巨厚煤層寬大工作面綜采放頂煤開(kāi)采水害防治研究

楊 程

（鄂爾多斯市國(guó)源礦業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司龍王溝煤礦，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾旗 017100）

準(zhǔn)格爾煤田龍王溝煤礦可采煤層有5 層，主采的6 煤層厚度達(dá)4～30.1 m，平均18.34 m。礦井開(kāi)采主要受頂板碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組（上石盒子組、下石盒子組、山西組砂巖裂隙含水層）和底板太原組砂巖裂隙含水層及寒武奧陶系巖溶裂隙含水組[1]雙重威脅。奧陶系灰?guī)r（靜水位為869.7 m）上距6 煤層底板約44.5 m，局部富水性極強(qiáng)，補(bǔ)給水源穩(wěn)定、充足（井田位于天橋巖溶地下水系，東距黃河約10 km）[2]。6 煤層底板承受奧灰水壓0～2.7 MPa，工作面推采過(guò)程中如揭露隱伏導(dǎo)水構(gòu)造可能造成突水事故[3]；采高超過(guò)23.5 m，工作面傾向長(zhǎng)達(dá)255 m，采動(dòng)影響對(duì)底板破壞深度較大[4],易發(fā)生底板出水；頂板含水層富水性不均一，局部山西組砂巖富水性中等，頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度大于197 m[5]，導(dǎo)通上部多層含水層。因此61601 工作面作為礦井首采工作面，如何有效探查和治理水害，對(duì)準(zhǔn)格爾煤田受水害威脅礦井的安全開(kāi)采，均有十分重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 61601 工作面概況

工作面傾向長(zhǎng)度為255 m，推采長(zhǎng)度615 m，開(kāi)采面積約0.16 km2，采用長(zhǎng)壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板，綜采放頂煤一次采全高工藝。工作面煤層傾角0°～5°，沉積基底呈緩波狀起伏，底板標(biāo)高846.6～858.1 m，處于奧灰水水位（869.7 m）以下24 m，水頭壓力為0.24 MPa，底板突水系數(shù)為0.005 4 MPa/m。主要含水層與煤層結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 主要含水層與煤層結(jié)構(gòu)示意圖

2 工作面防治水工程設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

按照《煤礦防治水細(xì)則》[6]第四十一條規(guī)定，采取物探、鉆探相互結(jié)合的方法探測(cè)工作面頂、底板富水性及隱伏導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)育情況，并對(duì)富水異常區(qū)、構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行底板注漿改造或頂板砂巖水疏放，最后編制水文地質(zhì)情況評(píng)價(jià)報(bào)告和水害隱患治理消除情況分析報(bào)告。

物探選用直流電測(cè)深、音頻電透視、瞬變電磁、無(wú)線電坑透、槽波地震等方法，為鉆探設(shè)計(jì)提供依據(jù)；鉆探采用常規(guī)鉆和定向鉆相結(jié)合的方法，與物探成果相互驗(yàn)證。

2.2 施工方案

2.2.1 鉆場(chǎng)布置及探查層位

（1）定向鉆場(chǎng)鉆孔布置

鉆場(chǎng)布置于順槽開(kāi)門口附近，鉆孔與順槽方向平行布置在工作面內(nèi)側(cè)，底板孔3 個(gè)，間距50 m，探查層位為鋁土質(zhì)泥巖以上的細(xì)砂巖，距煤層底板約35 m；頂板孔2 個(gè)，間距70 m，探查層位為山西組下層粗砂巖，距煤層頂板約40 m。

（2）常規(guī)鉆場(chǎng)鉆孔布置

順槽掘進(jìn)時(shí)每隔100 m 布置1 個(gè)鉆場(chǎng)，切眼內(nèi)布置2 個(gè)鉆場(chǎng)。鉆場(chǎng)內(nèi)布置3 個(gè)底板孔和2 個(gè)頂板孔：其中2 個(gè)底板孔在工作面內(nèi)側(cè)，朝向停采線的鉆孔進(jìn)入鋁土質(zhì)泥巖，距工作面底板約30 m；朝向初采切眼的鉆孔進(jìn)入奧陶系灰?guī)r頂界以下10 m，距工作面底板約45 m；第3 個(gè)孔垂直順槽方向布設(shè)在工作面外側(cè)，終孔于鋁土質(zhì)泥巖；頂板孔一個(gè)垂直運(yùn)輔順槽、朝向工作面內(nèi)部，探查至上石盒子組上部砂巖，距巷道頂板垂深約268 m；第二個(gè)與順槽斜交、朝向工作面外側(cè)，探查至山西組上層砂巖，距巷道頂板垂深約60 m。

2.2.2 超前疏放與注漿設(shè)計(jì)

頂板砂巖水富水性弱，以靜儲(chǔ)量為主，采取超前疏放進(jìn)行治理；底板奧灰水局部富水性強(qiáng)，水源補(bǔ)給穩(wěn)定，采取注漿封堵方式進(jìn)行治理。據(jù)此，制定超前疏放與注漿方案如下。

（1）超前疏放方案：頂板鉆孔涌水量低于0.01 m3/h 視為疏干。

（2）注漿方案：探至奧灰的底板鉆孔水量不大于2 m3/h，其余孔水量不大于0.5 m3/h。驗(yàn)收后封孔，探查結(jié)束。否則，注漿封堵后再掃孔驗(yàn)證直至符合上述標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.3 工作面防治水效果驗(yàn)證設(shè)計(jì)

探查與治理工程施工完成后再次物探、鉆探進(jìn)行治理效果驗(yàn)證。

3 工作面水害探查、治理及評(píng)價(jià)

3.1 工作面物探探查

3.1.1 頂板電法成果

采用瞬變電磁進(jìn)行探查，抽取三個(gè)方位數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格差值得到巷道頂板低阻異常趨勢(shì)平面圖，在頂板上50～100 m 之間發(fā)現(xiàn)富水異常。瞬變電磁法探測(cè)頂板低阻異常趨勢(shì)平面圖如圖2。

圖2 瞬變電磁法探測(cè)頂板低阻異常趨勢(shì)平面圖

3.1.2 底板電法成果

（1）直流電測(cè)深探測(cè)成果

在主運(yùn)順槽發(fā)現(xiàn)2 處低阻異常區(qū)：1 號(hào)（與直流電測(cè)深成果異常共同編號(hào)）位于30～50 m 之間；3 號(hào)位于470～580 m 之間，縱向上在底板下0～80 m均有發(fā)育。輔運(yùn)順槽發(fā)現(xiàn)3 處低阻異常區(qū)：1 號(hào)位于 0～50 m 之間，縱向上在底板下 0～80 m 間均有發(fā)育；2 號(hào)位于320～350 m 之間，縱向上在底板下30～40 m 間發(fā)育；3 號(hào)位于 510～570 m 之間。底板直流電測(cè)深低阻異常平面圖如圖3。

圖3 底板直流電測(cè)深低阻異常平面圖

（2）音頻電透視探測(cè)成果

在主運(yùn)順槽發(fā)現(xiàn)2 組低阻異常區(qū)：2 號(hào)位于70～380 m 之間，3 號(hào)位于 490～650 m 之間（范圍同直流電測(cè)深測(cè)定3 號(hào)異常區(qū)）。音頻電透視低阻異常平面圖如圖4。

圖4 音頻電透視低阻異常平面圖

3.2 頂板水探查與治理情況

3.2.1 施工情況

2017 年 11 月—2018 年 1 月 ,施工鉆孔 30 個(gè)對(duì)頂板砂巖含水層及異常范圍進(jìn)行了探查與疏放，其中常規(guī)穿層孔14 組28 孔總進(jìn)尺5403 m，定向孔2個(gè)總進(jìn)尺1626 m，單孔初始水量介于0～0.45 m3/h 間。

3.2.2 頂板疏放水效果及評(píng)價(jià)

頂板孔單孔初始水量均＜0.5 m3/h，且截至2018 年3 月底，所有頂板孔水量均降至0.01 m3/h 以下，累計(jì)疏放水量約2200 m3，水量衰減率達(dá)90%以上，視為疏干完成。

3.3 底板水探查與治理情況

3.3.1 施工情況

2017 年 11 月—2018 年 2 月共施工鉆孔 41 個(gè)，其中常規(guī)穿層孔14 組38 孔進(jìn)尺2634 m，順層定向鉆孔3 個(gè)進(jìn)尺2463 m，單孔初始水量0～0.6 m3/h。所有底板孔觀測(cè)水壓、水溫、取水樣化驗(yàn)后封孔，總用水泥量25.65 t。

3.3.2 底板探查與治理效果及評(píng)價(jià)

底板孔單孔初始水量均小于0.6 m3/h，水壓均小于0.2 MPa，工作面底板距離奧灰約44 m，施工過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)漏液、卡鉆、塌孔等現(xiàn)象，鉆孔注漿時(shí)用量小。綜合分析認(rèn)為，工作面內(nèi)區(qū)域裂隙不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)大型導(dǎo)水通道。

3.4 底板物探異常區(qū)驗(yàn)證

在物探發(fā)現(xiàn)的9 個(gè)異常區(qū)內(nèi)（與常規(guī)鉆結(jié)合）扇形施工3 個(gè)穿層孔，共施工8 組15 孔1765 m，單孔涌水量在0.01～0.4 m3/h 間。綜合分析認(rèn)為，異常區(qū)域富水性弱，對(duì)回采無(wú)影響。鉆場(chǎng)及鉆孔施工圖如圖5。

圖5 鉆場(chǎng)及鉆孔施工圖

4 防治水治理效果驗(yàn)證

防治水工程施工結(jié)束后，采用無(wú)線電坑透驗(yàn)證施工效果，僅在輔運(yùn)順槽外側(cè)發(fā)現(xiàn)1 處底板異常并施工驗(yàn)證孔4 個(gè)325 m，單孔涌水量在0～0.1 m3/h 間，證明區(qū)域內(nèi)富水性弱，對(duì)回采無(wú)影響。

5 工作面防治水措施

（1）確保足夠的排水能力和排水系統(tǒng)暢通。工作面總排水能力大于300 m3/h，大于預(yù)測(cè)的最大涌水量77.4 m3/h（采用大井法和富水性系數(shù)比擬法），礦井主、副水倉(cāng)容量5600 m3，最大排水能力為2900 m3/h，抗災(zāi)能力較強(qiáng)。

（2）加強(qiáng)頂板初次來(lái)壓、“見(jiàn)方”等特殊時(shí)期水文觀測(cè)，教育職工增強(qiáng)水患意識(shí)，提高水害征兆的判別能力，發(fā)現(xiàn)水害威脅，立即按避災(zāi)路線有序撤出所有受水威脅地點(diǎn)的人員，并報(bào)告礦調(diào)度室。

（3）杜絕長(zhǎng)時(shí)間停采，堅(jiān)持正規(guī)循環(huán)作業(yè)，保證工作面快速、連續(xù)、均衡推進(jìn)，避免來(lái)壓集中。

（4）加強(qiáng)地表塌陷區(qū)觀測(cè)，對(duì)塌陷坑、裂縫、低洼點(diǎn)等容易積水的地點(diǎn)及時(shí)填平填實(shí)、疏浚泄洪通道或采取排水措施，防止積水進(jìn)入井下。

（5）嚴(yán)格執(zhí)行災(zāi)害性天氣停產(chǎn)撤人制度。編制水害應(yīng)急預(yù)案及現(xiàn)場(chǎng)處置措施并進(jìn)行應(yīng)急預(yù)案演練，教育職工熟知避災(zāi)路線。

6 工作面回采防治水安全性評(píng)價(jià)

工作面共施工常規(guī)鉆孔85 個(gè)，定向鉆孔5 個(gè)，總進(jìn)尺14 216 m，鉆孔布置與鉆探量滿足生產(chǎn)要求；頂板含水層組賦水性弱，以靜儲(chǔ)量為主且已疏干，對(duì)回采無(wú)影響；工作面突水系數(shù)小于底板受構(gòu)造破壞底板臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m，并經(jīng)過(guò)有效探查與治理，可安全回采；排水系統(tǒng)滿足生產(chǎn)需要，防治水措施可行，可作為工作面帶壓開(kāi)采依據(jù)。

7 結(jié) 語(yǔ)

該工作面共投入防治水資金860 余萬(wàn)元，采用物探與鉆探結(jié)合、常規(guī)鉆與定向鉆相結(jié)合對(duì)工作面內(nèi)部導(dǎo)水構(gòu)造進(jìn)行探查，對(duì)異常區(qū)進(jìn)行注漿加固治理，大大降低了突（出）水風(fēng)險(xiǎn)，為工作面安全回采提供了保障。

截至回采結(jié)束時(shí)，測(cè)得工作面的正常涌水量為13.2 m3/h，最大涌水量19.5 m3/h（防滅火注漿影響），未發(fā)生異常涌水，安全開(kāi)采煤量近500 萬(wàn)t，防治水工程效果得到有效驗(yàn)證。