分區(qū)治理技術(shù)在陳四樓煤礦水害治理過(guò)程中的應(yīng)用

王浩民

（河南能源化工集團(tuán)永煤公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600）

陳四樓煤礦水文地質(zhì)類型中等，但礦井山西組二2 煤層開采期間受底板太原組上段灰?guī)r（L8～L11）承壓水影響嚴(yán)重，自1997 年投產(chǎn)以來(lái)發(fā)生多次底板灰?guī)r突水。

1 概況

陳四樓煤礦位于永夏煤田隱伏永城復(fù)背斜的西翼，井田整體為一走向北北西的單斜構(gòu)造，褶曲、斷層、小的波狀起伏及巖漿活動(dòng)均較發(fā)育，近東西向構(gòu)造以斷層為主，近南北向構(gòu)造以褶曲為主。

礦井現(xiàn)主采山西組二2 煤層，平均厚度2.45 m，開采期間主要受底板太原組上段灰?guī)r承壓水影響。二2 煤層距太原組上段灰?guī)r平均距離為51 m，太原組上段含灰?guī)r4 層，自上而下分別為L(zhǎng)11 灰?guī)r、L10 灰?guī)r、L9 灰?guī)r和L8 灰?guī)r，均厚分別為1.95 m、4.99 m、5.37 m 和12.76 m。采掘活動(dòng)過(guò)程中，太原組上段灰?guī)r水可沿?cái)鄬印⒘严兜冗M(jìn)入二2 煤層，對(duì)采掘活動(dòng)造成影響，如圖1。

圖1 太原組上段灰?guī)r含水層向二2 煤層充水示意圖

2 礦井水害治理存在問(wèn)題

礦井太原組上段灰?guī)r水害治理主要采取底板注漿改造的方法，水害治理手段單一。從礦井回采工作面回采情況分析，北翼工作面底板注漿改造鉆孔施工過(guò)多，造成工程浪費(fèi)；南翼水害治理效果難以保證，底板注漿改造以后工作面回采期間仍多受太原組上段灰?guī)r水影響。

3 區(qū)域劃分

通過(guò)對(duì)陳四樓煤礦近十幾年22 個(gè)工作面近3000 個(gè)底板注漿改造鉆孔揭露太原組上段灰?guī)r情況進(jìn)行分析，依據(jù)巖溶揭露規(guī)律、水動(dòng)力場(chǎng)和水化學(xué)特征等的不同，對(duì)陳四樓井田太原組上段巖溶系統(tǒng)進(jìn)行劃分。

3.1 巖溶揭露規(guī)律

（1）南翼以L10 和L8 灰涌水為主，L10 比L8略多，二者占總涌水量80%～90%，L11 涌水量?jī)H占總涌水量10%～20%；北翼各層灰?guī)r涌水量比例變化較大，總體仍以L10 灰涌水為主，L10 灰?guī)r溶最發(fā)育。

（2）南翼以L10 單位面積巖溶富水深度最大，約是L11 灰和L8 灰2 倍和1.2 倍；北翼L10 單位面積巖溶富水深度約是L11 灰的4 倍。L11～L8 的巖溶發(fā)育規(guī)律是弱～強(qiáng)～中。

（3）南翼由L11 至L8 出水概率依次增大，L10 和L8 灰出水概率是L11 約2 倍；北翼L11 出水概率進(jìn)一步減小，L10 出水概率約是L11 的3 倍。

（4）南翼巖溶初始揭露強(qiáng)度由大到小依次為L(zhǎng)10、L11 和L8，L11 以局部較強(qiáng)的富水巖溶為顯著特征，L8 以相對(duì)均勻和弱富水的巖溶為特征；北翼L11 和L10 巖溶初始揭露強(qiáng)度差異較小，說(shuō)明北翼L11 灰也是以局部較強(qiáng)的富水巖溶為特征。

3.2 水動(dòng)力場(chǎng)特征

南翼太原組上段巖溶水動(dòng)力場(chǎng)特征如下：（1）L11、L10 和L8 巖溶水動(dòng)力場(chǎng)特征相似，從陳四樓向斜向外圍向斜核部匯集，南翼存在F38～F39 和Fd1～Fs1 兩個(gè)重要指向陳四樓向斜核部的補(bǔ)給和徑流通道。（2）采礦活動(dòng)不斷向陳四樓向斜核部推進(jìn)是太原組上段巖溶水向陳四樓向斜核部匯集的重要原因。

北翼太原組巖溶水動(dòng)力場(chǎng)特征如下：（1）位于井田F18 正斷層以北的區(qū)域，屬于典型的太原組無(wú)水～弱富水區(qū)；（2）觀2 孔為位于北翼F18 和F13 斷層之間地塹塊段的太原組上段水位觀測(cè)孔，其所代表的F18～F13 之間地塹區(qū)太原組水位呈“孤高”狀態(tài)，比地塹外兩下盤水位高近110 m，對(duì)井田內(nèi)幾次大型突水亦“不敏感”，證明“地塹”區(qū)水文地質(zhì)單元相對(duì)獨(dú)立。

3.3 水化學(xué)特征

南翼與北翼巖溶水主要區(qū)別是：（1）南翼巖溶水SO42-濃度略小，南翼1600～1800 mg/L，北翼2100～2200 mg/L。（2）南翼Ca2+濃度略小，南翼420～450 mg/L（甚至更低），北翼580～630 mg/L。（3）南翼礦化度略小，南翼2900～3500 mg/L，北翼3800～3900 mg/L。（4）南翼水質(zhì)類型處于由SO4-Na 向SO4-Ca·Na 轉(zhuǎn) 變 過(guò) 程，而 北 翼 主 要 為SO4-Ca·Na 型。（5）部分南翼巖溶水CO32-出現(xiàn)和游離CO2消失且氧化還原電位更低，揭示愈向陳四樓向斜部核部，巖溶水堿性、還原環(huán)境愈強(qiáng)。北翼F18～F13 地塹區(qū)巖溶水文地質(zhì)單元相對(duì)獨(dú)立。

依據(jù)以上分析，可將陳四樓井田太原組上段巖溶系統(tǒng)分為南翼子系統(tǒng)、北翼地塹子系統(tǒng)和北翼北子系統(tǒng)。南翼子系統(tǒng)與北翼地塹子系統(tǒng)邊界為F13～F13-1 正斷層，北翼北子系統(tǒng)與北部地塹子系統(tǒng)邊界為F18 正斷層，如圖2。

圖2 陳四樓井田太原組上段巖溶系統(tǒng)分區(qū)圖

4 分區(qū)治理技術(shù)的應(yīng)用

4.1 南翼子系統(tǒng)

礦井南翼水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，太原組上段灰?guī)r水壓高、補(bǔ)給豐富，鉆孔出水量大、單孔注漿量大，且該區(qū)域太灰水可疏放性較差，主要采取以下水害治理措施：

（1）底板注漿改造為主

底板注漿改造鉆孔設(shè)計(jì)終孔層位為L(zhǎng)8灰底部，注漿終壓為13 MPa，鉆孔終孔深度原則上不超過(guò)150 m，間距按30 m 布置，異常區(qū)域進(jìn)一步加密。

工作面底板注漿改造過(guò)程中，堅(jiān)持“三不放過(guò)”原則，即不放過(guò)出水量大區(qū)域、不放過(guò)注漿異常區(qū)域、不放過(guò)物探異常區(qū)域，通過(guò)對(duì)異常區(qū)域不斷進(jìn)行補(bǔ)孔驗(yàn)證，徹底消除水害影響。

（2）鉆探物探相互驗(yàn)證

采用瞬變電磁和高密度電法兩種物探方法，對(duì)太原組上段灰?guī)r（L8～L11）含水層富水異常區(qū)進(jìn)行探測(cè)，經(jīng)鉆探驗(yàn)證后再次進(jìn)行物探，按照“物探-鉆探-物探”的原則，確保無(wú)異常區(qū)存在。

（3）放水掩護(hù)工作面回采

礦井南翼太原組上段灰?guī)r富水性強(qiáng)，且補(bǔ)給豐富，疏水降壓效果不明顯，但是工作面回采期間通過(guò)在工作面附近施工放水孔，作為卸壓點(diǎn)掩護(hù)工作面回采，對(duì)保證工作面安全回采也起到了積極作用。

4.2 北翼地塹子系統(tǒng)

礦井北翼F18 與F13 正斷層之間為一地塹構(gòu)造，該區(qū)域?yàn)橐幌鄬?duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元。雖然該區(qū)域太原組上段灰?guī)r原始水壓較高，約為5.7 MPa，但通過(guò)疏水降壓，水壓可降至2.5 MPa 以下。該區(qū)域工作面水害治理采取疏堵結(jié)合的措施。

（1）底板注漿改造

底板注漿改造鉆孔設(shè)計(jì)按照整體加固并對(duì)物探異常區(qū)和構(gòu)造發(fā)育區(qū)重點(diǎn)布置鉆孔探查的原則，設(shè)計(jì)終孔層位為L(zhǎng)8 灰底部，注漿終壓10～12 MPa。正常塊段鉆孔落點(diǎn)間距控制在60 m 左右，物探異常區(qū)及構(gòu)造發(fā)育區(qū)鉆孔落點(diǎn)間距控制在40～50 m 左右，后期重點(diǎn)對(duì)富水異常區(qū)和裂隙發(fā)育區(qū)進(jìn)行加密布置鉆孔，檢查和驗(yàn)證注漿效果。

（2）疏水降壓

根據(jù)放水試驗(yàn)結(jié)果，該區(qū)域太原組上段灰?guī)r含水層補(bǔ)給條件較差，放水量120 m3/h 時(shí)，最大水位降深達(dá)到260 m，降落漏斗半徑接近800 m，通過(guò)疏水降壓可有效降低二2 煤層底板隔水層承受的水壓。

（3）物探驗(yàn)證

在底板注漿改造和疏水降壓的基礎(chǔ)上，使用瞬變電磁和高密度電法兩種手段對(duì)太原組上段（L8～L11）灰?guī)r含水層富水性進(jìn)行全覆蓋探測(cè)，根據(jù)探測(cè)結(jié)果對(duì)物探異常區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)鉆探治理。

4.3 北翼北子系統(tǒng)

礦井北翼北子系統(tǒng)位于F18 以北區(qū)域，該區(qū)域水文地質(zhì)條件較為簡(jiǎn)單，太原組上段灰?guī)r富水性整體較弱，由東向西逐漸減弱，至高六灣向斜軸部附近太原組上段灰?guī)r基本不富水。東部煤層露頭附近太原組上段水壓在1.0～2.5 MPa 之間，西部高六灣向斜軸部附近太原組上段水壓在2.7～3.3 MPa之間。該區(qū)域水害治理采取以探查為主、重點(diǎn)加固探查異常區(qū)的措施。

（1）物探探查

回采工作面圈成后，使用瞬變電磁和高密度電法兩種手段對(duì)太原組上段（L10～L11）灰?guī)r含水層富水性進(jìn)行全覆蓋探測(cè)，圈定異常區(qū)。

（2）鉆探探查及驗(yàn)證

鉆探探查及驗(yàn)證鉆孔設(shè)計(jì)終孔層位為L(zhǎng)10 灰底部，重點(diǎn)對(duì)物探異常區(qū)及構(gòu)造發(fā)育區(qū)進(jìn)行探查，同時(shí)對(duì)出水鉆孔進(jìn)行注漿，注漿終壓8～10 MPa。

5 分區(qū)治理效果分析

分別以南翼子系統(tǒng)21703 工作面、北翼地塹子系統(tǒng)2801 工作面和北翼北子系統(tǒng)21214 工作面為例，進(jìn)行分區(qū)治理效果分析。

5.1 21703 工作面

21703 工作面二2 煤層均厚2.59 m，可采儲(chǔ)量34.32 萬(wàn)t，太原組上段灰?guī)r含水層水壓3.0～4.9 MPa。工作面共施工底板注漿改造鉆孔204 個(gè)，鉆探總進(jìn)尺27 631 m，總注漿量14 275 t，鉆孔最大出水量150 m3/h，單孔最大注漿量1 773.5 t。底板注漿改造期間共進(jìn)行4 次瞬變電磁物探和3 次高密度電法物探，發(fā)現(xiàn)異常區(qū)19 個(gè)，共布置驗(yàn)證鉆孔56 個(gè)。另外工作面回采期間在21703 下順槽車場(chǎng)施工太原組上段放水鉆孔1 個(gè)，放水量約84 m3/h，作為卸壓點(diǎn)以降低工作面回采期間底板隔水層承受的水壓。

通過(guò)采取以上措施，工作面安全回采結(jié)束，萬(wàn)噸煤鉆孔個(gè)數(shù)、鉆探進(jìn)尺、注漿量分別達(dá)到5.9 個(gè)、805.1 m、415.9 t。

5.2 2801 工作面

2801 工作面二2 煤層平均厚度為2.49 m，可采儲(chǔ)量為58.5 萬(wàn)t，太原組上段灰?guī)r含水層水壓4.0～5.3 MPa。工作面共施工底板注漿改造鉆孔154 個(gè)，鉆探總進(jìn)尺24 283.5 m，總注漿量3 327.3 t，鉆孔最大出水量126 m3/h，單孔最大注漿量242.7 t。為降低太原組上段灰?guī)r含水層水壓，在工作面上下順槽車場(chǎng)各施工一個(gè)放水孔， 放水量分別為203 m3/h 和84 m3/h。通過(guò)對(duì)八采區(qū)水文觀測(cè)孔進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)孔水壓由原始的5.7 MPa 下降至2.5 MPa 并保持穩(wěn)定，太原組上段灰?guī)r含水層水壓的減小有效地降低了水害威脅。另外，結(jié)合瞬變電磁物探和高密度電法物探，共發(fā)現(xiàn)異常區(qū)6 個(gè)，布置驗(yàn)證鉆孔15 個(gè)，進(jìn)一步保證了工作面水害治理效果。

通過(guò)采取以上措施，工作面安全回采結(jié)束，萬(wàn)噸煤鉆孔個(gè)數(shù)、噸煤鉆探進(jìn)尺、噸煤注漿量分別為2.6個(gè)、415.1 m、56.9 t。

5.3 21214 工作面

21214 工作面二2 煤層均厚2.60 m，可采儲(chǔ)量39.1 萬(wàn)t，太原組上段灰?guī)r含水層水壓2.4～3.2 MPa。工作面圈成后進(jìn)行了瞬變電磁和高密度電法探查，均未發(fā)現(xiàn)富水異常區(qū)。由于工作面斷層較發(fā)育，共布置13 個(gè)鉆孔對(duì)斷層附近太原組上段灰?guī)r水層富水性及斷層導(dǎo)水性進(jìn)行探查，其中出水鉆孔4 個(gè)，最大出水量3 m3/h，鉆探總進(jìn)尺2013 m，總注漿量46.3 t。

通過(guò)采取以上措施，工作面安全回采結(jié)束，萬(wàn)噸煤鉆孔個(gè)數(shù)、噸煤鉆探進(jìn)尺、噸煤注漿量分別為0.33 個(gè)、51.5 m、1.2 t。

根據(jù)表1 可以看出，應(yīng)用分區(qū)治理技術(shù)，能夠保證礦井水害治理效果，同時(shí)大幅度降低了北翼地塹子系統(tǒng)和北翼北子系統(tǒng)的水害治理工程量。

表1 分區(qū)治理效果一覽表

6 結(jié)語(yǔ)

太原組上段灰?guī)r水的治理是陳四樓煤礦防治水工作的重點(diǎn)，根據(jù)采掘活動(dòng)實(shí)際揭露及底板注漿改造鉆孔施工情況的統(tǒng)計(jì)分析，礦井太原組上段巖溶分區(qū)規(guī)律明顯，主要受東西向大型構(gòu)造控制，且各分區(qū)水文地質(zhì)條件差異較大。通過(guò)合理的分區(qū)劃分，科學(xué)制定各分區(qū)水害治理措施，陳四樓煤礦水害防治工作得到了提升，近年來(lái)，礦井采掘活動(dòng)未受太原組上段灰?guī)r水影響。