干河煤礦2-301 工作面底板突水機理及治理技術研究

宋團

（山西焦煤霍州煤電干河煤礦，山西 臨汾 041602）

1 概 況

山西焦煤霍州煤電干河煤礦2-301 綜采工作面表位于工業廣場西北部，工作面整體為走向S63°W，傾向SE 的背斜構造，煤層傾角1°～6°，平均3.5°。該工作面主采2 號煤層。2 號煤層位于二疊系下統山西組（Plsh）下部，煤層厚度2.0～2.4 m，2 號煤層光澤較暗，主要由暗煤和亮煤組成，屬半亮型煤。2-301 工作面兩巷沿煤層走向布置，工作面沿煤層傾向布置。2021 年9月10 日2-301 工作面回采約290 m 時，工作面44～45 號液壓支架處底板開始滲水，水量開始逐漸增大，人員有序撤離后，突水淹沒工作面、回采巷道，涌水量最快達到500 m3/h。為快速有效的消突突水，恢復礦井的生產，對底板突水快速治理技術展開研究。

2 突水水源分析

2.1 工作面水文地質情況

2-301 工作面頂板主要含水層為下石盒子組（K8、K9）砂巖裂隙含水層，層位較穩定，巖性為灰白色，長石石英細粒砂巖，含水層位于1、2 號煤層以上，K8砂巖厚1.29～13.03 m，平均厚7.16 m，K9砂巖位于K8砂巖層以上22.9 m 左右，水文地質特征與K8砂巖相似，為弱富水性的裂隙含水層，對采掘影響較小。工作面下部為太原組石灰巖（K1、K2）和奧陶系峰峰組石灰巖（O2）溶隙含水層，K1、K2巖性為深灰色，中厚層狀，局部為泥灰巖，裂隙不發育，中部發育少量裂隙，大部分由泥質、方解石充填。含水層位于1、2 號煤層以下，K1、K2石灰巖含水層是一個富水性很不均、裂隙不發育，局部區域徑流條件較好的弱富水巖溶裂隙含水層，K1石灰巖厚10～26 m，平均厚15 m，K2石灰巖厚12～35.34 m，平均厚10 m。O2巖性為峰峰組上段平均厚度為54.82 m，為灰色，局部含水性較好，巖溶裂隙發育。工作面為帶壓開采，K2灰巖和O2灰巖水可通過斷裂構造、陷落柱等導水通道導通，造成突水事故，威脅工作面安全生產。干河煤礦2 號煤層主要含水層分布如圖1 所示。

圖1 主要含水層分布示意圖Fig.1 Distribution of main aquifer

計算干河煤礦2 號煤層突水系數：

式中：T 為突水系數，MPa/m；P 為底板隔水層承受的實際水頭值，MPa（水位標高K1采用500 m，水位標高O2采用517 m）；M 為底板隔水層厚度，m。

2-301 工作面2 號煤層底板標高為+141—+157 m，根據工作面周邊114、B3-2、B3-1 鉆孔柱狀圖計算得出，2 號煤至石炭系上統太原組K1的隔水層平均厚度為46 m，水位標高K1為500 m，計算得出石炭系上統太原組K1帶壓3.43～3.59 MPa，K1突水系數為0.075～0.078 MPa/m，小于0.010 MPa/m，大于0.06 MPa/m；2 號煤至奧陶系中統峰峰組O2的隔水層平均厚度為72 m，水位標高O2為517 m，計算得出奧陶系中統峰峰組O2帶壓3.6～3.76 MPa。O2突水系數為0.050～0.052 MPa/m，小于0.06 MPa/m。綜上可知，2 號煤層處于相對安全區，正常塊段不會發生底板突水事故，但遇導水構造可能有突水威脅。

2.2 突水水源及通道分析

根據突水的水質、水位、水溫等多方面綜合分析判斷突水水源。測量突水點附近的水溫，突水水溫穩定在38～39.5 ℃，不符合頂板砂巖水的溫度，應為深部巖層水，確定突水水源來源于煤層底板以下。突水點附近水質較渾濁，且多呈現乳白色，水中同時夾雜著泥巖風化物，通過對水質化驗表明，水體礦化度達到5.0 g/l，遠高于頂板砂巖含水層礦化度1.3 g/l 及太灰水礦化度2.9 g/l，由此可判斷，突水水源為奧灰水。突水事件發生后，地面鉆孔觀測到奧灰水位快速下降，整個突水期間水位累計降低115.00 m，據以往統計結果，奧灰水水文每年的平均降深僅為2.5 m，由此可確定突水水源為奧灰水。

奧灰水隔水層厚度較大，根據上文計算，其突水系數小于0.06 MPa/m，正常情況下突水危險性很小。2-301 工作面在采掘過程中，2-301 皮帶順槽掘進260 m 揭露斷層F130H=2 m∠60°，該斷層為正斷層，走向N25°E，傾向NW，預計影響范圍15 m。掘進590 m 揭露斷層F13-8=2.5m∠60°，該斷層為正斷層，走向S89°W，傾向SE，影響范圍15 m。掘進790 m 揭露斷層F133H=6 m∠60°，該斷層為正斷層，走向S75°W，傾向SE，預計影響范圍30 m。距離突水點最近的斷層構造為F13-8，但該斷層不導水，落差小，斷層溝通下部奧灰含水層的可能性較小。三維地震探測結果表明，2-301 工作面底板巖層內未檢測出陷落柱結構。

根據上述分析和2-301 工作面水文地質資料，現已查明的地質構造導致突水的可能性很小。因此，在已明確突水水源為奧灰含水層的情況，判定突水點附近存在隱伏性導水地質構造，大概率為隱伏陷落柱導水。

3 突水快速治理研究

3.1 鉆孔布設與目的

2-301 工作面底板突水事故發生20 d 后，隨著礦井巷硐內水位與奧灰水位落差的減小，涌水流量減小，經統計計算預測突水點涌水量穩定在200 m3/h 左右，出水點巷道遠端流速約為0.005 m/s。根據經驗，水流速度小于0.15 m/s 時對于粒徑小于0.1 m 的砂石搬運能力很小，符合開展注漿工作的條件。

2-301 工作面底板出水點屬于大型出水點，參考類似背景下成功治理的案例，可采用“圍點打源”的治理方式。“圍點”是指通過注入大顆粒骨料配合速凝材料，將突水封堵在工作面，避免事故的進一步擴大，為直接封堵涌水通道提供條件；“打源”就是通過注漿對突水點進行蓋帽，封堵涌水通道。導水通道具體是陷落柱還是導水構造需要在圍點期間驗證。

2-301 工作面共布置4 個地面注漿鉆孔，XY-3、XY-4 鉆孔為蓋帽鉆孔，主要作用是在突水點附近采空區注入石子、水泥等封堵出水點；XY-1、XY-2 鉆孔作為注漿孔，鉆進施工期間尋找涌水通道，當出現鉆井液漏失量大于10 m3/h 時，停止鉆進，開始注漿。XY-1、XY-2 鉆孔靶點位置位于出水點下方25 m，終孔位置為煤層底板下方100 m。鉆孔布置如圖2 所示。

圖2 地面鉆孔布置平面圖Fig.2 Ground borehole layout plane

3.2 鉆孔結構及注漿工藝

根據注漿孔布置方案設計2 類鉆孔結構。2 類鉆孔均采用3 種直徑的鉆頭進行鉆進，蓋帽鉆孔（XY-3、XY-4）一開鉆頭直徑311.1 mm，鉆進深度480 m，表層套管直徑244.5 mm，二開鉆頭直徑215.9 mm，靶向層位為2 號煤層頂板上10 m，技術套管直徑177.8 mm，三開鉆頭直徑152.4 mm，靶向層位為2-301 工作面采空區，不放置套管裸孔布置；注漿孔（XY-1、XY-2）二開段靶向層位為2 號煤層底板下15 m，三開段裸孔終孔層位為2 號煤層底板下100 m。2 類鉆孔的結構如圖3 所示。

圖3 鉆孔結構示意圖Fig.3 Borehole structure

XY-3、XY-4 注漿材料為石子、細砂、水泥及水，第一次蓋帽注漿不做壓力要求，多處蓋帽注漿后，當漏失量明顯減小后，注漿壓力可由起壓逐漸提高至2 MPa，停止注漿。XY-1、XY2 鉆孔注漿材料主要為單液水泥漿，采用下行方式注漿，水灰比根據實際涌失量在2∶1～0.7∶1 范圍內調整，注漿壓力設計為水壓的1.5 倍，注漿終止壓力為5.0～7.1 MPa，逢漏（漏失量大于10 m3/h）注漿封堵，注漿達到終止條件后，凝固24 h 繼續鉆進注漿。

4 突水通道的封堵效果及堵水效果評價

4.1 蓋帽及涌水通道封堵效果評價

XY-1～XY-4 號孔在2 號煤層底板下20 m（孔深-550 m）之前共注漿7 986.5 t，90%以上的漿液注入2-301 工作面采空區及周邊巷道，2-301工作面已采空區域平面面積為6 948 m2，工作面回采高度取2.4 m，采空區空隙計算系數取0.5，采空區垮落后可充填空隙體積為8 337.6 m3，兩側回采巷道充填長度按100 m 計算，充填體積為2 800 mm3，則蓋帽充填空間為11 137.6 m3，每噸水泥制漿量約為1.35 m3，蓋帽注漿體積為10 781.8 m3，假設90%的漿液充填在采空區及巷道，則采空區充填系數為87.12%，蓋帽注漿充填系數大于85%，注漿充填效果良好。XY-1、XY-2 號鉆孔在下方涌水通道內總注漿體積2 5845.3 m3，形成了直徑約30 m、高度約90 m 的封堵柱，終孔及注漿終壓標準均通過驗收，封堵效果良好。蓋帽區域及導水通道封堵情況如圖4 所示。

圖4 鉆孔軌跡示意圖Fig.4 Borehole trajectory

4.2 治理效果評價

對干河煤礦2-301 工作面底板涌水點注漿堵水后，根據監測結果繪制處奧灰水及副斜井內水位變化曲線，如圖5 所示。堵水鉆孔施工之前，奧灰水位持續下降，副斜井內水位持續上升，副斜井水位接近奧灰水水位。堵水鉆孔施工完成后，奧灰水水位開始逐漸穩步上升，副斜井內開始抽水，水位開始迅速下降，說明奧灰含水層和井下空間的導水通 道已基本封堵完畢。

圖5 奧灰長觀孔和副井水位變化趨勢示意圖Fig.5 Water level change trend of Ordovician limestone long observation hole and auxiliary well

5 結 語

通過對干河煤礦2 號煤層水位地質條件分析，2 號煤層開采主要受奧灰含水層影響，根據2-301工作面底板突水的水質、水溫等特征，確定突水水源為奧灰含水層，導水通道為隱伏斷層或陷落柱，提出蓋堵結合的治理方案，并設計具體的鉆孔布置、鉆孔結構、注漿方式等。治理結束后，通過分析計算及現場監測表明，采空區及回采巷道內蓋帽區域充填系數大于85%，奧灰水水位快速上升恢復，奧灰水涌水通道被有效封堵。干河煤礦此次奧灰突水快速治理工程具有用時短、封堵效果好等特點，具有良好的經濟社會效益，為類似礦井水害防治提供技術借鑒。