陶二煤礦深部底板承壓水防治技術(shù)研究

李江鋒

摘 要：陶二煤礦生產(chǎn)水平進入2#煤底板﹣380 m標高以來連續(xù)發(fā)生底板涌水事故，給安全生產(chǎn)帶來很大影響，前期采用底板注漿堵水及工作面強排，沒有取得很好效果。根據(jù)陶二井田第四勘探線至第十二勘探線之間，伏青灰?guī)r下發(fā)育有巨厚層火成巖體的特殊情況，在采用長距離大口徑斜孔疏水降壓技術(shù)，由被動堵排變主動疏降，解決了困擾十年的回采工作面底板涌水影響安全生產(chǎn)的問題，為陶二煤礦底板承壓水害的防治奠定了堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：底板水;承壓含水層;疏水降壓;長距離大口徑

中圖分類號：TD823 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2022）03-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2022.03.018

陶二煤礦位于河北省邯鄲市復(fù)興區(qū)，礦井采用立井與暗斜井多水平聯(lián)合開拓方式，礦井正常涌水量為880 m3/h，屬水文條件復(fù)雜型礦井。

陶二煤礦自1982年投產(chǎn)以來，共發(fā)生涌突水事故24次。其中，頂板突水4次，小煤窯水突出1次，陷落柱突水1次，底板突水18次。

尤其是進入﹣380 m標高以后，連續(xù)發(fā)生了工作面回采底板突水事故，四下采區(qū)依次回采12421、12423、12425等7個工作面，7個工作面均發(fā)生底板突水，單點突水量最大為150 m3/h，曾造成4次采區(qū)、采面被淹災(zāi)害事故。

1 2#煤底板突水情況特征分析

陶二井田深部2#煤下部含水層共發(fā)生突水事件14次，突水情況統(tǒng)計如表1所示。

分析從表1可知，2#煤下部突水水源全部為伏青灰?guī)r含水層和火成巖裂隙水。突水點垂直分布與井巷工程密集程度和開采強度密切相關(guān)，也與突水源富水性有關(guān)。根據(jù)表1，在﹣380 m～﹣500 m標高范圍內(nèi)的火成巖突水點皆為2#煤開采過程中的底板突水點。

陶二煤礦進入﹣380 m標高開采以來，連續(xù)發(fā)生工作面回采底板突水事故，隨著開采水平的逐步延伸，使2#煤層底板承受的壓力越來越大，增加了煤層底板突水概率[1]。

2 煤系地層局部含隔水層及火成巖特征

2.1 伏青石灰?guī)r含水層

伏青石灰?guī)r含水層上距2#煤層底板約55 m，下距巨厚火成巖約10 m～15 m，巖性為灰色隱晶質(zhì)石灰?guī)r，層位穩(wěn)定。陶二煤礦在開采2#煤層時，分別在12421、12422和12423工作面底板發(fā)生伏青石灰?guī)r突水事故，單點最大水量為150 m3/h。

據(jù)井檢孔抽水試驗資料，鉆孔單位涌水量為0.00394 l/s·m，滲透系數(shù)為0.00854 m/d。水質(zhì)類型為HCO3·SO4—Na型，礦化度為1 176 mg/l，水位標高為﹣200 m。由以上資料分析，伏青石灰?guī)r含水層屬富水性弱含水層。

2.2 局部隔水層特征

伏青石灰?guī)r與野青石灰?guī)r間距約34.53 m～60.77 m，巖性以粉砂巖、泥巖為主，同時也有厚度不等的火成巖侵入，均具較好的隔水性能。

野青石灰?guī)r與2#煤層頂板砂巖間距約21.88 m～47.14 m，平均36.10 m，巖性中粉砂巖和泥巖占60%以上，具有良好的隔水性能，如圖1所示。

2.3 火成巖侵入情況及特征

陶二煤礦煤系地層巖漿活動較強烈，有多層火成巖侵入，按火成巖侵入煤系地層層位的高低，本區(qū)火成巖以穩(wěn)定的大青灰?guī)r（L2）、伏青灰?guī)r（L5）、野青灰?guī)r（L7）等為界，自下而上分為h1（O2頂～L2）、h2（L2～L5）、h3（L5～L7）、h4（L7～1煤層）、h5（1煤層～P1s頂）五層。

其中，對2#煤層開采及含水層影響較大的是伏青灰?guī)r下部h2火成巖，其厚度大，分布較穩(wěn)定。h2火成巖在陶二礦井田第四勘探線至十二勘探線之間（主要生產(chǎn)區(qū)）伏青灰?guī)r下發(fā)育有巨厚層火成巖體，該火成巖體呈巖蓋侵入，鉆孔最大揭露厚度為330.24 m（未穿透）。

火成巖厚度大，對煤系地層、煤層厚度及煤質(zhì)均造成一定破壞，主要表現(xiàn)為巨厚巖漿在強大擠壓作用下侵入伏青灰?guī)r下，熾熱的高溫使上覆巖石脆性化，上擠的張力使上覆地層產(chǎn)生大量裂隙，采掘時破壞了地應(yīng)力的平衡狀態(tài)。隨著地應(yīng)力的釋放，導(dǎo)致裂隙張開，并導(dǎo)通伏青灰?guī)r含水層，造成底板突水事故。

本區(qū)突水水源主要來自2#煤層以下的伏青灰?guī)r及巨厚火成巖承壓含水層，該含水層水通過巨厚火成巖裂隙由奧灰水補給，由于火成巖裂隙發(fā)育規(guī)模較小，雖有奧灰水補給，水量卻有限，但水壓較大，水壓力大是造成本區(qū)突水危險性增加的主要原因[2]。

因此，伏青灰?guī)r下巨厚火成巖在2#煤層與奧灰含水層之間既是一個含水層又是一個相對隔水層，對奧灰水起到隔水作用。該區(qū)域2#煤開采不受奧灰承壓水直接影響，礦井主要采取火成巖裂隙含水層治理措施，防止2#煤深部底板承壓積水。

3 以往采取的技術(shù)措施及效果

3.1 底板注漿堵水和含水地層加固

在12424面進行底板注漿堵水和地層裂隙充填加固工作，是在該面出水后進行的，采場煤壁至采后25 m底板下20 m、25 m、30 m、40 m深度終孔并實施注漿情況。

在20 m深度內(nèi)巖石破碎，橫向、垂直水力聯(lián)系均很強烈，注漿效果良好，吸漿量巨大，整個工程注入水泥約1 500 t，20 m以淺消耗水泥量1 000 t以上，約占70%以上。

20 m深度以下（深度約20 m～39 m）的鉆孔出水量小，橫向、垂直水力聯(lián)系性差，僅主要突水通道進漿量稍大，垂直聯(lián)系較強，而其他部位注漿效果較差，或基本不進漿。據(jù)此確定回采底板破壞深度約15 m～20 m。

這種注漿治水方案雖然以往應(yīng)用比較廣泛，但是針對本礦的實際情況其效果不是很理想，從12422與12424面突水及堵水期間涌水量互為消長的關(guān)系可以看出，兩處出水部位共同接受補給，但不一定處于下部補給點位置，因而無法從根本上解決底板突水、生產(chǎn)環(huán)境惡化、工效低下等問題。

3.2 工作面排水強行開采

在工作面下方安排150 m3/h～250 m3/h的固定和移動排水能力，強行開采，或者對下巷進行配巷改造，形成單獨的排水和通風系統(tǒng)后開采，12418外、12422下、12424外、12421面等均采用此方法。

由于工作面有起伏，未形成自流排水或集中排水系統(tǒng)，這種措施實際上是被動排水，工作面回采往往是間斷進行，工效較低，難以從根本上改變采場環(huán)境差的問題。

4 長距離大口徑斜孔疏水降壓技術(shù)措施及效果

根據(jù)四下采區(qū)多個工作面的回采資料分析，當工作面回采到距切眼40 m～80 m時，通常會發(fā)生工作面底板突水事故，突水水量一般在100 m3/h～150 m3/h，穩(wěn)定水量約60 m3/h～110 m3/h。同時，在以往的h2火成巖裂隙水治理過程中，進一步掌握了該火成巖裂隙在本區(qū)的展布和導(dǎo)水特性，即裂隙垂直發(fā)育，橫向?qū)ㄐ暂^差。

根據(jù)以上特性，確定了2#煤層底板火成巖承壓水治理方案：隨回采工作面開采，提前在工作面下運巷，分組施工長距離大口徑（開孔∮148 mm，終孔∮89 mm）斜疏水鉆孔，進入火成巖，鉆孔方向多與裂隙方向呈正交或斜交，以增大鉆孔揭露裂隙的概率和提高單孔疏水量，通過疏水將含水層的水位降至安全標高之下，從而減輕或消除礦井生產(chǎn)過程中因破壞其上下隔水層而涌入礦井，達到疏水降壓的目的[3]。

該方案首先在12428工作面上巷施工2個、下巷施工2個、外配巷施工2個長距離傾斜泄水鉆孔，終孔至h2火成巖內(nèi)，采取以疏放為主的防治措施進行底板水治理。

陶二煤礦12428工作面在上巷先期施工完成兩個疏放水鉆孔后，疏放水量已達到60 m3/h，開始回采后第四個月，里部的3個鉆孔共計揭露火成巖水量約110 m3/h，工作面連續(xù)5個多月安全推進200余m。

直至12428工作面安全高效回采完畢，同時減少了上部12426、12609工作面底板突水水量。之后，礦井深部所有2#煤工作面，全部采用此方法疏放h2火成巖裂隙水，實現(xiàn)大采深高承壓水條件下的安全開采。

通過12428施工的6個疏放水鉆孔得出如下結(jié)論：

第一，火成巖裂隙水初始水位為﹣180 m，回采工作面底板承受裂隙承壓水的安全水壓在2.0 MPa。

第二，鉆孔傾斜垂直地層走向（或與地層傾向成微夾角）布置，鉆孔放水量大;火成巖裂隙方向與地層的展布方向一致，橫向方向聯(lián)系弱，縱向方向聯(lián)系強。

第三，單孔揭露火成巖出水深度為0～75 m，揭露深度增加，但水量不再增加，火成巖裂隙水垂直裂隙階段性發(fā)育、垂直導(dǎo)通性差。

第四，火成巖裂隙呈中間寬、向上下變窄直至漸滅的棗核狀沿地層走向展布。

第五，放水孔的影響范圍約200 m～250 m。

第六，由于裂隙方向沿地層方向展布，每個工作面回采前都需要施工疏水降壓孔。

通過工作面施工長距離大口徑斜孔，提前疏放煤層底板特殊條件下火成巖承壓水，改變了底板水涌出途徑，減少了采場突水概率并同時改善了工作面作業(yè)環(huán)境，減輕了回采工作面的防排水壓力，達到滿足工作面安全高效生產(chǎn)的目的。

5 長距離大口徑斜孔疏水降壓技術(shù)措施優(yōu)勢和創(chuàng)新點

長距離大口徑斜孔進行疏水降壓的思路是基于四下地區(qū)2#煤層底板火成巖裂隙承壓水具有垂直水力聯(lián)系階段性強、層間水力聯(lián)系弱的特殊水文地質(zhì)條件，存在多個局部含水單元，注漿無法揭露深部更多裂隙含水單元。采用大口徑斜孔是考慮到鉆孔多揭露一些垂直方向上的導(dǎo)水裂隙，實現(xiàn)鉆孔集中疏水，獲得充分的疏放水量，達到采煤區(qū)域疏降效果的目的。

本次治理工作首次采用大口徑破碎地層斜孔施工技術(shù)及鉆孔集中疏水降壓開采防治水技術(shù)。從鉆孔揭露的涌水情況看，單孔疏放水量均超過15 m3/h，總疏水強度最大達到118 m3/h，火成巖水位由﹣186 m逐漸降至﹣244 m。

6 結(jié)語

長距離大口徑斜孔疏水降壓技術(shù)在陶二煤礦的成功應(yīng)用為陶二煤礦底板水防治奠定了堅實的基礎(chǔ)，陶二煤礦在應(yīng)用該技術(shù)措施近十年的生產(chǎn)中，每個2#煤工作面回采前都施工長距離大口徑斜孔疏水降壓鉆孔，均取得了良好的效果，沒有再發(fā)生底板突水，在一定程度上保證了陶二煤礦的安全高效生產(chǎn)。

參考文獻

[1] 楊勇，付玲玲.大埋深復(fù)雜水文地質(zhì)條件防治水技術(shù)的研究[J].地球，2014（2）：342.

[2] 楊彥利，關(guān)英斌，王峰，等.陶二礦2#煤層底板采動破壞效應(yīng)及突水研究[J].黑龍江科技信息，2009（11）：17-18.

[3] 郭波，宋鐵成，劉曉飛.關(guān)于疏水降壓技術(shù)的應(yīng)用討論[J].科技風，2010（18）：124.