煤層底板“下三帶”突水防治措施探析

孫柏坤，黃瑛

（1.中國葛洲壩集團(tuán)第五工程有限公司，湖北宜昌443002；2.中國葛洲壩集團(tuán)第五工程有限公司，云南昆明650041）

煤層底板“下三帶”突水防治措施探析

孫柏坤1，黃瑛2

（1.中國葛洲壩集團(tuán)第五工程有限公司，湖北宜昌443002；2.中國葛洲壩集團(tuán)第五工程有限公司，云南昆明650041）

根據(jù)煤層底板“下三帶”理論，對煤層底板突水實(shí)質(zhì)及影響因素進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的煤層底板突水防治措施。探討了采用注漿改造技術(shù)對煤層底板進(jìn)行改造的施工工藝。

煤層底板突水；“下三帶”；有效隔水層厚度；注漿改造

0 引言

煤炭是世界三大能源之一。我國煤炭儲量巨大，長期以來，煤炭也是我國最主要的能源之一。在煤礦開采過程中，由于一系列原因，礦井事故不斷發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，有60%的礦井事故與地下水有關(guān)［1］。不同形式的地下水涌入礦井中，不僅造成了生產(chǎn)損失和人員傷亡，導(dǎo)致多種環(huán)境負(fù)效應(yīng)，還威脅著煤礦運(yùn)行，使大量煤炭資源無法正常開采。筆者試結(jié)合煤層底板“下三帶”理論，分析煤層底板的突水機(jī)理及影響因素，探討煤層底板突水的防治措施，希望能為突水治理提供一定的參考意見。

1 煤層底板“下三帶”理論

采用放注水、聲波資料、電法勘探和超聲成像等先進(jìn)技術(shù)對煤層開采后的底板進(jìn)行實(shí)測，結(jié)果均顯示煤層采動以后底板巖層會形成3個(gè)帶，即所謂的煤層底板“下三帶”［2～3］，包括底板采動導(dǎo)水破壞帶、完整巖層帶（或稱保護(hù)層帶）、承壓水導(dǎo)升帶。

1．1 第Ⅰ帶：底板采動導(dǎo)水破壞帶

在采動礦壓的作用下，導(dǎo)水破壞帶底板巖層的連續(xù)性和穩(wěn)定性遭受破壞，導(dǎo)水性發(fā)生明顯的改變。其中，層面裂隙和豎向裂隙將會直接遭受破壞，且節(jié)理間相互穿插，無明顯界限。該帶的厚度（h1）為煤層開采時(shí)底板的破壞厚度。在導(dǎo)水破壞帶巖層中，一般分布有3種裂隙：豎向張裂隙、層向裂隙和剪切裂隙。在自然條件不變的情況下，采動礦壓越大，對底板的破壞深度就越大。受采動礦壓作用，該帶由淺到深的破壞程度由強(qiáng)到弱，透水性也逐漸減弱。

1．2 第Ⅱ帶：完整巖層帶（或稱保護(hù)層帶）

在采動礦壓的作用下，完整巖層帶雖遭礦壓作用，甚至產(chǎn)生彈塑性變形，但仍能保持開采前巖層的連續(xù)性，其阻抗水的性能未發(fā)生變化。該帶巖層厚度（h2）的大小決定于底板巖層隔水層的厚度及第Ⅰ帶和第Ⅱ帶厚度變化的大小。

1．3 第Ⅲ帶：承壓水導(dǎo)升帶

導(dǎo)升帶是指含水層中的承壓水沿隔水層底部裂隙導(dǎo)升的上限與含水層頂面之間含水部分的巖體，其厚度為h3。

沿煤層走向做一剖面，采煤工作面底板“下三帶”的分布如圖1所示。煤層至底板含水層之間的底板總厚度H=h1+h2+h3，L為采空區(qū)的采頂距。

圖1 煤層底板“下三帶”示意圖Fig.1 “Three belt”diagram of seam floor

2 煤層底板突水機(jī)理及影響因素分析

2．1 煤層底板突水機(jī)理分析

煤礦底板突水的實(shí)質(zhì)是指煤層底板第三帶“承壓水導(dǎo)升帶”中的承壓水在水頭壓力的作用下，沿采煤工作面底板隔水層的巖層或巖體內(nèi)部裂隙、斷層、斷裂面及導(dǎo)水帶等結(jié)構(gòu)面軟弱部位向上涌出，并進(jìn)入采空工作面的過程［4］。當(dāng)煤礦開采工作面逐漸向煤層底板含水層推進(jìn)時(shí)，將會面臨潰水、潰沙的危險(xiǎn)。當(dāng)下覆含水層水頭壓力逐步增大時(shí)，兩者的隔水層有效厚度減小，則采礦工作面將會面臨發(fā)生各類突水事件的危險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅工作人員的人身安全，影響各類儀器設(shè)備的使用壽命［5］。因此，通過分析煤層底板突水機(jī)理和影響因素，對煤層底板“下三帶”進(jìn)行改造，防止突水事件的發(fā)生，提高其采礦安全性，是保障人員的生命安全及設(shè)備使用的重要舉措。

2．2 底板突水的影響因素

通過現(xiàn)場實(shí)測、室內(nèi)相似材料模擬、室內(nèi)數(shù)學(xué)模擬以及對大量突水資料的綜合分析［6］，了解到底板突水與水源、地質(zhì)構(gòu)造、隔水層、地應(yīng)力和礦山壓力存在著密切關(guān)系。

（1）水源是突水的前提條件。水源條件主要包括水量和水壓，水量是物質(zhì)基礎(chǔ)，水壓是突水的動力。水量豐富、補(bǔ)給充足及水壓較大時(shí)，可能發(fā)生大的突水事件，且危害嚴(yán)重。

（2）地質(zhì)構(gòu)造是底板突水的控制因素。大量的統(tǒng)計(jì)資料表明，80%以上的底板突水主要發(fā)生在斷裂構(gòu)造附近。底板突水實(shí)際所經(jīng)由的通道幾乎都是底板隔水層中原有斷裂裂隙。斷裂構(gòu)造大大降低了底板巖層的強(qiáng)度，斷層錯(cuò)動可以明顯減少底板隔水層的有效厚度，使煤層與含水層接近或連接，它是造成底板突水的重要因素。

（3）隔水層阻抗突水的作用。一般而言，當(dāng)?shù)装甯羲畬訌?qiáng)度高、厚度大、完整性強(qiáng)，有明顯強(qiáng)的阻水能力時(shí)，不會發(fā)生底板突水事故。反之，若底板隔水層強(qiáng)度低、厚度小、裂隙發(fā)育強(qiáng)烈，就很容易發(fā)生突水事故。

（4）地應(yīng)力是突水的附加動力來源。突發(fā)性的地應(yīng)力主要指構(gòu)造應(yīng)力（包括地震）。實(shí)測資料顯示，突水與地震有一定的關(guān)系。如，唐山地震發(fā)生之前，礦區(qū)礦井涌水量緩慢減少，臨震前，下降幅度大，主震后，礦井涌水量迅猛增加。

（5）礦山壓力是采面突水的誘發(fā)因素。礦山壓力觸發(fā)突水的機(jī)理主要是通過對采空區(qū)一定部位的斷裂構(gòu)造發(fā)生作用，使周期性的礦壓影響到該地區(qū)或附近的斷層，從而會導(dǎo)致構(gòu)造弱面活動，使得巖溶承壓水乘虛而入，造成礦井底板突水。

綜上所述，水源、地質(zhì)構(gòu)造、有效隔水層厚度、地應(yīng)力及礦山壓力等各方面的狀況均是影響底板突水的重要因素。因此，在進(jìn)行煤礦開采前，需要對礦區(qū)內(nèi)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及構(gòu)造地質(zhì)特征等相關(guān)因素進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查及分析，對礦區(qū)內(nèi)可能發(fā)生突水的區(qū)域進(jìn)行預(yù)報(bào)，并采取相應(yīng)措施，對煤層底板含水層進(jìn)行改造。

3 煤層底板突水預(yù)測及注漿改造技術(shù)

3．1 煤層底板突水預(yù)測

在對煤層底板突水的防治過程中，首先要對各類鉆探、物探資料進(jìn)行分析，確定煤層底板“下三帶”的相對厚度及有效保護(hù)層厚度。有效保護(hù)層厚度可按式（1）和式（2）進(jìn)行計(jì)算［3］。

式中：TS為突水系數(shù)，MPa/m；t為有效隔水層厚度，m；CP為底板破壞厚度，m；M為隔水層厚度，m；L為巷道底板寬度，m；γ為底板隔水層的平均重度，kN/m3；KP為底板隔水層的平均抗拉強(qiáng)度，MPa；P為底板隔水層承受的水頭壓力，MPa。

從相關(guān)規(guī)范中可知，正常塊段的突出系數(shù)TS不大于0．15 MPa／m、受構(gòu)造破壞塊段TS不大于0．06 MP／m時(shí)，一般不會造成突水或“底鼓”。反之，則會發(fā)生突水事故。

根據(jù)突水系數(shù)及泄水巷寬度與安全隔水層厚度對應(yīng)表（如表1所示），可以有效地對煤層底板突水進(jìn)行預(yù)測，確定其突水等級。再由相關(guān)參數(shù)確定注漿的深度，進(jìn)而選擇相應(yīng)的注漿方法及措施，對煤層底板進(jìn)行注漿改造。

表1 泄水巷寬度與安全隔水層厚度對應(yīng)表Tab.1 Correspondence table of drain roadway width and safety water-resisting layer thickness

3．2 注漿改造技術(shù)

煤層底板注漿改造工程［7～9］包括地面造漿站、井下工作面打注漿鉆孔、井下連續(xù)注漿等工程。

地面注漿站由儲土棚、粗漿池、精漿池、一攪池、二攪池、注漿棚、清水池等設(shè)施組成。主要設(shè)備有制漿機(jī)、攪拌機(jī)、雜污泵、泥漿泵、空壓機(jī)等。注漿材料由強(qiáng)度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥、黏性土和石灰組成。根據(jù)漿液的擴(kuò)散半徑及具體的含水層富水程度，在工作面下順槽設(shè)置鉆孔位置及數(shù)量，具體的參數(shù)根據(jù)被改造的含水層的水文地質(zhì)條件確定。

注漿鉆孔要分3個(gè)序次施工，全部注漿結(jié)束后，視鉆孔涌水量和進(jìn)漿情況，確定補(bǔ)打檢驗(yàn)孔的位置。將制好的黏土水泥漿沿泥漿泵→輸漿鉆孔→輸漿管路→注漿鉆孔→含水層的路徑灌注進(jìn)去。注漿壓力一般為水壓的2～3倍，漿液擴(kuò)散范圍較大。注漿后，可封堵含水到煤層的導(dǎo)水裂隙，加固煤層底板隔水層；也可改變巖層富水性，變強(qiáng)含水層為弱含水層或隔水層，從而達(dá)到安全開采之目的。

以上煤層底板注漿技術(shù)可以有效防治工作面下方承壓含水層對開采面的影響，減少礦井地下水突水和涌水事故的發(fā)生，保證開采的順利進(jìn)行，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

3．3 煤層底板突水防治

分析影響煤層底板突水的主要因素，采取相應(yīng)的防治方法，對煤層底板進(jìn)行改造，是進(jìn)一步的工程措施。具體的突水防治措施［10］有以下幾種。

（1）在水壓較高處，先疏降底板承壓水的水壓。如，在采空區(qū)工作面，設(shè)置排水渠，疏導(dǎo)下部含水層中的水，再注漿加固改造底板隔水巖層，將含水層改造為隔水層，從而減少巖體中節(jié)理、裂隙等突水通道，縮小水壓向上破壞擴(kuò)展的空間。若水壓破壞與采空破壞不相通，就形不成突水通道，底板突水不易發(fā)生。

（2）增加隔水層厚度，提高灰?guī)r層的強(qiáng)度。巖層的強(qiáng)度越大，受采動破壞就越小，深部巖體張裂厚度越小，水壓破壞越不易發(fā)生。

（3）減小底板采動破壞深度，優(yōu)化工作面布置和開采工藝，減少采動礦壓對底板破壞的影響。

（4）建立地面注漿站，為有突水危險(xiǎn)的區(qū)域的煤層帶壓開采前的底板進(jìn)行注漿改造服務(wù)，為在掘進(jìn)工作面穿過有突水危險(xiǎn)性的導(dǎo)水?dāng)鄬舆M(jìn)行注漿堵水服務(wù)。

（5）掘進(jìn)工作面采用三維地震勘探、超前鉆探、瞬變電磁法等方法，對斷層、異常構(gòu)造帶、工作面底板富水區(qū)有全局的把握。必要時(shí)，可隨時(shí)進(jìn)行注漿堵水，形成有效的隔水層。

4 結(jié)語

我國存在著嚴(yán)重的煤礦底板突水問題，運(yùn)用底板“下三帶”理論對煤礦突水進(jìn)行預(yù)測，結(jié)合對煤層底板突水機(jī)理及影響因素分析，用注漿改造技術(shù)進(jìn)行煤層底板突水治理，有較好的效果。

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[責(zé)任編輯 楊明慶]

TU45

B

10．13681／j．cnki．cn41－1282／tv．2017．03．010

2017-03-29

孫柏坤（1992-），男，安徽黃山人，助理工程師，主要從事隧道工程施工專業(yè)技術(shù)工作。