平煤股份朝川礦底板灰巖承壓水防治策略研究與實施

摘要：華北地區二1煤開采過程中，其底板太原組、奧陶系（寒武系）灰巖承壓水一直是困擾煤礦安全生產的一個重大隱患，制約著煤礦企業的發展。該文對平煤股份朝川礦水文地質進行了具體的介紹，同時對底板灰巖承壓水防治策略和實施方案進行闡述，具有一定借鑒意義。

關鍵詞：水文 地質 承壓水 實施

1 平煤股份朝川礦水文地質概況

朝川礦區出露有古生界寒武系、石炭系、二疊系、新生界第三系、第四系。朝川礦主要含水層、隔水層、水文地質類型如下：

1.1 主要含水層

根據含水層富水性以及與可采煤層的關系共劃分為九個含水層(組)，自下而上依次為：寒武系中上統灰巖白云巖巖溶裂隙含水層(組)，石炭系上統太原組灰巖巖溶裂隙含水層（庚煤組含水層），己16-17煤頂板砂巖裂隙含水層(組)、戊煤組頂部砂巖裂隙含水層(組)，丁煤組頂部砂巖裂隙含水層(組)，二疊系上統平頂山砂巖裂隙含水層(組)，石千峰段砂巖裂隙含水層(組)，第三系砂礫巖含水層(組)，第四系松散沉積物孔隙含水層(組)。對朝川一井礦井充水起主導作用是煤層底板的太原組灰巖巖溶水和構成煤層基底的寒武系白云巖巖溶水。

1.2 主要隔水層

一是太原組底部鋁土巖隔水層，二是太原組頂部隔水層，三是第三系泥巖隔水層。

1.3 水文地質類型

朝川礦下屬三對生產礦井，一井開采二1煤層，產量0.45Mt/a；二井開采四3、五2煤層，產量0.6Mt/a；三井開采二1、四3煤層，產量0.3Mt/a。根據平煤股份公司2010年批復的水文地質類型，朝川礦一井為極復雜，二、三井為中等。

礦區巖溶水是一個相對獨立的水文地質單元，有獨立的補給、逕流和排泄條件（圖1）。礦區為一弧形單斜構造，弧頂向南，由總厚300m的中寒武統毛莊組、下寒武統饅頭組泥巖、泥灰巖、鈣質砂巖組成，構成相對隔水邊界。北側的劉洼弧形正斷層，落差超過1000m，南升北降，下盤寒武系灰巖與上盤三疊系地層對接，形成阻水邊界。石炭、寒武系巖溶裂隙含水層呈條帶狀裸露于兩翼南側，出露面積15km2，是巖溶水補給區。劉洼弧形正斷層是巖溶水阻水邊界，且斷層北巖溶裂隙含水層深埋于第三和第四系地層之下，深部巖溶不發育，形成巖溶水的滯流帶。地下水總體上由西向東、由南向北逕流，在張村井田、牛莊井田以及三里寨井田以礦井排水的形式被排出地表。

2 底板承壓水水害綜合防治技術

2.1 防治水工作現狀

2.1.1 朝川礦區巖溶水系統四周邊界基本清楚，北部為巖溶含水層深埋邊界，巖溶不發育，屬于不導水邊界；東南部為寒武系灰巖條帶狀露頭區邊界，接受大氣降水入滲補給，屬于開放性邊界；南部為石炭系灰巖和寒武系灰巖隱伏露頭邊界，接受第四系孔隙水的越流補給；東部為F1斷層，屬于導水邊界。

2.1.2 朝川礦區巖溶水是一個相對獨立的水文地質單元，有獨立的補給、逕流和排泄條件，張村井田、牛莊井田以及三里寨井田同屬一個水文地質單元。張村井田靠近西南部的補給區，在區域巖溶水補給逕流帶上，三里寨井田（主要是朝川一井、二井、三井）遠離西部的補給區，屬于礦井排水的排泄區，牛莊井田處于巖溶水深部逕流的滯緩區。

2.1.3 巖溶水主要賦存于寒武系厚層白云巖和石炭系薄層灰巖巖溶裂隙含水層中，厚度700m，巖溶裂隙發育，有利于巖溶水的賦存。寒武系出露于礦區東南部，出露面積僅15km2，接受大氣降水補給但補給量有限。張村礦-朝川礦為巖溶水逕流—排泄區，天然條件下，巖溶水在灰巖隱伏露頭區以頂托越流形式補給第四系孔隙水，目前以礦井排水形式向外排泄，朝川一井是巖溶水排泄中心。

2.1.4 巖溶水主要補給來源為大氣降水入滲、朝川水庫滲漏和朝川河水滲漏，以礦井排水形式排泄。根據均衡計算，20世紀80-90年代，巖溶水平均補給量為850 m3/h，目前由于河道逕流量不足100m3/h，巖溶水補給量在625m3/h左右。目前，朝川一井巖溶水排水量在1000m3/h左右，超過巖溶水補給量，巖溶水位持續下降。

2.1.5 巖溶水位主要受朝川一井排水的影響，整個礦區巖溶水連通性好，水位呈平盤式下降，水位標高已經由30年前的+160～+185m降至目前的-160～-240m。

2.1.6 朝川一井煤層底板石炭系薄層灰巖巖溶裂隙發育，富含巖溶水，水壓高，石炭薄層灰巖和寒武系灰巖水力聯系密切。礦井直接充水源為石炭系L2巖溶水，間接充水水源為寒武系巖溶水。充水通道主要是巖溶裂隙及采動造成的裂隙。由于煤層底板隔水層厚度平均只有9m，底板采動破壞深度超過隔水層厚度，導致底板巖溶水水害嚴重。綜合張村和朝川礦水文地質特征，參照《煤礦防治水規定》中的礦井水文地質類型劃分標準，朝川礦屬于水文地質條件復雜的礦井。

2.1.7 朝川礦進入二1水平開采以來，礦井水文地質條件出現了新的特點，表現在：①巖溶發育程度變弱，不均勻性更強；②朝川河水因逕流量減少，河水滲漏補給地下水量大幅度減少；③巖溶裂隙富水性變弱，可疏放性增強，但由于巖溶裂隙發育變弱和極不均勻，泄水孔的布置更加困難。

2.1.8 朝川一井主付斜井兩翼水文地質條件的差異依舊存在，目前西翼水位-240m，而東翼水位-20～-40m，水位相差200m。根據現有地質資料分析，東翼和西翼巖溶水逕流方向不同，東翼巖溶水來水方向是東部，并很可能與F1斷層導水有關，而西翼巖溶水來水方向主要是西南，補給區在張村井田西南部。

2.1.9 在朝川礦區巖溶水水文地質單元中，張村礦處在系統補給—逕流區，并靠近補給區，朝川礦處在系統的排泄區，各礦水害和防治水對策不盡相同。張村井田水文地質條件復雜，但受朝川一井多年排水的影響，水位最低已經降至-160m。疏水難度大，如能實施截流可以切斷巖溶水向張村、朝川一井、牛莊逕流量，降低排水費用，降低水害對開采的不利影響。朝川礦在排泄區，疏水降壓是其重要的防治水措施，可以起到為整個礦區泄水降壓的作用。

2.1.10 朝川一井多年的防治水實踐表明，以疏水降壓為核心的綜合防治水技術措施，對于實現復雜水文地質背景下安全生產起到了重要作用。礦區巖溶水補給量（動儲量）有限，可疏放性好，且隨著開采深度的加大，巖溶裂隙含水層富水性變差，更易于疏放。因此，以疏水降壓為主，疏堵結合應作為朝川礦防治巖溶水水害重要措施。

2.2 疏水降壓技術及其應用

2.2.1 -150水平泄水工程。2000年5月開始，在主副斜井西側施工完成了-150m泄水巷，總長250m，布置6個鉆窩，29個泄水孔總泄水量900m3/h，在其中只有7個泄水孔水量較大，其它孔水量很小或屬于干孔。為增大泄水量，2001年3月—8月再次施工9個泄水孔，終孔層位為太原組灰巖，用以疏放煤層底板的太原組灰巖巖溶水。

2.2.2 -250水平泄水工程。2003年7月，一井－250水平主排水系統形成后，東西兩翼水閘門及泄水巷施工進度緩慢，位于－180m水平以上的己16－1721080工作面無法開工。為緩解接替緊張的局面，在－250水平布置了提前泄水降壓工程。在東西兩個水閘門之間的井底車場巷道內，從己組煤頂板向石炭系打鉆，通過鉆孔控制提前泄水降壓，把巖溶水水位降至－160m標高，保證工作面的安全掘進。

2.2.3 泄水降壓效果。自2000年5月-150臨時泄水巷開始泄水，至2003年底-250工程尚未開始泄水前，巖溶水水位由泄水前的0m降至-120m，該水平以上的工作面實現了安全開采。2003年-250水平開始泄水以來，至2008年底水位降至-230m。疏水降壓效果非常顯著，基本實現了不帶壓或安全帶壓開采，保障了安全生產。

2.3 工作面底板含水層注漿加固技術

工作面煤層底板注漿加固和含水層改造技術，就是沿工作面巷道大面積布置注漿鉆孔，通過注漿鉆孔注漿來充填底板灰巖含水層的巖溶裂隙和導水裂隙，從而大大減弱含水層的富水性并切斷水源補給通道，使受注含水層被改造為不含水或弱含水層，同時亦增強了煤層底板隔水層的強度，實現工作面不突水開采。底板含水層改造注漿工程都具有面狀注漿性質，工程量較大。為減少鉆探工程量，多采用井下施工方法。有時可采用井上下聯合注漿系統，即在地面建立造漿系統，在井下施工注漿孔。根據水文地質條件選擇合理的注漿加固層位，可以對薄含水層注漿加固，也可以對隔水層導水帶進行注漿加固。底板加固和含水層改造是目前預防工作底板突水和減少排水量的重要防治水措施，技術上也已經成熟，在全國許多煤礦已經普遍使用，均取得顯著效果。

己16-17-21070工作面位于朝川礦一井二水平暗主、副斜井以東，己16-17-21050工作面以北，第五勘探線以西，以北為未采動區，采面后段位于二水平東翼泄水巷的上部，間距±10m。工作面走向長752m，傾斜寬95m，煤層厚度平均3.5m，傾向337-359°，煤層傾角平均18°。根據風巷和二水平東翼泄水巷探水揭露資料分析，該工作面中部有三條落差0～15m左右的正斷層，另外切眼東部有一條落差28m左右正斷層。水文地質條件比較復雜，主要充水水源是底板灰巖巖溶水。在工作面西部200m范圍內，依據二水平井底車場測壓孔推測，最低處承受水壓為0.2Mpa；工作面中部依據東翼泄水巷2號孔水位推測，承受水壓為0.33Mpa；工作面東部依據東翼泄水巷迎頭3號孔水位推測，承受水壓為0.39Mpa。根據距工作面200m的4-99孔和水1孔，鉆孔資料顯示該工作面區域內煤層底板隔水層厚度分別為11m、9m，推測該區域內平均隔水層厚度為9.52m。為了保證帶壓條件下安全開采，2008年初對工作面含水層進行了注漿加固改造。

2.4 水文地質勘探與試驗

我國許多煤礦區受煤層上部含水層和下部巖溶水的威脅嚴重，突水和淹井事故時有發生。其主要原因與礦區水文地質條件不清，水文地質勘探程度低有關。針對朝川礦水文地質條件復雜和深部水文地質勘探程度較低的問題，自2000年以來，開展了一系列的水文地質補充勘探工作，為保障深部的安全開采奠定了扎實水文地質基礎。

3 結論

朝川一井水文地質條件復雜，煤層底板隔水層厚度平均9.5m，作用在煤層底板的水壓大，帶壓開采突水危險高，歷史上曾經發生過突水淹井事故，疏水降壓方法是朝川礦防治底板巖溶水水害的主要措施。