帶壓開采條件下立體加固底板防治水研究

趙艷鵬

（山西昔陽運裕煤業有限公司，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、采空區積水、構造水、地表水以及大氣降水等。其中，含水層水、采空區積水及構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、儲水量不大，僅采用規范合理的探放水治理手段，便能夠有效防止突水。但對于石灰巖含水層水，由于石灰巖孔隙發育、富水性強、水壓較高，應采用針對性強、綜合治理的措施以避免災害發生，如果治水措施不合理容易引起突水事故。在對采空區積水進行防治時，應全面掌握地質資料、采空區特征及水的賦存狀況，通常采用疏放或留設保護煤柱等治理措施。在帶壓開采條件下，對底板進行加固治理，具有一定的工程借鑒意義〔5－6〕。

1 工程背景

運裕煤業5101工作面為帶壓開采，主采5＃煤層，煤厚約10m，煤層底板標高為＋1558m～＋1653m。整個井田范圍內5＃煤層幾乎都位于奧陶系石灰巖含水層的高水壓之上，5101工作面底板與奧陶系灰巖間距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；奧陶系石灰巖含水層水原始導高約為8.8～50.37m，局部范圍的陶陶系石灰巖含水層水能夠發展至底板破壞帶范圍內，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，根據地質資料，5101工作面范圍內存在多條構造帶，這些構造可能成為溝通含水層與煤層的涌水通道。

2 工作面突水危險性評價

5101工作面為5＃煤層的首采工作面，且帶壓開采、構造發育，因此必須對其突水危險性進行評價。

1）砂巖裂隙含水層與石灰巖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石灰巖含水層。根據以往地質勘探鉆孔巖芯分析，L1石灰巖含水層賦存較為穩定，厚度范圍為1～6m，平均約2.46 m；L1石灰巖含水層裂隙十分發育，且隨著深度增加，裂隙與溶孔的發育程度增加，具備富水條件。因此，L1石灰巖含水層為5＃煤層的主要含水層。

2）如圖1所示，5＃煤層底板與L1石灰巖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、抗剪強度均較低，且泥巖遇水崩解強度進一步大大降低，因此煤層底板抗水性較低。根據現場底板施工鉆孔，底板內的砂巖較為破碎，受到采動影響更加不能抵抗高水壓。總之，煤層底板隔水層強度低、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石灰巖含水層距離約為56m，在揭露石灰巖含水層之前，已經鉆探的4個鉆孔皆已發生涌水，突水危險性較大。

4）根據地質資料，工作面內存在6個陷落柱，斷層破碎帶溝通了L1石灰巖含水層與5＃煤層，成為潛在的導水通道，可將L1石灰巖含水層導入底板淺部。在工作面采動應力影響下，可能引發突水。

5）5101工作面突水系數約為0.036～0.046MPa／m，雖然突水系數不大，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”發育，加之煤層為傾斜煤層，對煤層底板的擾動破壞可能進一步加劇。

綜上，在底板巖性強度低、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，底板突水的危險性極大，務必針對具體情況采取綜合防治水措施確保礦井安全生產。

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，對石灰巖含水層上部巖層進行改造，最大限度隔絕石灰巖巖溶水與煤層底板，以保證帶壓開采正常進行。

運裕煤業的相鄰礦井大遠煤業的突水系數小于華北煤田臨近突水系數0.06MPa／m，突水危險性并不大，但是曾發生兩次較大的底板石灰巖巖溶水突水事故，經事故調查，發現事故發生的原因主要是因石灰巖含水層導水裂隙發育。由于導水裂隙發育隨機性強、原始裂隙導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，注漿擴散半徑較大，可利用這一特點，布置傾斜注漿鉆孔，盡可能填充層間，并使得漿液擴散更遠，增強注漿效果，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，然后根據鉆探、化探、物探反饋結果，及時調整布孔方案。與此同時，在富水異常地帶及鉆探盲區，適當增大布孔密度，鉆孔平面布置見圖3。

3.3 鉆孔參數

圖3 工作面鉆孔布置示意

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

注漿鉆孔設置二級套管，一級套管為孔口護壁管，直徑146mm，長度不小于2.5m；二級套管為止水套管，直徑108 mm，長度應根據含水層水壓、底板巖性及注漿孔傾角等參數共同確定。套管設置應滿足《煤礦防治水規定》要求。

4 工程實踐

4.1 隔水層注漿加固

在采動應力影響下，煤層底板擾動、破壞，底板注漿加固深度范圍應首選在未遭到破壞的隔水層帶。該工作面于2014年10月開始進行回采，工作面回采前，礦井于2014年6月開始對工作面底板進行注漿加固，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，鉆孔長度合計約2900m。經對煤層底板隔水層注漿加固，將石灰巖含水層與煤層隔離開來，大范圍阻斷底板導水通道；與此同時對底板裂隙封堵，為石灰巖含水層頂部改造工程創造有利條件。

4.2 石灰巖含水層頂部的改造

由于煤層底板整體抗水性較差，為確保完全防止突水，進行石灰巖含水層頂部的注漿改造，利用石灰巖強度較大，將其改造為抵抗下部石灰巖巖溶水的隔水層。經方案論證，L1石灰巖頂部改造厚度為25m，鉆孔長度等參數根據具體的地層產狀確定。共注入粉煤灰約2500t，漿料約1700t，鉆孔長度合計約1250m。

5 結語

1）5101工作面底板巖性強度低、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，注漿擴散半徑較大，因此應布置傾斜注漿鉆孔，盡可能填充層間，并使得漿液擴散更遠，增強注漿效果。

3）通過隔水層注漿加固配合石灰巖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.樁底劈裂注漿擴散半徑和注漿壓力研究〔J〕.巖土工程學報，2008，30（2）：181－184.

〔2〕張 霄，李術才，張慶松，等.關鍵孔注漿方法在 高壓裂隙水封堵中的應用研究〔J〕.巖石力學與工程學報，2011，30（7）：1414－1421.

〔3〕阮文軍，王文臣，胡安兵.新型水泥復合漿液的研制及其應用〔J〕.巖土工程學報，2001，23（2）：212－216.

〔4〕肖樂樂，魏久傳，尹會水，等.南屯煤礦下組煤西區煤層底板突水危險性評價〔J〕.礦業安全與環保，2012，39（5）：85－88.

〔5〕李術才，張 霄，張慶松，等.地下工程涌突水注漿止水漿液擴散機制和封堵方法研究〔J〕.巖石力學與工程學報，2011，30（12）：2377－2396.

〔6〕劉增輝，楊本水.利用數值模擬方法確定導水裂隙帶發育高度〔J〕.礦業安全與環保，2006，33（5）：16－19.