承壓含水層富水區(qū)上覆煤層安全開采技術(shù)

張 強

（肥城礦業(yè)集團有限責(zé)任公司，山東 肥城 271608）

承壓含水層富水區(qū)上覆煤層安全開采技術(shù)

張 強

（肥城礦業(yè)集團有限責(zé)任公司，山東 肥城 271608）

分析了礦區(qū)水文地質(zhì)特征、影響突水因素，結(jié)合工程實例，提出了“通過地面注漿站集中注漿，井下施工注漿孔，向介于煤層和奧灰強含水層之間的薄層灰?guī)r注漿，改變其富水性”的防治水技術(shù)。

承壓水；富水區(qū)；上覆煤層；注漿改造；安全開采

1 前言

肥城煤田位于魯西斷塊，肥城斷陷盤盆地內(nèi)，為第四紀覆蓋的全隱蔽式煤田，由于第四系底部發(fā)育一層隔水性能良好的粘土層，使第四系潛水及地表水對礦井充水無影響。威脅礦井安全生產(chǎn)的主要是五灰（徐家莊灰?guī)r）和奧灰（奧陶系灰?guī)r）。奧灰厚800m，巖溶裂隙發(fā)育，地表廣泛出露，直接受大氣影響降水補給，含水極為豐富。動水量2.8×104m3/h。上距本溪群五灰僅10～16m，五灰厚10m，含水豐富，由于受構(gòu)造等影響，兩含水層水位動態(tài)變化和水質(zhì)都相似，水力聯(lián)系密切實為一個含水體。五灰之上20～35m為太原群底部的九、十層煤。

肥城煤田水文地質(zhì)條件極復(fù)雜，太原群九、十層煤及部分七、八層煤受底盤五灰和奧灰承壓水的嚴重威脅，全局可采儲量中受水威脅達47％。自66年以來，發(fā)生出水120余次，85年8月陶陽礦9507面突水17940m3/h，淹沒中一井。通過認真分析突水原因，在不斷實踐、認真總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，本著“主動治理水害，防患于未然”的防治水原則，逐步探索出“以預(yù)注漿改造五灰的富水性，上封導(dǎo)水裂隙，消除導(dǎo)高，加固煤層底板，下堵奧灰補給通道，切割水源，達到改造、加固、封源之目的的綜合防治技術(shù)”。有效地預(yù)防了工作面底板出大水，實現(xiàn)安全開采。

2 影響底板承壓水突出因素分析

采掘過程中，底板承壓水突出是多方面因素綜合作用的結(jié)果，根據(jù)肥城煤田歷次突水情況分析主要有以下因素。

2.1 礦山壓力

采礦過程中礦山壓力對工作面底板具有嚴重的破壞作用，致使裂隙發(fā)生，導(dǎo)致出水，是承壓水突出的誘導(dǎo)因素。隨著工作面推進，工作面底板任一斷面，總是經(jīng)歷超前支撐壓力而壓縮，采后懸頂卸壓膨脹，再后頂板冒落壓實的再受壓過程。

1）超前壓力壓縮區(qū)：在工作面前方0～30m，壓力峰值在2～10m煤體內(nèi)，煤壁前方的底板巖層受到支承壓力被壓縮，巖體內(nèi)由于應(yīng)力升高而聚集了大量的應(yīng)變能。當(dāng)支承壓力超過底板巖層的極限時，底板巖石出現(xiàn)塑性變性，產(chǎn)生斜交及垂直于底板巖層的采動裂隙。

2）卸壓膨脹區(qū)：距煤壁0～-30m，工作面向前推進，位于采空區(qū)的工作面底板因卸壓由壓縮狀態(tài)轉(zhuǎn)入膨脹狀態(tài)。巖體內(nèi)應(yīng)變能釋放，逐漸消耗在對巖體的破壞上，位于上部的直接底板在礦壓作用下產(chǎn)生底鼓，由于底板巖層每一層厚度及力學(xué)性質(zhì)不同，因而層與層之間上鼓程度不同，巖層間產(chǎn)生離層裂隙。同時，在每層上表面產(chǎn)生垂直裂隙。因而此階段產(chǎn)生的裂隙最多，底板破環(huán)最嚴重，最容易出水。

3）采后應(yīng)力恢復(fù)穩(wěn)定區(qū)：隨著工作面推進，頂板不斷冒落壓實，底板巖層由膨脹狀態(tài)經(jīng)緩慢巖體變性逐漸恢復(fù)到原始狀態(tài)，采動裂隙減少，甚至閉合。應(yīng)力恢復(fù)區(qū)的位置一般距煤壁-30～-70m。

在工作面初次來壓與周期來壓時，頂板的懸頂面積最大，底板受破壞最大，采動裂隙最發(fā)育，再加上老頂垮落時的巨大沖擊力，底板最容易發(fā)生突水。工作面自切眼推到60m這段距離時，即初次來壓與第一次周期來壓時，底板發(fā)生突水的總概率最大。

2.2 斷裂構(gòu)造

斷裂構(gòu)造的存在破壞了底板的完整性，降低了隔水巖層的強度，縮短了煤層到含水層的距離，在礦壓、水壓作用下易充水導(dǎo)水，成為突水通道。

肥城礦區(qū)突水，絕大部分與斷裂構(gòu)造有關(guān)，如查莊礦2003年10月27日8500皮帶巷14﹟殘采洞，遇一落差3米斷層回撤，后因內(nèi)應(yīng)力變化地層受擠壓發(fā)生變形而使斷層導(dǎo)水，最大涌水量706 m3/h，致使礦井處以半停產(chǎn)狀態(tài)。陶陽礦9901工作面，因開切眼沒留足東8號斷層煤柱，推采12m，出水1083m3/h。9507工作面是由北東向?qū)?0cm的構(gòu)造裂隙，出水1794m3/h而淹井。

一般情況下在斷層交叉、尖滅，拐彎等地段易發(fā)生出水；向斜軸部、張性裂隙發(fā)育帶易發(fā)生出水；隱伏裂隙構(gòu)造處易被忽視，導(dǎo)致出水。斷裂構(gòu)造為承壓水提供了通道，是造成突水的重要因素。

2.3 隔水層

隔水層對出突水起限制作用，其阻水能力是由其厚度和抗張強度決定的。厚度越大，抗張強度越強，越不易出水。而且煤層底板巖性及地層結(jié)構(gòu)是控制底板采動影響的重要因素。

隔水層厚度是指煤層到底板含水層之間的距離，由采礦對底板破壞深度和有效隔水層厚度及導(dǎo)高三部分組成。導(dǎo)高是承壓水沿導(dǎo)水裂隙上升的高度，起阻水作用的主要是有效隔水層厚度。如果采礦對底板破壞深度大，導(dǎo)高又大，則有效隔水層厚度相對減小，就容易出水。

2.4 含水層的富水性

含水層的富水性是突水大小的物質(zhì)基礎(chǔ)，它決定著突水后的水害規(guī)模，及對礦井的威脅程度。含水層的富水性與埋深、巖溶發(fā)育程度及構(gòu)造發(fā)育程度有關(guān)。

2.5 水壓

水壓是工作面出水的動力，分靜水壓力和動水壓力兩種，未出水前表現(xiàn)為靜水壓力。出水后承壓水頭降低，部分勢能轉(zhuǎn)換為動能，這時靜水壓力和動水壓力同時起作用。

靜水壓力對隔水層原生裂隙具有楔劈擴大作用，水壓愈高，作用愈顯著，回采中在靜水壓力作用下，底板隔水層薄弱部位常常發(fā)生出水。

動水壓力作用主要表現(xiàn)出水后對裂隙的沖刷及物質(zhì)搬運作用，在動水壓力作用下，裂隙被沖刷擴大，充填物質(zhì)不斷被帶走，水源通道越來越暢通，出水量越大。

3 安全開采承壓含水層富水區(qū)上覆煤層的途徑

肥礦集團在開采承壓含水層上覆煤層過程中發(fā)生多次出突水。因此，如何實現(xiàn)承壓水上覆煤層的安全開采，成為急待解決的大問題。

1）留設(shè)防水煤柱。是防止斷層、陷落柱突水的有效措施之一。

2）對五灰進行注漿改造。五灰位于太原群下部煤層和奧灰之間，雖與奧灰水聯(lián)系密切，但其厚度小，容易治理。從影響底板突水因素分析，如果想法切斷五灰與奧灰水聯(lián)系，減少其補給量，充填五灰及上部隔水層裂隙，改變五灰本身的富水性，就能有效地預(yù)防工作面底板出水，實現(xiàn)安全回采。

對五灰注漿改造的作用是：①改變五灰富水性。在注漿壓力作用下，漿液沿裂隙擴散、沉淀、結(jié)石，充填五灰?guī)r溶裂隙，改變其富水性，使其成為弱含水或不含水。變含水層為隔水層；②切斷了奧灰水向五灰補給通道。注漿過程中漿液沿著奧灰補給給通道向下擴散、沉淀、結(jié)石，堵塞或縮小通道斷面，減少或杜絕奧灰對五灰的補給水量；③加固底板隔水層。在注漿壓力下，漿液沿五灰裂隙上升，擴散、固結(jié)、封堵。消除了原始導(dǎo)高，增加了有效隔水層厚度，提高了底板強度。

3）建立足夠疏排水工程。

4）完善隔離工程。建造水閘門、密閉墻，把礦井的兩井、兩翼、各水平、上下組煤之間有效隔離，限制災(zāi)情擴大。

5）回采面切眼挑頂布置，按規(guī)定放頂，縮小最大控頂距，支柱穿鞋等，減少礦壓對底板破壞。

4 結(jié)語

肥城礦區(qū)在承壓含水層富水區(qū)上覆煤層開采中，采用注漿改造的方法，對于類似水文條件的其他礦區(qū)的水害治理是一個啟發(fā)和借鑒。

張強（1979-），男，漢族，現(xiàn)從事采礦技術(shù)工作。