底板高承壓水上開(kāi)采防突水技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

祁新波++李新芳++毛維林

摘 要：超化煤礦隨著開(kāi)采性深部延伸，底板水壓增大，底板水害威脅已成為影響安全開(kāi)采的主要因素。通過(guò)底板注漿加固，將灰?guī)r含水層改造成為隔水層，并通過(guò)加固前后的物探對(duì)比，檢驗(yàn)孔驗(yàn)證，確保注漿改造效果，有效的解除工作面底板水害威脅，為工作面安全回采保證。

關(guān)鍵詞：煤層底板 灰?guī)r含水層 直流電法物探

中圖分類(lèi)號(hào)：TD 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）05（b）-0073-02

鄭煤集團(tuán)超化煤礦主采為二疊系山西組二1煤，礦井采用單水平上、下山開(kāi)采，上山煤炭資源已基本采盡，現(xiàn)主采工作面轉(zhuǎn)至下山及井田邊緣水文地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域開(kāi)采，水害威脅已成為影響開(kāi)采的主要因素。隨著礦井開(kāi)采向深部延伸，開(kāi)采標(biāo)高降至-200～-497 m，帶壓最大達(dá)5.71 MPa，均為高承壓水上采煤。高承壓水上開(kāi)采時(shí)防底板突水已成為威脅超化煤礦安全生產(chǎn)、制約礦井穩(wěn)定發(fā)展的重要因素。

1 31001工作面情況

1.1 工作面概況

31001工作面位于31采區(qū)，地面標(biāo)高為+189.9～+226.5 m，工作面標(biāo)高為-330～-167 m，設(shè)計(jì)可采走向長(zhǎng)度780 m，切巷長(zhǎng)145 m。本工作面煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層走向50°～110°，傾向140°～200°，煤層傾角11～38°，平均傾角為18°；煤厚0.3～16 m，平均煤厚7.0m。

1.2 工作面底板主要含水層情況

該工作面底板巖溶水含水層賦水性強(qiáng)，水量補(bǔ)給豐富，是威脅礦井安全生產(chǎn)的主要含水層。上部L7-8灰?guī)r，厚度10 m左右，上距二1煤12 m左右，是本區(qū)煤層底板直接充水含水層，該含水層賦水性不均一，局部裂隙較發(fā)育區(qū)域，賦水性較強(qiáng)；中部L5-6灰?guī)r，厚約18 m，上距二1煤33.5 m左右，該層灰?guī)r賦水中等；下部L1-4灰?guī)r，厚度17 m左右，上距二1煤約55.5 m左右，該層灰?guī)r賦水性強(qiáng)，多數(shù)鉆孔出現(xiàn)明顯消耗和嚴(yán)重漏水現(xiàn)象；奧陶、寒武系灰?guī)r含水層，厚度大于300 m，上距二1煤77 m左右，在水力聯(lián)系上通常連為一體，是本區(qū)的主要含水層，巖溶裂隙普遍發(fā)育，含水豐富，通過(guò)構(gòu)造或其它導(dǎo)水通道，補(bǔ)給上部含水層，是礦井間接充水含水層。

2 回采前期的底板水防治

2.1 突水性分析

（1）用突水系數(shù)法進(jìn)行分析：由于本面底板直接充水含水層L7-8灰，L7-8灰水壓較小，涌水量不大，對(duì)工作面的回采不會(huì)造成大的威脅。距二1煤層底板最近的強(qiáng)含水層為L(zhǎng)1-4灰，故針對(duì)L1-4灰的突水性危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

根據(jù)突水系數(shù)公式T=進(jìn)行計(jì)算。

式中：T為突水系數(shù)（MPa/m）；P為底板隔水層承受的水頭壓力（MPa），取O2灰含水層觀測(cè)孔平均水頭高度+75 m的絕對(duì)值+本面最低標(biāo)高-330 m的絕對(duì)值+底板隔水層厚度55.5 m=460.5 m水柱=4.605 MPa；M為底板隔水層厚度（m），取二1煤底到L1-4灰頂?shù)木嚯x55.5 m；

經(jīng)計(jì)算，T=0.083 MPa/m。

本面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，采煤工作面構(gòu)造復(fù)雜區(qū)段的臨界突水系數(shù)取0.06 MPa/m，由此可得，故本面的突水系數(shù)0.083 MPa/m>0.06 MPa/m，說(shuō)明本面底板L1-4灰含水層具有突水危險(xiǎn)性。

2.2 防治底板水的方案確定

根據(jù)對(duì)31001工作面底板L1-4灰含水層的突水性分析，結(jié)合物探資料，提出了針對(duì)底板含水層進(jìn)行注漿改造的方案。在理論上，對(duì)底板L1-4灰含水層進(jìn)行底板注漿改造以后，底板L1-4灰含水層將成為隔水層，不再具有突水性。

底板注漿加固進(jìn)行底板注漿改造含水層，是區(qū)域性治理高承壓水突水的一項(xiàng)有效措施。其關(guān)鍵是在工作面回采前向回采工作面的下部承壓含水層裂隙、構(gòu)造等導(dǎo)水通道施工一定數(shù)量的注漿改造鉆孔，用高壓泥漿泵向其注入水泥漿或水泥粘土（黃土）混合漿液，讓漿液充填承壓含水層和底板隔水層中的裂隙和溶洞，將煤層底板的隔水層和含水層粘結(jié)成一體，增強(qiáng)煤層底板的隔水能力，最終達(dá)到將工作面下部承壓含水層的水阻隔在工作面之外的目的。

2.2.1 鉆場(chǎng)及鉆孔布置

鉆孔設(shè)計(jì)原則：（1）終孔層位進(jìn)入L1-4灰?guī)r含水層底部；（2）鉆孔全部設(shè)計(jì)為斜孔，使鉆孔揭露的含水層和隔水層盡量延長(zhǎng)；（3）鉆孔方向盡量和斷裂構(gòu)造的發(fā)育方向斜交，盡可能的多揭露裂隙；（4）對(duì)裂隙發(fā)育地段、有斷層地段、褶曲構(gòu)造的軸部重點(diǎn)布孔；（5）注漿改造范圍達(dá)到工作面以外25 m；（6）注漿鉆孔分別布設(shè)在上、下付巷，每隔60m施工一個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)6～9個(gè)鉆孔，成扇形布置，終孔平距間隔一般在30 m左右，在鉆場(chǎng)內(nèi)以不同的方位和傾角分別向工作面上、中、下部位施工鉆孔，共設(shè)計(jì)27個(gè)鉆場(chǎng)，上付巷13個(gè)鉆場(chǎng)，下付巷14個(gè)鉆場(chǎng)。

2.2.2 施工技術(shù)要求

（1）設(shè)備選型：鉆探采用ZY-300型鉆機(jī)，鉆桿每根長(zhǎng)0.76 m。注漿設(shè)備采用地面注漿站注漿。

（2）注漿材料及配比：根據(jù)相關(guān)資料及自身的注漿經(jīng)驗(yàn)，在裂隙含水層采用普通水泥或水泥、黃土混合漿堵水效果就很明顯，基本上能夠封堵含水層的過(guò)水通道，本次注漿材料采用525#普通硅酸鹽水泥漿或黃泥漿，泥漿比重控制在1.2～1.3之間。

（3）鉆孔結(jié)構(gòu)：開(kāi)孔Φ160 mm，下入一級(jí)Φ146 mm孔口管6m（進(jìn)入煤層底板2～3m）；向下孔徑Φ130 mm，下入二級(jí)Φ114 mm套管（進(jìn)入L8灰?guī)r1～2m），再向下使用Φ94 mm鉆頭鉆進(jìn)至L6灰1～2m，下入三級(jí)Φ89 mm套管，終孔Φ65 mm裸孔?？卓诠芄潭ê缶M(jìn)行耐壓試驗(yàn)，其中一級(jí)、二級(jí)耐壓值不小于3.9 MPa，三級(jí)耐壓值不小于8.5 MPa，并持續(xù)20 min以上，否則，重新加固孔口管。

（4）注漿方法：注漿方法采用下行式注漿法，鉆一段孔，注一段漿，交替往下進(jìn)行直至設(shè)計(jì)層位。在鉆進(jìn)過(guò)程中，逢漏即注，見(jiàn)水即注。endprint

（5）注漿系統(tǒng)要求：孔口閥門(mén)要上緊，整個(gè)注漿管道應(yīng)固定牢固；停泵時(shí)關(guān)閉孔口閥并壓注清水沖洗管路，以防注漿管路堵塞；注漿站各項(xiàng)儀表、設(shè)備運(yùn)行正常，井下壓力表顯示正常，管路、閥門(mén)均達(dá)到耐壓要求。

（6）注漿鉆孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：孔口壓力達(dá)到6.5～8.5 Mpa，且吸漿量也應(yīng)小于40 L/min，閉漿穩(wěn)定時(shí)間30 min以上。

（7）排水：根據(jù)單孔涌水量公式計(jì)算，按孔徑Φ75 mm，出水水源為L(zhǎng)1-4灰?guī)r水，預(yù)計(jì)單孔最大涌水量254 m3/h，利用巷道內(nèi)鋪設(shè)的300×350 mm鐵水槽靠水自流即可滿足排水要求。

2.3 防治底板水工程施工概況及效果檢驗(yàn)

31001工作面底板注漿改造工程歷時(shí)兩年零一個(gè)月，對(duì)整個(gè)工作面底板灰?guī)r含水層進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證及預(yù)注漿改造。共施工183個(gè)鉆孔，總工程量18955 m，累計(jì)注水泥漿8389 t，注黃土1245 t。

31001工作面底板注漿改造含水層工程完工后，以二次施工直流電法物來(lái)檢驗(yàn)注漿改造的效果。注漿改造前后物探資料對(duì)比顯示工作面西部區(qū)域視電阻率整體上較原來(lái)增了30～40 Ω·m；工作面內(nèi)部施工了三個(gè)檢驗(yàn)孔，單孔涌水量2～5 m3/h，說(shuō)明注漿達(dá)到了預(yù)期的效果，基本將含水層改造成為了隔水層。

底板注漿改造后，工作面從開(kāi)始回采到回采結(jié)束，底板總涌水量在35 m3/h以下，對(duì)安全生產(chǎn)的影響不大，沒(méi)有出現(xiàn)斷層水。

3 效益分析

效益主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

（1）通過(guò)對(duì)底板水防治，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。單從底板水方面來(lái)說(shuō)，工作面回采時(shí)預(yù)計(jì)正常涌水量208 m3/h，最大涌水量270 m3/h?；夭山Y(jié)束后涌水量控制在35 m3/h以下。根據(jù)現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)資料，揚(yáng)程100 m，每排1 m3的水需消耗電能0.6 kW。結(jié)合超化礦實(shí)際情況工作面涌水從31水倉(cāng)至地面距離685 m，每排1 m3的水需消耗電能 4.11 kW，每1 kW·h的電費(fèi)按0.65元計(jì)算，僅電費(fèi)一項(xiàng)至少每年節(jié)約排水電費(fèi)：（208-35）×24×365×4.11×0.65=480萬(wàn)元。而工作面底板注漿改造直接投入為：水泥8389噸×288.9元/噸=242.4萬(wàn)元，套管145.15噸×7864.5元/噸=114.2萬(wàn)元，其它費(fèi)用約60萬(wàn)元，總費(fèi)用約416.6萬(wàn)元。投入的費(fèi)用只需10個(gè)半月便可節(jié)約回來(lái)，長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

（2）通過(guò)采取底板水防治措施來(lái)解放高承壓含水層區(qū)域的煤炭資源，確保超化礦正常的采掘接替和穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，具有良好的社會(huì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)復(fù)雜的水文地質(zhì)條件分析與研究，采用物探、鉆探、注漿改造含水層多項(xiàng)并舉，是預(yù)防頂板突水、底板突水造成事故的有效途徑之一，并能夠降低生產(chǎn)成本，減少礦井涌水量，提高了礦井排水系統(tǒng)的抗災(zāi)能力，具有明顯的的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 武強(qiáng).礦井水害防治[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[2] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.endprint

（5）注漿系統(tǒng)要求：孔口閥門(mén)要上緊，整個(gè)注漿管道應(yīng)固定牢固；停泵時(shí)關(guān)閉孔口閥并壓注清水沖洗管路，以防注漿管路堵塞；注漿站各項(xiàng)儀表、設(shè)備運(yùn)行正常，井下壓力表顯示正常，管路、閥門(mén)均達(dá)到耐壓要求。

（6）注漿鉆孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：孔口壓力達(dá)到6.5～8.5 Mpa，且吸漿量也應(yīng)小于40 L/min，閉漿穩(wěn)定時(shí)間30 min以上。

（7）排水：根據(jù)單孔涌水量公式計(jì)算，按孔徑Φ75 mm，出水水源為L(zhǎng)1-4灰?guī)r水，預(yù)計(jì)單孔最大涌水量254 m3/h，利用巷道內(nèi)鋪設(shè)的300×350 mm鐵水槽靠水自流即可滿足排水要求。

2.3 防治底板水工程施工概況及效果檢驗(yàn)

31001工作面底板注漿改造工程歷時(shí)兩年零一個(gè)月，對(duì)整個(gè)工作面底板灰?guī)r含水層進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證及預(yù)注漿改造。共施工183個(gè)鉆孔，總工程量18955 m，累計(jì)注水泥漿8389 t，注黃土1245 t。

31001工作面底板注漿改造含水層工程完工后，以二次施工直流電法物來(lái)檢驗(yàn)注漿改造的效果。注漿改造前后物探資料對(duì)比顯示工作面西部區(qū)域視電阻率整體上較原來(lái)增了30～40 Ω·m；工作面內(nèi)部施工了三個(gè)檢驗(yàn)孔，單孔涌水量2～5 m3/h，說(shuō)明注漿達(dá)到了預(yù)期的效果，基本將含水層改造成為了隔水層。

底板注漿改造后，工作面從開(kāi)始回采到回采結(jié)束，底板總涌水量在35 m3/h以下，對(duì)安全生產(chǎn)的影響不大，沒(méi)有出現(xiàn)斷層水。

3 效益分析

效益主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

（1）通過(guò)對(duì)底板水防治，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。單從底板水方面來(lái)說(shuō)，工作面回采時(shí)預(yù)計(jì)正常涌水量208 m3/h，最大涌水量270 m3/h?；夭山Y(jié)束后涌水量控制在35 m3/h以下。根據(jù)現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)資料，揚(yáng)程100 m，每排1 m3的水需消耗電能0.6 kW。結(jié)合超化礦實(shí)際情況工作面涌水從31水倉(cāng)至地面距離685 m，每排1 m3的水需消耗電能 4.11 kW，每1 kW·h的電費(fèi)按0.65元計(jì)算，僅電費(fèi)一項(xiàng)至少每年節(jié)約排水電費(fèi)：（208-35）×24×365×4.11×0.65=480萬(wàn)元。而工作面底板注漿改造直接投入為：水泥8389噸×288.9元/噸=242.4萬(wàn)元，套管145.15噸×7864.5元/噸=114.2萬(wàn)元，其它費(fèi)用約60萬(wàn)元，總費(fèi)用約416.6萬(wàn)元。投入的費(fèi)用只需10個(gè)半月便可節(jié)約回來(lái)，長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

（2）通過(guò)采取底板水防治措施來(lái)解放高承壓含水層區(qū)域的煤炭資源，確保超化礦正常的采掘接替和穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，具有良好的社會(huì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)復(fù)雜的水文地質(zhì)條件分析與研究，采用物探、鉆探、注漿改造含水層多項(xiàng)并舉，是預(yù)防頂板突水、底板突水造成事故的有效途徑之一，并能夠降低生產(chǎn)成本，減少礦井涌水量，提高了礦井排水系統(tǒng)的抗災(zāi)能力，具有明顯的的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 武強(qiáng).礦井水害防治[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[2] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.endprint

（5）注漿系統(tǒng)要求：孔口閥門(mén)要上緊，整個(gè)注漿管道應(yīng)固定牢固；停泵時(shí)關(guān)閉孔口閥并壓注清水沖洗管路，以防注漿管路堵塞；注漿站各項(xiàng)儀表、設(shè)備運(yùn)行正常，井下壓力表顯示正常，管路、閥門(mén)均達(dá)到耐壓要求。

（6）注漿鉆孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：孔口壓力達(dá)到6.5～8.5 Mpa，且吸漿量也應(yīng)小于40 L/min，閉漿穩(wěn)定時(shí)間30 min以上。

（7）排水：根據(jù)單孔涌水量公式計(jì)算，按孔徑Φ75 mm，出水水源為L(zhǎng)1-4灰?guī)r水，預(yù)計(jì)單孔最大涌水量254 m3/h，利用巷道內(nèi)鋪設(shè)的300×350 mm鐵水槽靠水自流即可滿足排水要求。

2.3 防治底板水工程施工概況及效果檢驗(yàn)

31001工作面底板注漿改造工程歷時(shí)兩年零一個(gè)月，對(duì)整個(gè)工作面底板灰?guī)r含水層進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證及預(yù)注漿改造。共施工183個(gè)鉆孔，總工程量18955 m，累計(jì)注水泥漿8389 t，注黃土1245 t。

31001工作面底板注漿改造含水層工程完工后，以二次施工直流電法物來(lái)檢驗(yàn)注漿改造的效果。注漿改造前后物探資料對(duì)比顯示工作面西部區(qū)域視電阻率整體上較原來(lái)增了30～40 Ω·m；工作面內(nèi)部施工了三個(gè)檢驗(yàn)孔，單孔涌水量2～5 m3/h，說(shuō)明注漿達(dá)到了預(yù)期的效果，基本將含水層改造成為了隔水層。

底板注漿改造后，工作面從開(kāi)始回采到回采結(jié)束，底板總涌水量在35 m3/h以下，對(duì)安全生產(chǎn)的影響不大，沒(méi)有出現(xiàn)斷層水。

3 效益分析

效益主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：

（1）通過(guò)對(duì)底板水防治，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。單從底板水方面來(lái)說(shuō)，工作面回采時(shí)預(yù)計(jì)正常涌水量208 m3/h，最大涌水量270 m3/h?；夭山Y(jié)束后涌水量控制在35 m3/h以下。根據(jù)現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)資料，揚(yáng)程100 m，每排1 m3的水需消耗電能0.6 kW。結(jié)合超化礦實(shí)際情況工作面涌水從31水倉(cāng)至地面距離685 m，每排1 m3的水需消耗電能 4.11 kW，每1 kW·h的電費(fèi)按0.65元計(jì)算，僅電費(fèi)一項(xiàng)至少每年節(jié)約排水電費(fèi)：（208-35）×24×365×4.11×0.65=480萬(wàn)元。而工作面底板注漿改造直接投入為：水泥8389噸×288.9元/噸=242.4萬(wàn)元，套管145.15噸×7864.5元/噸=114.2萬(wàn)元，其它費(fèi)用約60萬(wàn)元，總費(fèi)用約416.6萬(wàn)元。投入的費(fèi)用只需10個(gè)半月便可節(jié)約回來(lái)，長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

（2）通過(guò)采取底板水防治措施來(lái)解放高承壓含水層區(qū)域的煤炭資源，確保超化礦正常的采掘接替和穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，具有良好的社會(huì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)復(fù)雜的水文地質(zhì)條件分析與研究，采用物探、鉆探、注漿改造含水層多項(xiàng)并舉，是預(yù)防頂板突水、底板突水造成事故的有效途徑之一，并能夠降低生產(chǎn)成本，減少礦井涌水量，提高了礦井排水系統(tǒng)的抗災(zāi)能力，具有明顯的的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 武強(qiáng).礦井水害防治[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[2] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.endprint