煤层以下，K1、K2石灰岩含水层是一个富水性很不均、裂隙不发育，局部区域径流条件较好的弱富水岩溶裂隙含水层，K1石灰岩厚10～26 m，平均厚15 m，K2石灰岩厚12～35.34 m，平均厚10 m。O2岩性为峰峰组上段平均厚度为54.82 m，为灰色，局部含水性较好，岩溶裂隙发育。工作面为带压开采，K2灰岩和O2灰岩水可通过断裂构造、陷落柱等导水通道导通，造成突水事故，威胁工作面安全生产。干河煤矿2 号煤层主要含水层分布如图1 所示。

图1 主要含水层分布示意图Fig.1 Distribution of main aquifer

计算干河煤矿2 号煤层突水系数：

式中：T 为突水系数，MPa/m；P 为底板隔水层承受的实际水头值，MPa（水位标高K1采用500 m，水位标高O2采用517 m）；M 为底板隔水层厚度，m。

2-301 工作面2 号煤层底板标高为+141—+157 m，根据工作面周边114、B3-2、B3-1 钻孔柱状图计算得出，2 号煤至石炭系上统太原组K1的隔水层平均厚度为46 m，水位标高K1为500 m，计算得出石炭系上统太原组K1带压3.43～3.59 MPa，K1突水系数为0.075～0.078 MPa/m，小于0.010 MPa/m，大于0.06 MPa/m；2 号煤至奥陶系中统峰峰组O2的隔水层平均厚度为72 m，水位标高O2为517 m，计算得出奥陶系中统峰峰组O2带压3.6～3.76 MPa。O2突水系数为0.050～0.052 MPa/m，小于0.06 MPa/m。综上可知，2 号煤层处于相对安全区，正常块段不会发生底板突水事故，但遇导水构造可能有突水威胁。

2.2 突水水源及通道分析

根据突水的水质、水位、水温等多方面综合分析判断突水水源。测量突水点附近的水温，突水水温稳定在38～39.5 ℃，不符合顶板砂岩水的温度，应为深部岩层水，确定突水水源来源于煤层底板以下。突水点附近水质较浑浊，且多呈现乳白色，水中同时夹杂着泥岩风化物，通过对水质化验表明，水体矿化度达到5.0 g/l，远高于顶板砂岩含水层矿化度1.3 g/l 及太灰水矿化度2.9 g/l，由此可判断，突水水源为奥灰水。突水事件发生后，地面钻孔观测到奥灰水位快速下降，整个突水期间水位累计降低115.00 m，据以往统计结果，奥灰水水文每年的平均降深仅为2.5 m，由此可确定突水水源为奥灰水。

奥灰水隔水层厚度较大，根据上文计算，其突水系数小于0.06 MPa/m，正常情况下突水危险性很小。2-301 工作面在采掘过程中，2-301 皮带顺槽掘进260 m 揭露断层F130H=2 m∠60°，该断层为正断层，走向N25°E，倾向NW，预计影响范围15 m。掘进590 m 揭露断层F13-8=2.5m∠60°，该断层为正断层，走向S89°W，倾向SE，影响范围15 m。掘进790 m 揭露断层F133H=6 m∠60°，该断层为正断层，走向S75°W，倾向SE，预计影响范围30 m。距离突水点最近的断层构造为F13-8，但该断层不导水，落差小，断层沟通下部奥灰含水层的可能性较小。三维地震探测结果表明，2-301 工作面底板岩层内未检测出陷落柱结构。

根据上述分析和2-301 工作面水文地质资料，现已查明的地质构造导致突水的可能性很小。因此，在已明确突水水源为奥灰含水层的情况，判定突水点附近存在隐伏性导水地质构造，大概率为隐伏陷落柱导水。

3 突水快速治理研究

3.1 钻孔布设与目的

2-301 工作面底板突水事故发生20 d 后，随着矿井巷硐内水位与奥灰水位落差的减小，涌水流量减小，经统计计算预测突水点涌水量稳定在200 m3/h 左右，出水点巷道远端流速约为0.005 m/s。根据经验，水流速度小于0.15 m/s 时对于粒径小于0.1 m 的砂石搬运能力很小，符合开展注浆工作的条件。

2-301 工作面底板出水点属于大型出水点，参考类似背景下成功治理的案例，可采用“围点打源”的治理方式。“围点”是指通过注入大颗粒骨料配合速凝材料，将突水封堵在工作面，避免事故的进一步扩大，为直接封堵涌水通道提供条件；“打源”就是通过注浆对突水点进行盖帽，封堵涌水通道。导水通道具体是陷落柱还是导水构造需要在围点期间验证。

2-301 工作面共布置4 个地面注浆钻孔，XY-3、XY-4 钻孔为盖帽钻孔，主要作用是在突水点附近采空区注入石子、水泥等封堵出水点；XY-1、XY-2 钻孔作为注浆孔，钻进施工期间寻找涌水通道，当出现钻井液漏失量大于10 m3/h 时，停止钻进，开始注浆。XY-1、XY-2 钻孔靶点位置位于出水点下方25 m，终孔位置为煤层底板下方100 m。钻孔布置如图2 所示。

图2 地面钻孔布置平面图Fig.2 Ground borehole layout plane

3.2 钻孔结构及注浆工艺

根据注浆孔布置方案设计2 类钻孔结构。2 类钻孔均采用3 种直径的钻头进行钻进，盖帽钻孔（XY-3、XY-4）一开钻头直径311.1 mm，钻进深度480 m，表层套管直径244.5 mm，二开钻头直径215.9 mm，靶向层位为2 号煤层顶板上10 m，技术套管直径177.8 mm，三开钻头直径152.4 mm，靶向层位为2-301 工作面采空区，不放置套管裸孔布置；注浆孔（XY-1、XY-2）二开段靶向层位为2 号煤层底板下15 m，三开段裸孔终孔层位为2 号煤层底板下100 m。2 类钻孔的结构如图3 所示。

图3 钻孔结构示意图Fig.3 Borehole structure

XY-3、XY-4 注浆材料为石子、细砂、水泥及水，第一次盖帽注浆不做压力要求，多处盖帽注浆后，当漏失量明显减小后，注浆压力可由起压逐渐提高至2 MPa，停止注浆。XY-1、XY2 钻孔注浆材料主要为单液水泥浆，采用下行方式注浆，水灰比根据实际涌失量在2∶1～0.7∶1 范围内调整，注浆压力设计为水压的1.5 倍，注浆终止压力为5.0～7.1 MPa，逢漏（漏失量大于10 m3/h）注浆封堵，注浆达到终止条件后，凝固24 h 继续钻进注浆。

4 突水通道的封堵效果及堵水效果评价

4.1 盖帽及涌水通道封堵效果评价

XY-1～XY-4 号孔在2 号煤层底板下20 m（孔深-550 m）之前共注浆7 986.5 t，90%以上的浆液注入2-301 工作面采空区及周边巷道，2-301工作面已采空区域平面面积为6 948 m2，工作面回采高度取2.4 m，采空区空隙计算系数取0.5，采空区垮落后可充填空隙体积为8 337.6 m3，两侧回采巷道充填长度按100 m 计算，充填体积为2 800 mm3，则盖帽充填空间为11 137.6 m3，每吨水泥制浆量约为1.35 m3，盖帽注浆体积为10 781.8 m3，假设90%的浆液充填在采空区及巷道，则采空区充填系数为87.12%，盖帽注浆充填系数大于85%，注浆充填效果良好。XY-1、XY-2 号钻孔在下方涌水通道内总注浆体积2 5845.3 m3，形成了直径约30 m、高度约90 m 的封堵柱，终孔及注浆终压标准均通过验收，封堵效果良好。盖帽区域及导水通道封堵情况如图4 所示。

图4 钻孔轨迹示意图Fig.4 Borehole trajectory

4.2 治理效果评价

对干河煤矿2-301 工作面底板涌水点注浆堵水后，根据监测结果绘制处奥灰水及副斜井内水位变化曲线，如图5 所示。堵水钻孔施工之前，奥灰水位持续下降，副斜井内水位持续上升，副斜井水位接近奥灰水水位。堵水钻孔施工完成后，奥灰水水位开始逐渐稳步上升，副斜井内开始抽水，水位开始迅速下降，说明奥灰含水层和井下空间的导水通 道已基本封堵完毕。

图5 奥灰长观孔和副井水位变化趋势示意图Fig.5 Water level change trend of Ordovician limestone long observation hole and auxiliary well

5 结 语

通过对干河煤矿2 号煤层水位地质条件分析，2 号煤层开采主要受奥灰含水层影响，根据2-301工作面底板突水的水质、水温等特征，确定突水水源为奥灰含水层，导水通道为隐伏断层或陷落柱，提出盖堵结合的治理方案，并设计具体的钻孔布置、钻孔结构、注浆方式等。治理结束后，通过分析计算及现场监测表明，采空区及回采巷道内盖帽区域充填系数大于85%，奥灰水水位快速上升恢复，奥灰水涌水通道被有效封堵。干河煤矿此次奥灰突水快速治理工程具有用时短、封堵效果好等特点，具有良好的经济社会效益，为类似矿井水害防治提供技术借鉴。