邢臺礦區下組煤開采防治水技術研究

蘇維濤

（冀中能源股份有限公司地測部 河北 邢臺 054000）

1 礦井概況

葛泉礦是河冀中能源股份有限公司骨干礦井之一。于1989年建成投產，礦井設計年生產能力為60萬噸，可采煤層為 2#、2下、5#、7＃、8＃及 9＃煤層，葛泉礦東井處在葛泉井田南翼F13斷層東北部分，相對井田構成獨立塊段，下組煤賦存較淺，煤層厚度大 （平均厚度4.89m），9#煤層至奧灰頂面的隔水層厚達38～55m，一般在40m以上。目前，本區奧陶系灰巖水水位標高在+40m左右，試采區-150水平突水系數在0.07 MPa/m左右。

葛泉井田地表全為新生界地層所覆蓋，根據鉆孔及井巷揭露，東井內發育的地層自老至新依次為奧陶系中統馬家溝組與峰峰組;石炭系中統本溪組、上統太原組;二疊系下統山西組及第四系。

本區地處邢臺礦區，在區域構造上位于太行山斷褶帶東部邊緣，斷層以高角度正斷層為主，以北東方向的斷層最為發育。

從區域水文地質單元劃分，根據地形地貌特征、構造控水規律及奧灰地下水流場情況，葛泉井田位于百泉水文地質單元之中。

2 研究思路

2.1 客觀、全面評價本區9#煤帶壓開采可能的充水水源、充水通道。分析、評價與9#煤帶壓開采相關的含水層（組）的巖性結構、空間分布規律、富水性特征及其關鍵控制因素；分析與評價9#煤頂、底板隔水層（組）的巖性組合、空間分布規律、含導水構造裂隙發育的規律性特征、巖石力學特征及其巖（底板巖層）水（底板承壓水）應力（采動應力和原始地應力）關系。從而對本區9#煤帶壓開采可行性進行分析與評價，制定科學合理、切實可行的帶壓開采防治水技術路線；

2.2 將井上下結合的鉆探技術、物探技術、化探技術，尤其是新的探查技術和手段付諸工程實踐，并對其適用條件、應用效果、可靠性及其推廣價值作出分析與評價。從而形成與帶壓開采技術相適應的井上下結合的綜合探查技術體系，更好的為礦井水害安全服務；

2.3 對煤層底板隔水層及本溪灰巖含水層的可注性進行分析與評價；采用井上下結合的“互動式”注漿系統，研究煤層底板注漿改造的工藝流程。對注漿材料、注漿壓力、漿液配比、漿液擴散半徑、注漿結束標準、注漿效果檢驗方法、檢驗標準進行研究；在優化注漿工藝及其配套措施的基礎上研究注漿孔布置原則和注漿次序；

2.4 采用先進的突水監測系統和煤層底板采動破壞深度探測儀器及壓水試驗方法，對注漿改造后9#煤層底板采動破壞深度進行探測，對其破壞過程及突水征兆進行監測。研究煤層底板采動破壞規律。

3 技術方案

3.1 針對葛泉礦下組煤試采區薄隔水層、大導高、本灰與奧灰雙層高承壓巖溶裂隙含水層復合為一個含水體的復雜水文地質條件，制定了“精細探查，先探后掘；注漿改造，先治后采；全程監控，全面設防”的防治水技術路線。其實施步驟如下:

3.1.1 在工作面巷道掘進前，分別采用地面三維地震勘探技術、地面瞬變電磁勘探技術和鉆探技術對下組煤開采的地質、構造、水文地質條件進行了綜合探查與防治水方案可行性論證，并建立了完善的礦井防排水系統和礦井水害應急預案，對頂板大青灰巖水進行了初步可控疏放。

3.1.2 在工作面巷道掘進過程中，采用長距離直流電法超前探測技術對掘進頭前方煤層及其頂、底板富水性特征進行精細探查，并對異常段進行了鉆探驗證。此后，對通過驗證的煤層底板富水區段進行了超前預注漿加固，從而保證了巷道掘進安全。

3.1.3 在工作面回采前，對煤層底板隔水層及本溪灰巖含水層進行了全面注漿改造，并采用井下坑透、音頻電透視、瞬變電磁等物探技術對注漿改造效果進行了定性評價；采用水文地質鉆探手段對注漿改造效果進行了定量評價，對注漿效果較差的區段進行了補充注漿，從而保證了注漿工程的可靠性。

3.1.4 在工作面回采過程中，實施了煤層底板突水監測與圍巖應力、應變探測；在工作面回采至停采線附近時，組織實施了注水試驗觀測。在整個工作面回采過程中，還對工作面采后涌水量進行了觀測。

3.2 采用井上、下結合的全方位、多層次勘探手段，制定了“井下為主，地面為輔，物探為主，鉆探驗證”的勘探原則。尤其是采用直流電法長距離超前探測技術和三、四極結合的假異常排除技術，提高了探測精度，大量節省了鉆探工程量。

物探方法的選擇主要考慮對“探查體識別與定位”的“敏感性”:采用地面三維地震勘探手段，主要探查9#煤層及隔水層中斷層和異常體；地面瞬變電磁探查煤層底板富水性，從宏觀上把握試采區富水性特征；井下采用直流電法長距離超前探測技術和三、四極結合的假異常排除技術探測掘進頭前方富水構造；坑透探查煤層構造；直流電法和音頻電透視結合探查工作面底板隔水層富水區。經開采實踐，其選擇方法合理，效果明顯，達到了預期目的。

勘探鉆孔盡量考慮“一孔多用”:探查孔、試驗孔兼做注漿孔；后期補充注漿孔兼做前期注漿效果驗證孔。

3.3 煤層底板全面注漿改造技術

針對本區本區9#煤帶壓開采“一薄、二強、三高”的水文地質特點，本區底板水防治以“先治后采”為原則，采用先進的注漿工藝、優化注漿孔布置方案，加固煤層底板隔水層，對垂向導水裂隙和構造進行封堵，補強其阻水性能；全面改造本溪灰巖含水層為相對隔水層，對導（富）水溶隙進行封堵，有效阻隔煤層底板下伏高壓奧灰水導升裂隙向上延伸。本項目主要在以下幾個方面進行了探索與實踐:

3.3.1 準確定位注漿目的層

考慮煤層底板采動破壞深度，注漿加固的目的層為煤層底板下10m至本溪灰巖底板下2m的含導水構造；

3.3.2 注漿孔布置原則的探索

（1）采用漿液擴散半徑為20m，注漿加固范圍內鉆孔終孔間距在40m以下；

（2）鉆孔裸孔段應盡可能多的穿過注漿加固的目的層段，鉆孔方向盡可能垂直于構造裂隙發育方向，以利于漿液向垂直裂隙帶擴散，采用斜孔和近水平孔很好的解決了這一問題；

（3）對工作面切眼位置、初次來壓位置、周期來壓位置、巷道直接底板兩側10m范圍內、停采線附近、物探異常區及構造發育區段進行重點加固與改造；

3.3.3 采用先進的注漿系統

根據東井注漿量大、注漿范圍廣、注漿時間長等實際情況，選用了目前國內先進的井上下聯合注漿系統，具有風動下料、射流造漿、制漿過程自動跟蹤控制，粘土、水泥注漿量自動計量、注漿密度自動監測等優點。能夠根據注漿效果適時建議合適的注漿壓力和漿液密度。

3.3.4 優化注漿工藝和流程

采用下行式分段注漿方式，注漿之前先進行壓水試驗，根據壓水試驗結果計算注漿段單位吸水量，然后確定漿液配比與濃度后進行注漿，簡述如下:

（1）三階段漸進式動態注漿工藝:工作面底板注漿改造工程分三個階段進行，第一階段注漿封堵與充填較大的含導水裂隙；第二階段為加密注漿階段，對第一階段尚未充填或封堵效果不理想的導水裂隙進行充填與封堵；第三階段為補充注漿階段，對前兩階段遺漏的含導水裂隙進行封堵；對1192工作面注漿改造的同時，兼顧相鄰工作面底板預注漿。

（2）動態分析、實時反饋、不斷優化的注漿流程:不斷積累鉆孔涌水量、初見本灰深度、注漿量等數據，并對其進行動態分析；應用注漿過程參數實時反饋機制，針對分析結果確定下一步重點注漿區段，不斷優化鉆孔布置方式和注漿工藝，從而達到理想的注漿效果。

（3）引流注漿工藝:單個鉆孔注漿過程中，周邊其他鉆孔放水引流，從而擴大漿液擴散半徑，減少鉆探工程量。

（4）探索了適合本區的注漿結束標準:結束壓力:6～8MPa；結束吸漿量，一般35L/min以下。

3.3.5 采用綜合檢測手段驗證注漿效果

對工作面底板進行全面注漿加固與改造之后，采用電測深和音頻電透視技術對注漿加固效果進行了檢驗，并對仍然存在的物探異常區進行了鉆探驗證，對驗證存在的注漿薄弱區段補充注漿。

3.3.6 制定了注漿改造效果量化評價指標

以鉆孔密度、檢查孔個數、單孔涌水量和見本灰水深度作為注漿效果評價的量化指標:

（1）注漿孔密度達到450 m2/孔，鉆孔平均間距小于20m；

（2）檢查孔個數占注漿孔個數的30%以上；

（3）檢查孔單孔涌水量小于20m3/h；

（4）80%的區段初見本灰水深度大于15m，初見本灰水量小于3m3/h。

3.4 煤層底板破壞深度探測與突水監測

3.4.1 根據工作面回采過程中水壓、應力、應變傳感器監測數據的綜合分析，在確認無突水征兆的情況下，沒有發出突水預報，實現了該工作面的安全開采；

3.4.2 通過注水試驗和突水監測結果，確定了工作面底板最大破壞深度為12.5m，主要位于煤層底板本溪灰巖上部的粉砂巖中。

3.5 在采用全面注漿改造技術控制工作面底板采后涌水量的同時，對煤層底板全面注漿改造后工作面采后涌水量預測計算方法開展了研究。

4 實施效果

采用上述防治水技術方法，實現了1192、1190、1197等7個工作面的安全回采，采出原煤153萬噸，目前工作面采后涌水量最大在30m3/h左右最小的僅為1.5m3/h。

5 問題及建議

5.1 如何提高單一物探方法探測資料解譯的可靠性，除儀器本身和探測方法上需不斷改進外，更應重視解譯人員實踐經驗的積累和提高對探測區域地質、水文地質認識；

5.2 以工作面水害形成條件為勘探目標，在工作面煤層底板及承壓含水層數字化診斷的基礎上，建立數字化采面（采區）和地質保障系統是帶壓安全開采的必然要求和今后防治水工作的努力方向。

5.3 本套防治水技術適應于埋藏淺，突水系數小于0.1的地區，對于埋藏深，突水系數大于0.1的地區，可進一步進行奧灰頂部可控注漿改造，將強含水層改造成隔水層，以降低突水系數，保證安全開采。