帶壓開采條件下立體加固底板防治水研究

趙艷鵬

（山西昔陽運(yùn)裕煤業(yè)有限公司，山西 昔陽045300）

在我國煤礦中，底板突水隨開采深度不斷增加而變得越來越難以治理〔1－2〕。礦井涌水來源主要有含水層水、采空區(qū)積水、構(gòu)造水、地表水以及大氣降水等。其中，含水層水、采空區(qū)積水及構(gòu)造水是威脅礦井安全的主要水害〔3－4〕。因砂巖含水層水水壓較小、儲(chǔ)水量不大，僅采用規(guī)范合理的探放水治理手段，便能夠有效防止突水。但對(duì)于石灰?guī)r含水層水，由于石灰?guī)r孔隙發(fā)育、富水性強(qiáng)、水壓較高，應(yīng)采用針對(duì)性強(qiáng)、綜合治理的措施以避免災(zāi)害發(fā)生，如果治水措施不合理容易引起突水事故。在對(duì)采空區(qū)積水進(jìn)行防治時(shí)，應(yīng)全面掌握地質(zhì)資料、采空區(qū)特征及水的賦存狀況，通常采用疏放或留設(shè)保護(hù)煤柱等治理措施。在帶壓開采條件下，對(duì)底板進(jìn)行加固治理，具有一定的工程借鑒意義〔5－6〕。

1 工程背景

運(yùn)裕煤業(yè)5101工作面為帶壓開采，主采5＃煤層，煤厚約10m，煤層底板標(biāo)高為＋1558m～＋1653m。整個(gè)井田范圍內(nèi)5＃煤層幾乎都位于奧陶系石灰?guī)r含水層的高水壓之上，5101工作面底板與奧陶系灰?guī)r間距20～79.86m，平均間距約為56m，底板破壞帶深15.85m，安全隔水厚度40.15m；奧陶系石灰?guī)r含水層水原始導(dǎo)高約為8.8～50.37m，局部范圍的陶陶系石灰?guī)r含水層水能夠發(fā)展至底板破壞帶范圍內(nèi)，工作面安全受到底板突水的巨大威脅。5101工作面為5＃煤層的首采工作面，根據(jù)地質(zhì)資料，5101工作面范圍內(nèi)存在多條構(gòu)造帶，這些構(gòu)造可能成為溝通含水層與煤層的涌水通道。

2 工作面突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

5101工作面為5＃煤層的首采工作面，且?guī)洪_采、構(gòu)造發(fā)育，因此必須對(duì)其突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1）砂巖裂隙含水層與石灰?guī)r巖溶含水層是太原組的主要含水層，本礦井的主要含水層為砂巖含水層與L1、L2石灰?guī)r含水層。根據(jù)以往地質(zhì)勘探鉆孔巖芯分析，L1石灰?guī)r含水層賦存較為穩(wěn)定，厚度范圍為1～6m，平均約2.46 m；L1石灰?guī)r含水層裂隙十分發(fā)育，且隨著深度增加，裂隙與溶孔的發(fā)育程度增加，具備富水條件。因此，L1石灰?guī)r含水層為5＃煤層的主要含水層。

2）如圖1所示，5＃煤層底板與L1石灰?guī)r含水層間巖層有泥巖與砂巖等，泥巖厚度約占80%。泥巖抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度均較低，且泥巖遇水崩解強(qiáng)度進(jìn)一步大大降低，因此煤層底板抗水性較低。根據(jù)現(xiàn)場底板施工鉆孔，底板內(nèi)的砂巖較為破碎，受到采動(dòng)影響更加不能抵抗高水壓。總之，煤層底板隔水層強(qiáng)度低、遇水易崩解，不能抵抗底板承壓水侵入。

圖1 5＃煤層底板巖性示意

3）5＃煤層距L1石灰?guī)r含水層距離約為56m，在揭露石灰?guī)r含水層之前，已經(jīng)鉆探的4個(gè)鉆孔皆已發(fā)生涌水，突水危險(xiǎn)性較大。

4）根據(jù)地質(zhì)資料，工作面內(nèi)存在6個(gè)陷落柱，斷層破碎帶溝通了L1石灰?guī)r含水層與5＃煤層，成為潛在的導(dǎo)水通道，可將L1石灰?guī)r含水層導(dǎo)入底板淺部。在工作面采動(dòng)應(yīng)力影響下，可能引發(fā)突水。

5）5101工作面突水系數(shù)約為0.036～0.046MPa／m，雖然突水系數(shù)不大，但由于工作面開采厚度大，礦山壓力影響范圍大，底板下“三帶”發(fā)育，加之煤層為傾斜煤層，對(duì)煤層底板的擾動(dòng)破壞可能進(jìn)一步加劇。

綜上，在底板巖性強(qiáng)度低、陷落柱溝通煤層與含水層以及傾斜厚煤層帶壓開采條件下的礦山壓力的影響下，底板突水的危險(xiǎn)性極大，務(wù)必針對(duì)具體情況采取綜合防治水措施確保礦井安全生產(chǎn)。

3 帶壓開采防治水方案

3.1 立體加固底板防治水方案

疏降結(jié)合底板加固一般是帶壓開采常用的防治水措施。但5101工作面的突水系數(shù)小于突水臨界值，因此疏降措施不列入方案。采用注漿加固底板隔水層，對(duì)石灰?guī)r含水層上部巖層進(jìn)行改造，最大限度隔絕石灰?guī)r巖溶水與煤層底板，以保證帶壓開采正常進(jìn)行。

運(yùn)裕煤業(yè)的相鄰礦井大遠(yuǎn)煤業(yè)的突水系數(shù)小于華北煤田臨近突水系數(shù)0.06MPa／m，突水危險(xiǎn)性并不大，但是曾發(fā)生兩次較大的底板石灰?guī)r巖溶水突水事故，經(jīng)事故調(diào)查，發(fā)現(xiàn)事故發(fā)生的原因主要是因石灰?guī)r含水層導(dǎo)水裂隙發(fā)育。由于導(dǎo)水裂隙發(fā)育隨機(jī)性強(qiáng)、原始裂隙導(dǎo)高難以確定具體位置，注漿加固底板的效果有限。煤層底板各巖層層間可注性與滲透性較好，注漿擴(kuò)散半徑較大，可利用這一特點(diǎn)，布置傾斜注漿鉆孔，盡可能填充層間，并使得漿液擴(kuò)散更遠(yuǎn)，增強(qiáng)注漿效果，傾斜注漿鉆孔布置見圖2。

圖2 傾斜注漿鉆孔布置示意

3.2 鉆孔布置

首先采用均勻布孔，然后根據(jù)鉆探、化探、物探反饋結(jié)果，及時(shí)調(diào)整布孔方案。與此同時(shí)，在富水異常地帶及鉆探盲區(qū)，適當(dāng)增大布孔密度，鉆孔平面布置見圖3。

3.3 鉆孔參數(shù)

圖3 工作面鉆孔布置示意

均勻布孔下共布置36個(gè)注漿鉆孔，孔行距約60m，孔間距約33m。根據(jù)物探等探測反饋信息，增加5個(gè)注漿孔。注漿之后，基于鉆探結(jié)果與二次物探反饋，在注漿孔揭露的富水地帶增加10個(gè)檢查孔，在檢驗(yàn)注漿效果的同時(shí)也承擔(dān)注漿任務(wù)。共布置51個(gè)注漿孔，由于鉆孔傾斜，孔深最大為200m。為了保證注漿漿液凝固達(dá)到預(yù)期隔水效果，注漿鉆孔施工時(shí)間應(yīng)比工作面回采時(shí)間提前至少30d。

注漿鉆孔設(shè)置二級(jí)套管，一級(jí)套管為孔口護(hù)壁管，直徑146mm，長度不小于2.5m；二級(jí)套管為止水套管，直徑108 mm，長度應(yīng)根據(jù)含水層水壓、底板巖性及注漿孔傾角等參數(shù)共同確定。套管設(shè)置應(yīng)滿足《煤礦防治水規(guī)定》要求。

4 工程實(shí)踐

4.1 隔水層注漿加固

在采動(dòng)應(yīng)力影響下，煤層底板擾動(dòng)、破壞，底板注漿加固深度范圍應(yīng)首選在未遭到破壞的隔水層帶。該工作面于2014年10月開始進(jìn)行回采，工作面回采前，礦井于2014年6月開始對(duì)工作面底板進(jìn)行注漿加固，截至9月底，工作面底板加固工程共注入粉煤灰約3500t，漿料約2000t，鉆孔長度合計(jì)約2900m。經(jīng)對(duì)煤層底板隔水層注漿加固，將石灰?guī)r含水層與煤層隔離開來，大范圍阻斷底板導(dǎo)水通道；與此同時(shí)對(duì)底板裂隙封堵，為石灰?guī)r含水層頂部改造工程創(chuàng)造有利條件。

4.2 石灰?guī)r含水層頂部的改造

由于煤層底板整體抗水性較差，為確保完全防止突水，進(jìn)行石灰?guī)r含水層頂部的注漿改造，利用石灰?guī)r強(qiáng)度較大，將其改造為抵抗下部石灰?guī)r巖溶水的隔水層。經(jīng)方案論證，L1石灰?guī)r頂部改造厚度為25m，鉆孔長度等參數(shù)根據(jù)具體的地層產(chǎn)狀確定。共注入粉煤灰約2500t，漿料約1700t，鉆孔長度合計(jì)約1250m。

5 結(jié)語

1）5101工作面底板巖性強(qiáng)度低、陷落柱溝通煤層與含水層以及傾斜厚煤層帶壓開采條件下的礦山壓力使得底板突水的危險(xiǎn)性增大，為此，采用立體注漿加固底板的綜合治理方案。

2）煤層底板各巖層層間可注性與滲透性較好，注漿擴(kuò)散半徑較大，因此應(yīng)布置傾斜注漿鉆孔，盡可能填充層間，并使得漿液擴(kuò)散更遠(yuǎn)，增強(qiáng)注漿效果。

3）通過隔水層注漿加固配合石灰?guī)r含水層頂部巖層注漿改造，有效防止了帶壓開采條件下的底板突水，保證了工作面帶壓安全開采。

〔1〕張忠苗，鄒 健.樁底劈裂注漿擴(kuò)散半徑和注漿壓力研究〔J〕.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30（2）：181－184.

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