深部開采煤層防治水技術研究

段 霞

（山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責任公司，山西 晉中 045300）

礦井水災是現(xiàn)階段礦井面臨的最嚴重的自然災害之一，隨著我國礦井開采規(guī)模的不斷增大，煤礦也已經(jīng)逐步進入深部開采，開采過程中出現(xiàn)的水壓問題也越發(fā)嚴峻［1－2］。近些年，我國的礦井發(fā)生了一些煤礦突水災害，嚴重影響礦井的正?；夭?，對礦井的經(jīng)濟效益造成巨大的影響，甚至一些較為嚴重的災害還會造成人員傷亡［3］?，F(xiàn)階段，我國已經(jīng)成為受煤礦水災害影響最嚴重的國家之一。根據(jù)統(tǒng)計表明，煤礦突水事故中85%為巷道底板高壓水通過導水裂隙進入礦井或者采空區(qū)［4－5］。而我國華北地區(qū)的煤礦受底板承壓水的影響較大，主要原因是其屬于奧陶系灰?guī)r的地質(zhì)條件，該條件巖層富水性強、水壓高、隔水層薄，斷層等構造發(fā)育明顯，造成該區(qū)域礦井發(fā)生突水事故的危險性高。

1 工作面概況

平山礦Y485里工作面為8、9煤層分區(qū)，工作面開采深度－680m～－780m，走向長度762.5m，傾向長度145m，煤層平均傾角24°。掘進發(fā)現(xiàn)，1層～2層夾石，且夾石發(fā)育較厚、較連續(xù)，厚度在1.0m～3.5m，局部受斷層及沉積影響夾石厚度可達到3.5m以上，夾石巖性多為灰黑色碳質(zhì)泥巖。該工作面位于一向斜構造核部一側，地層產(chǎn)狀變化較大。從風道、溜子道及切眼等巷道的掘進中發(fā)現(xiàn)18條斷層，斷層發(fā)育明顯。

Y485里工作面位于煤5～煤12弱含水層段，煤層本身賦水性差，但工作面正處于向斜軸核部區(qū)域，施工過程中產(chǎn)生的導水裂隙帶容易連通上部5煤底板含水層而出現(xiàn)較大涌水。

2 礦井水災探測技術

2.1 超高密度電法探測技術

超高密度電法探測技術是依據(jù)巷道圍巖與含水地質(zhì)構造的差異，通過使用專門的探測儀器觀測巷道圍巖中電參數(shù)傳導的不同規(guī)律，來判定巷道巖層的不同地質(zhì)構造情況，通過該性質(zhì)來區(qū)分巖層的含水特性，從而根據(jù)探測的結果制定相應的開采計劃與防治措施，避免發(fā)生礦井突水事故。

超高密度電法探測技術是在礦井掘進工作面布置一定數(shù)量的電極，連通直流電后用儀器測定兩個電極之間的電勢差來推出對視電阻率剖面，并通過反演計算得出掘進工作面巖層的電阻率剖面，并依據(jù)不同類型的巖層性質(zhì)（當巖層為含水巖層時，其電阻率為低阻；當巖層為一般巖層時，其電阻率為高阻）來判定掘進工作面是否出現(xiàn)含水層，從而實現(xiàn)超高密度電法探測技術在超前探測水中的作用。

在該煤礦Y485里工作面運輸巷和回風巷掘進過程中使用超高密度電法探測技術來判定該工作面底板的富水異常區(qū)和斷層導水性質(zhì)。根據(jù)探測結果，將工作面劃分為富水異常區(qū)與正常區(qū)域，并根據(jù)探測結果做好相應的防治水技術措施，確保礦井的安全生產(chǎn)。

2.2 地質(zhì)雷達探測技術

地質(zhì)雷達探測技術是依據(jù)雷達發(fā)射的電磁波通過礦井不同的巖層時會發(fā)生不同的反射和透視，將探測的結果數(shù)據(jù)化，并通過相應的軟件呈現(xiàn)反射波傳播的時間、頻率、相位等，并通過傳回來的數(shù)據(jù)來確定礦井不同位置巖層的性質(zhì)，判別巖層的富水性與地質(zhì)構造情況。其探測原理如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達探測技術示意圖

通過地質(zhì)雷達探測技術可以對礦井的水文地質(zhì)條件與構造條件進行精細的探測。在Y485里工作面采用地質(zhì)雷達探測技術對礦井的水災進行探測，該工作面運輸巷與回風巷在掘進過程中主要由該工作面頂、底板砂巖受斷層構造影響破裂形成導水裂隙帶，提供工作面充水水源。通過地質(zhì)雷達探測技術在工作面巷道兩幫與拱頂0m～30m范圍進行探測，共探測6次，并依據(jù)探測結果來確定巷道的富水異常危險區(qū)域，為礦井的防治水提供相應的依據(jù)。

2.3 鉆探技術

對于采用物探技術與地質(zhì)雷達探測技術探測出的富水異常區(qū)應當采用鉆孔技術進行相應的驗證。根據(jù)探測出異常區(qū)的位置與巷道掘進的方向來布置鉆孔的參數(shù)，一般鉆孔的個數(shù)大于2個，鉆孔超探距離應當大于30m，傾角為－10°～－20°，其布置示意圖如圖2所示。

圖2 鉆孔布置示意圖

對于鉆孔超探距離的確定是保證鉆孔布置中最重要的一環(huán)，而超探距離的確定則是依據(jù)公式（1）：

式中：K為礦井的安全系數(shù)；L為巷道的寬度，m；P為巷道底板所承受水壓，MPa；KP為煤的抗拉強度，MPa。

根據(jù)Y458里工作面的地質(zhì)條件，其超探距離結果如表1所示。

3 防治水技術

采用物探與鉆探技術確定礦井富水的危險區(qū)域，對危險區(qū)域應當超前采用相應的防治水技術措施，確保危險區(qū)域的安全生產(chǎn)。礦井超前防治一般采用疏水降壓、注漿改造等技術措施。

表1 Y458里工作面不同水壓超前探測距離

3.1 疏水降壓

煤礦采用疏水降壓防治水，是通過鉆孔將巖層中的奧灰?guī)r水提前釋放，水位降低到安全線以下，從而達到防治水的目的。而疏水降壓有全量疏水與局部限量疏水兩種，全量疏水降壓是在工作面施工足夠多的鉆孔，將工作面中的水降低到安全水位；而局部限量疏水降壓是在底板薄弱區(qū)域進行疏水降壓，雖然同樣將水位降低到安全水位以下，但是由于底板的疏水通道依然存在，仍然有可能發(fā)生突水事故。疏水降壓的目的是將巷道底板巖層中含水層中的水進行疏排，將含水巖層的水位疏干變?yōu)樨毸畬?，從而達到工作面不帶壓開采的目的。

Y485里工作面采用疏水降壓的防治措施，其鉆孔布置示意圖如圖3所示。共布置7組鉆孔，每組鉆孔3個，累計施工21個鉆孔，鉆探進尺1 688.4m。

圖3 疏水降壓鉆孔布置示意圖

3.2 注漿改造

采用注漿改造技術用于煤礦防治水，其原理是利用注漿液將巷道圍巖中原來被承壓水占據(jù)的裂隙形成阻水整體，將導水裂隙封堵，底板注漿也進一步可以提高底板隔水層的厚度，提高抗壓強度與抗突水能力，避免發(fā)生礦井突水事故，保證礦井的安全生產(chǎn)。

Y485里工作面采用注漿改造防水技術措施，采用擴散半徑為20m左右的注漿液，而在斷層或者陷落柱等復雜地質(zhì)構造周圍采用擴散半徑為15m的注漿液。采用超前注漿的技術措施在工作面兩巷掘進時對底板進行加固，從而達到注漿防治水的目的。

4 效果檢驗

Y485里工作面富水危險區(qū)域采用鉆孔疏水降壓與注漿改造后進行防治水效果檢驗，結果表明，采用該措施后，能減小富水區(qū)的水位高度，減少導水裂隙帶，提高底板的抗水強度，具有良好的防治水效果，對礦井的安全生產(chǎn)具有十分重要的作用。

5 結論

1）以Y485里深部工作面為研究對象，分析了該工作面的地質(zhì)條件，該工作面在掘進過程中出現(xiàn)了涌水現(xiàn)象，對于該現(xiàn)象采用超高密度電法探測技術和地質(zhì)雷達探測技術進行探測，對探測到的危險區(qū)域采用鉆探技術進行驗證，從而確定該工作面為富水危險區(qū)域。

2）在Y485里工作面探測到的富水危險區(qū)域采用疏水降壓與注漿改造的防治措施進行超前防治水，并進行效果檢驗，結果表明該措施具有良好的防治水效果。