含水厚煤層綜放開采水害防治技術的研究應用

張學偉

（晉能控股煤業集團 煤峪口礦，山西 大同 037041）

1 礦井概況

煤峪口礦是大同煤礦集團下屬的礦井，是全國首個進行綜合機械化試驗開采的礦井，累計生產1.2 億t 高質量煤礦。礦井位于大同煤礦東南翼，東西走向10.5 km，南北走向1.8 km，總面積15.154 5 km2[1]。煤礦水害是煤礦安全開采的一大嚴重阻礙因素，5812 工作面主采6 號煤，煤層厚約5 m，屬于厚煤層開采。在煤礦開采過程中，頂板、底板、采空區等均存在不同程度的水害隱患，為確保煤礦開采安全高效的進行，對存在的水害問題進行研究及防治尤為必要。

1.1 地質概況

煤峪口礦5812 工作面走向長2 km，開采寬度為230 m，煤層傾角為0～5°，工作面內可采煤層有2 號、3 號、6 號、9 號共4 層，其中6 號煤層相對穩定，煤層厚約5 m，可穩定開采，開采方式為綜放開采，頂板采用全部垮落法管理，煤層結構較復雜。開采工作面為首采工作面，巷道掘進過程中出水點較多，且涌水量較大，單孔出水量最大達120 m3/h。

1.2 構造特征

6 號煤層直接頂由中砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖組成，厚度為2～30 m，整體不穩定，開采中容易發生離層塌落；老頂為細砂巖，厚4 m，整體性比較好，裂隙不發育；偽頂為泥巖，厚0.5～0.7 m，發育于中部，如圖1 所示。工作面內已完成施工的6 號煤層底板距離下伏奧陶系灰巖45～70 m，如圖2 所示。

圖1 6 煤頂板150 m 內砂巖、泥巖厚度比值等值線圖Fig.1 Thickness ratio contour diagram of sandstone and mudstone within 150 m roof of No.6 coal seam

圖2 6 號煤層底板至奧灰等值線圖Fig.2 Contour diagram from floor to Ordovician limestone of No.6 coal seam

6 號煤層頂板含水層，巖性以中砂巖為主，平均厚6 m，根據抽水試驗資料可知，水量最大達23 m3/h，單位涌水量為0.06 L/s·m。底板隔水層以粗砂巖、中砂巖、細砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖組成，局部位置砂巖直接覆蓋于奧灰含水層上，隔水層厚20～60 m。

1.3 水源勘探

回采過程中存在水害隱患的是頂板和底板。頂板砂巖裂隙發育，鉆孔發現，鉆孔單位涌水量平均為0.05 L/s·m，滲透系數為0.001～0.08 m/d，可知雖然裂隙發育，但富水性弱。底板水水源為奧灰水，勘探中，設計施工了見6 號煤層同時見奧灰的鉆孔44 個，底板到奧陶系灰巖含水層頂板距離在20～60 m，經勘探得知，該區域裂隙發育，受裂隙發育的影響，局部富水性較強，工作面內水位穩定，標高約880 m，最大涌水量3.6 L/s·m，滲透系數為5.4 m/d，富水性強，水位標高與煤層底板標高比較可知煤層底板有水壓，靜水壓約1.5 MPa。

2 水害防治方案研究

2.1 水害隱患

綜上可知，6 號煤層頂板富水性較弱，底板富水性強，因此文章主要進行底板防治水研究，6 號煤層開采方式為帶壓開采，通過計算突水系數、安全隔水層厚度比值系數、安全水壓3 個數據來分析水害隱患。

2.1.1 安全隔水層厚度比值系數

通過水壓、巖石容重、開采面寬度及抗壓強度等數據，基于斯列薩遼夫公式計算分析安全隔水層厚度比值系數，同樣取上述7 個鉆孔原始數據進行計算，得到的結果在0.503 5～0.720 6，小于1，說明突水發生可能性較小[2]。

2.1.2 安全水壓

根據地質條件可知，研究工作面奧灰水壓最大值為1.5 MPa，根據工作面隔水層厚度及平均厚度、巷道寬度、隔水層平均抗拉強度參數信息，可計算得出底板隔水層安全水壓為60 MPa，兩者比較可知奧灰水層對掘進危害性較小[3]。

2.1.3 突水系數Ts

式中：Ts為突水系數[2]，臨界值取0.06 MPa/m；P 為底板隔水層水壓，MPa；M 為底板隔水層厚度，m。

在研究工作面取7 個鉆孔數據分析突水系數，計算結果見表1。

表1 6 號煤層突水系數計算結果Table 1 Calculating results of sudden water coefficient of No.6 coal seam

由表1 可知，突水系數最大為0.068 MPa/m，高于臨界值，有發生突水水害的可能性。此外，由于裂隙發育，在裂隙區域，底板隔水層基本失去隔水作用，將會對掘進造成威脅，因此需進行防治水設計。

2.2 注漿加固防治方案設計

帶壓開采時，在開采工作面前方和構造周圍發生突水危害的可能性較大，水害防治的原則是“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”，根據工作面實際結構特征設計“防、探、堵、疏、排、截”的預防治理措施。本文采用注漿加固地板巖層的方法來進行底板突水事故的預防和治理。

2.2.1 注漿孔設計

注漿孔的設計根據煤峪口礦以往注漿經驗，以及注漿擴散半徑約30 m 設計，為確保阻止側向來水，注漿孔設計延長至溜子道和材料道兩側各50 m，共設計鉆場32 個，開采工作面端頭鉆場設計8個鉆孔，其他均設計為4 個，如圖3 所示。

圖3 注漿孔布局示意Fig.3 Grouting holes layout presentation

2.2.2 注漿工藝

注漿加固主要是對底板隔水層進行架構鞏固，同時增強底板強度，以確保開采過程安全。此次底板突水防治采用的注漿設備為150 型鉆機、高壓水泵、φ127 mm 和φ75 mm 無芯鉆頭、以及φ108 mm 套管等。選用的注漿材料為425 號新鮮普通硅酸鹽水泥，漿液與水灰比值初始為2∶1，注漿施工過程中，注漿流暢，稍增加漿液濃度，水灰比整體控制在1.8∶1～1.2∶1。注漿壓力根據鉆孔出水的情況，設計為1.5～2 倍水源壓力。注漿巖層為奧灰頂巖層[4]。

3 注漿效果分析

通過對注漿設計后的工作面進行勘察分析，發現底板隔水層有效厚度增加，底板強度大大提高，原有裂隙也被封堵完善，底板抗壓能力進一步增強，經計算，底板突水系數不高于0.03 MPa/m，有效解決了工作面開采過程中底板突水水害問題。

4 結論

（1）以煤峪口礦5812 工作面為研究對象，工作面6 號煤層開采持續穩定，煤層厚約5 m，屬于厚煤層，開采過程中，頂板、底板存在不同程度的水害隱患。

（2）分析工作面頂板特征，發現頂板富水性弱，發生水害的可能性較低；分析底板結構特征，發現富水性較強，且通過計算底板安全隔水層厚度比值系數、安全水壓、突水系數，得到突水系數超過臨界值，存在突水危險。

（3）提出利用注漿加固技術防治工作面底板突水危害，通過合理選擇注漿設備，合理設計注漿孔、注漿工藝，封堵了原發育裂隙，并有效加強了底板抗突水能力，使突水系數降至0.03 MPa/m，遠低于臨界值，實現了工作面安全可靠的開采，提高了開采效率，有一定的經濟效益和環境效益。