高承壓奧灰水上工作面全周期水害治理技術研究與應用

武文清

（冀中能源峰峰集團 孫莊采礦公司，河北 邯鄲056201）

1 概 況

對九龍礦野青工作歷次突（出） 水進行綜合分析，其突（出） 水發生機理主要是隔水巖體在水與采動應力影響力共同作用下發生變形，最終在薄弱區發生失穩破壞而產生集中突水通道。當采掘擾動后，應力狀態發生變化，隔水巖體開始變形，巖體變形破壞是其中裂隙裂縫發生發展的過程，在隔水層上部和下部都產生新裂隙；隔水層下部巖體由于與承壓含水層相連，產生新裂隙后，壓力水隨即滲入，對巖層進行軟化，水壓力也加劇了裂隙裂縫的發生、發展，形成了遞進導升理論中的遞進導升帶；巖體變形反過來又影響其中水滲流狀態，壓力水又繼續影響巖體變形，如此相互作用、相互影響，直到形成某種平衡狀態。而在節理發育區，由于巖層的力學參數低，裂隙較完整地段發育更高，當遞進導升帶和底板破壞帶溝通時，發生突水。在小斷層帶和大斷層帶，力學性質相對于節理帶薄弱，減小了隔水層厚度，從而引發突水。綜上所述，奧陶系灰巖含水層水通過導水裂隙、導水斷層、導水陷落柱和采動裂隙等導水通道，對上伏各含水層形成了垂向或側向補給，導致突水事故發生。對奧灰含水層頂部進行注漿加固改造，增強工作面煤層底板巖層的隔（阻） 水層能力，從根源上治理，綜合有效防治導含水裂隙、斷裂和隱伏陷落柱等水害問題，是九龍礦防治水工作的重點。

2 野青工作面突水案例分析

九龍礦自1998 年10 月開采4 號煤以來，多個野青工作面均發生過突水，主要突水水源為大青和奧灰含水層。

2.1 15413N 野青工作面突水

1999 年1 月27 日九龍礦在回采15413 野青工作面時遇小斷層，導致山伏青灰巖水從工作面底板突出，初期水量36 m3/h，3 d 后減為15 m3/h，由于采區排水能力不足造成工作面被淹和停產，至2 月16 日恢復生產共影響21 d。出水后九龍礦在北翼1號總回風巷施工了2 個鉆孔放水，至2002 年3 月該地區山伏青灰巖水被疏干。

2.2 15421N 野青工作面突水

15421N 工作面在回采的過程中多次發生底板突水事故，總體來說突水點主要沿與工作面走向接近的2 條小斷層分布，突水后工作面最大涌水量達150 m3/h。2002 年11 月6 日工作面底板初次突水，突水點呈約75 mm 的圓洞狀，水發渾，乳白色，有臭味，最大時涌水量達30 m3/h，穩定后水量為12 m3/h。至2003 年2 月工作面老空區以里又多次突水，工作面涌水量一度增加至60 m3/h。2003 年2 月工作面沿煤層走向俯斜推進后又先后發生6 次大的突水，特別是2003 年3 月10 日突水后工作面最大涌水量達150 m3/h。通過水質分析和含水層水壓力觀測可以基本確定15421N 工作面出水水源為大青灰巖含水層。

2.3 15431N 野青工作面突水

15431N 工作面里塊回采時未發生突水現象，外塊工作面在推進200 m 時，回采面積24 725 m2，于2005 年4 月29 日煤層底板第一次出水，最大水量90 m3/h，最小水量9 m3/h，穩定水量30 m3/h。

2.4 15423N 野青工作面突水

15423N 工作面里塊回采時，下順槽推進170 m 時，上順槽推進105 m，回采面積19 000 m2，于2007 年9 月27 日23 時煤層底板第一次出水，最大水量132 m3/h，10 月1 日至10 月21 日10 點，水量穩定在90.0 m3/h 左右。第一次突水后工作面大青觀測孔（D3） 水壓由5.0 MPa 降為1.7 MPa。10 月21 日16 點30 分15423N 工作面底板發生第二次突水，初期水量峰值720 m3/h 以上，奧灰孔水位由+97.46 m 下降到+82.67 m，水位下降14.79 m，但工作面3 號大青孔水壓仍高達6.5 MPa 不降，突水水源為奧灰含水層水。

2009 年1 月8 日12 時25 分，15423N 工作面采空區內發生滯后突水，初始突水量約900 m3/h 左右，1 月11 日凌晨1 點40 分突水量突然增大，且突水量呈波動上升趨勢，11 日20 時突水量最大達到7 200 m3/h，突水量超過礦井中央泵房的最大排水能力，礦井被迫全部停產。根據水文觀測資料及水質監測資料，確定突水水源為奧灰水，突水通道為隱伏導水陷落柱。15423N 工作面陷落柱突水剖面如圖1 所示。

圖1 九龍礦15423N 工作面陷落柱突水剖面Fig.1 Collapse column sudden water profile in 15423N working face of Jiulong Mine

根據突水案例分析可知，4 號煤開采突水水源主要為4 號煤底板山伏青、大青及奧灰水。其中，山伏青和大青灰巖突水水量較小，對礦井危害較小。當奧灰突水時，突水水量急劇增大，容易造成淹井事故。

3 15449N 工作面概況

3.1 15449N 工作面地質條件

15449N 工作面為九龍礦北翼4 煤野青工作面，工作面自2019 年7 月1 日開始試采，至2020 年7月15 日停采。該工作面位于九龍礦井田北五采區下部，工作面南部為北五采區3 條下山，西北部為北二下部疏水巷，東部及東南部為F40 斷層，北部為3 條下山，工作面走向長度825～875 m，傾斜長度84～130 m，工作面地面標高+125—+136 m，井下標高-760—-860 m。

15449N 工作面煤層賦存較穩定，上順槽煤厚為1.8~2.1 m，切眼煤厚為2.0~2.1 m，下順槽煤厚為2.0 ~ 2.2 m，平均煤厚為2.0 m，煤層傾角16°~ 20°，開采面積102 120 m2，可采儲量約30.1 萬t。15449N 工作面頂板為2.2 m 厚堅硬野青灰巖，直接底板為1.1 m 厚粉砂巖。工作面開采過程中實際揭露的斷層6 條，其中5 條斷層位于工作面外圍，對工作面回采無影響，包括F10（H=17 m，∠75°）、F40-1（H=2.5 ～7.0 m，∠75°）、f01（H=1.2 m，∠75°）、f02（H=1.2 ～4.0 m，∠80°）、f03（H=1.0 m，∠80°）；F40 斷層（H=3.0～7.0m，∠75°） 由工作面外圍向工作面延伸并尖滅，對工作面回采有一定影響，工作面附近斷層情況見表1。

表1 15449N 工作面附近斷層情況Table 1 Fault situation near 15449N working face

15449N 工作面布置范圍內有1 個向斜地質構造，位于上順槽經306 點處，下順槽經78 點前42 m，向斜軸走向北偏東100°，向北五采區下部延伸，對工作面回采有一定影響。

3.2 15449N 工作面水文地質條件

15449N 工作面水文地質情況復雜，工作面頂底板含水層主要有4 號煤層頂部的石炭系野青灰巖，煤層底板的山伏青灰巖、大青灰巖等薄層灰巖含水層。

（1） 野青灰巖含水層。

野青灰巖為4 號煤直接頂板，野青灰巖平均層厚2.2 m，經野青巷道實際揭露證實，該含水層水量較小，主要以滴、淋水形式涌入工作面，對工作面回采影響很小。

（2） 山伏青灰巖含水層。

伏青灰巖上距4 號煤底板間距33 m 左右，山青灰巖平均層厚1.0 m，伏青灰巖平均層厚3 m 左右，該含水層富水性較弱，經實際鉆探揭露證實，單孔涌水量為0.01 ~ 0.02 m3/min，水位標高為-550.6—-674.3 m，對工作面回采影響很小。

（3） 大青灰巖含水層。

大青灰巖為大青煤直接頂板，層位和厚度均穩定，厚度5 m 左右。根據各底板驗證孔實際揭露情況分析，大青灰巖頂上距4 煤底板間距72 m 左右，該含水層富水性不均一，單孔涌水量為0.01～0.15 m3/min，水位標高為-300.6—-620 m。整體富水性相對較弱，對工作面影響很小。

（4） 奧陶系灰巖含水層。

奧陶系灰巖含水層為煤系地層基底，奧灰含水層總厚度500～600 m，根據地面施工各分支水平孔和井下底板驗證孔（1-1 孔、2-1 孔、3-1孔、3-2 孔、4-2 孔、5-5 孔、6-1 孔、10-2 孔）揭露情況，含水層頂面上距4 號煤底板間距105 m 左右，水質類型為Cl·SO4-Ca·Na 型，近3 a 水位標高+111.07—+117.92 m。由于該含水層分布面積廣、厚度大，具有一定的動、靜水儲量，局部富水性相對較強，威脅工作面安全開采，為該工作面煤層底板防治水的主要對象。

4 全周期治理技術

4.1 采前工作面綜合改造

15449N 工作面回采前利用地面區域治理技術，對工作面及外圍進行綜合探查治理，施工分支孔25 個，鉆探進尺21 437.23 m，探查到明顯漏失點58 個，并對漏失點進行注漿加固，注漿量103 460 t。

水平孔漏失主要是因為巖溶裂隙發育及斷層、向斜構造影響所致。通過采前地面區域治理工程，實現了水平分支孔在奧灰含水層中連續穿行鉆進，增加了鉆孔揭露奧灰巖層、裂隙、巖溶和導含水通道的幾率，提高了探查和治理精度。同時采取即漏即注的技術措施，對導含水構造進行注漿、加固，切斷了奧灰含水層垂向補給上覆巖層的通道，增強了工作面煤層底板巖層的阻隔水性能，將奧灰含水層頂部改造成了相對隔水層，從突水源頭上進行了治理，為工作面安全回采奠定了基礎。

4.2 采中薄弱帶動態加固

為了監測推進過程中工作面頂底板巖體破裂情況，在15449N 工作面兩巷布置微震監測系統。檢波器采用包圍式布置，分布于工作面兩巷，檢波器間距100～150 m，共布置4 個分站、17 個檢波器（單軸14 個、三軸3 個）、23 個通道。微震事件主要發生在15449N 工作面切眼、15449N 工作面上順槽及外圍、北五向斜軸部。15449N 工作面回采過程中，利用水平分支孔對工作面構造帶和微震異常區進行重點加固。15449N 工作面鉆孔注漿情況見表2。

表2 15449N 工作面“采中”鉆孔注漿情況Table 2 Drilling hole grouting in mining of 15449N working face

4.3 采后出水區減水治理

工作面開采結束后，為減少工作面涌水量，繼續利用微震監測工作面底板能量事件。2020 年8月—2020 年12 月，15449N 工作面底板微震事件統計情況見表3。

表3 15449N 工作面“采后”微震事件統計Table 3 Statistics of microseismic events after mining in 15449N working face

根據微震監測結果，在工作面開采結束后，微震事件主要發生在15449N 工作面西北部，15449N工作面內部幾乎無微震事件。

由于15449N 工作面北部的15423 工作面曾發生過底板透水事故造成淹井，同時15449N 工作面底板水是從該工作面北部流入，利用分支孔對15449N 工作面底板北部進行補強加固，同時截斷水流，分支孔注漿情況見表4。

表4 15449N 工作面“采后”鉆孔注漿情況Table 4 Drilling hole grouting after mining in 15449N working face

4.4 全周期水害治理效果

15449 N 工作面推進期間，工作面涌水量變化情況如圖2 所示。

圖2 15449N 工作面涌水量變化情況Fig.2 Water inflow variation in 15449N working face

由圖2 可知，15449N 工作面回采前、中和后涌水量基本穩定在0.46～1.12 m3/min，涌水量都比較小，只有在工作面來壓期間，涌水量才有稍微增大。2020 年7 月份以后，工作面回采結束，工作面涌水量保持在0.5 m3/min。通過全周期水害治理技術的實施，開創了九龍礦深部開采野青工作面涌水量最小水平，同比減少涌水量1.5 m3/min，每年可減少礦井排水費用210 萬元，達到了保水開采的目的，解決了深部開采受水患威脅的局面。

5 結 論

（1） 通過分析九龍礦深部工作面受水害的特點，研究總結出了“采前工作面綜合改造-采中薄弱帶動態加固-采后出水區減水治理”的全周期水害治理模式，扭轉深部開采受水患威脅的局面。

（2） 通過開采前改造、開采中加固和開采后治理，進一步提高漿液覆蓋率和注漿質量，保障了礦井的安全生產。

（3） 工作面經全周期水害治理后，有效降低了奧灰含水層大水量突水的風險，大大減少了工作面涌水量，達到了保水開采的目的。