堡子公司9#煤層帶(水)壓開采防治水綜合技術研究

李柬谷

（陽泉煤業（集團）有限責任公司地質測量部，山西 陽泉 045000）

1 礦井概況及9#煤層水文地質條件分析

堡子公司為資源整合礦井，批準開采2#~9#煤層，井田面積7.7184km2，生產規模為90 萬t/a。2016 年4 月21 日山西省煤炭工業廳頒發的晉煤行發[2016]298 號文件重新確定堡子礦的生產能力為76 萬t/a，現采2#煤層。

礦井9#煤層井巷工程開拓延伸以及首采9102工作面移交回采主要位于一采區。根據9#煤層充水因素分析，礦井9#煤層面臨的主要防治水問題為底板奧灰水水害。

1.1 9#煤層底板奧灰含水層富水性特征

井田奧灰峰峰組含水層滲透系數0.00404~10.74m/d，單位涌水量0.00323~1.222L/s.m，為弱-強等富水性含水層，富水性由井田東部向西部逐漸減弱，如圖1 所示。

圖1 奧陶系灰巖含水層富水性分區示意圖

1.2 9#煤層底板奧灰水水害威脅程度

（1）9#煤層帶壓區及奧灰巖溶水突水系數根據資料計算，9#煤層開采奧灰巖溶水突水系數變化范圍為0.022~0.158MPa/m 之間，見表1。在中B1-2 鉆孔處奧灰水突水系數達到最大值0.158MPa/m，如圖2 所示。

表1 9#煤層奧灰巖溶水突水系數計算結果表

圖2 9#煤層奧灰巖溶水突水系數等值線及帶壓開采分區圖

（2）煤層底板采動破壞帶

式中：

H-開采深度，m；

α-煤層傾角，°；

L-工作面斜長，m；

9102 工作面平均埋深H=214.13m，工作面斜長為L=150m，α=8°（首采9102 工作面底板標高+820m~+870m），經計算9#煤層開采后底板破壞帶為h=14.98m（約15m）。

2 9#煤層底板奧灰水害防治技術研究

主要針對底板注漿加固改造和疏水降壓兩種治理措施進行分析研究。

2.1 底板注漿加固及改造

2.1.1 9#煤層底板注漿改造層位

9#煤層距離奧陶系灰巖含水層厚度8.12~38.71m，平均厚度19.12m，采后底板破壞帶深度約15m，底板隔水層基本上全部破壞，因此，采用奧灰頂部峰峰組含水層改造技術加厚、加固煤層底板隔水層或構造斷裂等，為安全開采創造有利條件。為了減少鉆探工程量，采用井下施工方法，如圖3 所示。

圖3 底板含水層注漿改造技術示意圖

2.1.2 9#煤層底板注漿改造利用厚度

9#煤層開采奧灰巖溶水突水系數變化范圍為0.010~0.158MPa/m 之間，局部突水系數大于0.1MPa/m。進行奧灰頂部30m 改造后9#煤層開采奧灰巖溶水突水系數變化范圍為0.010~0.067MPa/m 之間，見表2。井田大面積突水系數小于臨界值0.06MPa/m，屬于帶壓開采相對安全區，井田中部局部突水系數介于0.06MPa/m 與0.10MPa/m 之間，屬于過渡區，過渡區采取合理的探查和治理措施可以實現安全帶壓開采，如圖4 所示。

表2 9#煤層底板奧灰巖溶水突水系數計算結果表（改造奧灰頂部30m）

圖4 9#煤層奧灰巖溶水突水系數等值線及帶壓開采分區圖（考慮奧灰峰峰組頂部改造30m）

2.1.3 巷道掘進底板改造方案

9#煤巷道掘進鉆探采用定向鉆進和常規鉆進相結合的方案，掘進段較短處及物探異常段采用常規鉆進方法，其余段采用定向鉆進。

煤層巷道掘進后底板破壞深度一般小于5m，巷道掘進定向探查孔兼做奧灰改造底板孔（奧灰頂面以下15m 左右），9#煤層至奧灰頂界面厚度在8.12~38.71m 之間，平均厚度19.12m，鉆孔施工可以滿足深度要求，常規鉆探查孔的鉆探深度終孔處設計為9#煤以下垂深10m，定向探查孔鉆探深度終孔處設計為奧灰頂界面以下垂深15m，如圖5 所示。

圖5 定向探查孔縱剖面圖

2.1.4 回采工作面底板改造方案

（1）底板注漿改造鉆孔布置

工作面底板孔全部采用定向孔；鉆孔水平投影均勻布滿探測區域，沿走向平行孔段間距為40m；鉆孔軌跡設計為“直線—曲線—直線”型，鉆孔拐彎幅度最大30°；鉆孔進入奧灰巖層內部，使之沿奧灰巖層內部延伸。堡子井田9#煤層共分為2 個采區，一采區設計7 個回采工作面，本次預布7 個鉆場29 個鉆孔；二采區設計6 個回采工作面，本次預布4 個鉆場20 個鉆孔，如圖6 所示。定向孔總進尺45742m。對于局部定向鉆進盲區，加之物探電法探查后存在的異常區，采用常規鉆，常規鉆按4575m 考慮（按定向鉆的10%）。

圖6 9 號煤底板定向注漿孔布置示意圖

（2）注漿效果檢查

每個工作面初步布置一個檢查孔，一采區7 個檢查孔，二采區5 個檢查孔，總進尺10115m。

2.1.5 底板注漿改造經濟可行性

（1）費用概算

根據對9#煤層底板改造鉆探工程量、注漿工程量的預計，對費用進行了估算，9#煤層底板奧灰頂部注漿改造工程費用概算約25788.455 萬元，見表3。

表3 費用概算

（2）效益評述

根據生產地質報告，礦井9#煤層保有資源/儲量為2566 萬t。根據堡子公司開采方案，9#煤層分為兩個采區，二采區工作面為6 個，一采區工作面為7 個，共計可采出煤量450 萬t。本次井田9#煤層底板奧灰頂部注漿改造工程費用概算約25788.455萬元，噸煤防治水費用為57.31 元。

2.2 奧灰水疏水降壓

2.2.1 奧灰水疏水降壓可行性

根據聯合放水試驗結果，分析井田內奧灰水的可疏降性。

（1）降深與涌水量的比值關系判別標準

降深與涌水量的比值關系作為疏降可行性的判別標準：

式中：

S-主要控放范圍內的水位降深，m；

Q-主要控放范圍內的涌水量，m3/min。

（1）S'0>10，補給較弱，易疏降；

（2）3 ≤S'0≤10，補給較強，可以疏降；

（3）S'0<3，補給很強，不宜直接疏降。

水文地質補勘鉆孔放水試驗降深與涌水量的比值關系見表4。根據計算結果顯示，奧灰峰峰組O2f降深與涌水量的比值大于3，說明含水層補給較強，可以疏降。

（2）滲透系數判別標準

疏干與含水層的滲透系數關系極大，根據水文孔資料，堡子礦奧灰峰峰組含水層滲透系數0.00404~10.74m/d，平均值1.62m/d，奧灰峰峰組含水層水可以進行疏水降壓，但是局部K<0.3m/d 的區域疏降性會不理想。

表4 堡子礦放水試驗降深與涌水量的比值關系表

2.2.2 工作面疏降水量預測

采用“大井法”對9#煤層底板奧灰水帶壓開采采用疏水量進行預測：

式中：

Q-疏降水量，m3/d；

K-滲透系數，m/d；

M-含水層厚度，m；

S-水位降深，m；

γ0-引用半徑，m；

R0-引用影響半徑，m。

井田內奧灰峰峰組（O2f）厚度大于100.00m，含水層厚度M=100m；首采9102 工作面西側B1-3水文孔奧灰水位+926.15m，工作面底板標高最低處為+820m 左右，水位降深S=106.15m；含水層滲透系數0.00404~10.74m/d，平均值K=1.62m/d。經過計算9102 工作面奧灰水位疏降至+820m 時，采取疏水降壓措施，疏降水量約2372m3/h。

總體上，疏水降壓疏降水量大，持續時間較長，現有礦井排水系統不能滿足疏水降壓的要求。

3 結論

通過對9#煤層開采底板奧灰含水層富水特征以及奧灰水害對9#煤層開采的威脅程度的分析，提出9#煤層底板注漿加固改造和疏水降壓防治水治理措施，確定了堡子公司9#煤帶壓開采底板注漿加固治理的可行性，為礦井安全生產提供了技術保障。