榆樹坡煤礦5105工作面底板富水異常區(qū)治理技術(shù)

狄應(yīng)龍

(山西寧武榆樹坡煤業(yè)有限公司， 山西 寧武 036700)

1 礦井概況

山西寧武榆樹坡煤業(yè)有限公司位于山西省寧武縣城東北約2 km處，行政隸屬寧武縣鳳凰鎮(zhèn)和陽(yáng)方口鎮(zhèn)兩鎮(zhèn)管轄。井田地處晉北山區(qū)，溝谷縱橫，梁峁綿延，地形比較復(fù)雜，呈中低山地貌。最高海拔1 665.1 m；最低海拔1 323 m，最大相對(duì)高差342.1 m. 井田面積15.02 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量3.8億t，可采儲(chǔ)量約1.4億t. 全區(qū)含煤8層，其中2、5號(hào)煤層為全井田穩(wěn)定可采煤層。2號(hào)煤層厚度2.55～6.41 m，平均4.42 m. 頂板巖性為粗中砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖。5 號(hào)煤層厚度13～16 m，平均15.07 m.

主要地質(zhì)構(gòu)造以北北東向新華夏系構(gòu)造為主，發(fā)育為北東向區(qū)域張性大斷裂為主，一般斷層規(guī)模較大。斷距2～48 m，平均5～9 m. 全井田經(jīng)3次三維地震及精細(xì)解釋探明斷層條數(shù)54條，其中正斷層52條，逆斷層2條。

5煤位于太原組下部，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含1～6層夾矸，為全區(qū)穩(wěn)定開采的巨厚煤層。工作面附近施工的ZK702鉆孔煤厚16.27 m， 煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，含夾矸4層，為穩(wěn)定可采的巨厚煤層，其頂板為泥巖，厚度22.65 m，底板為砂質(zhì)泥巖，厚度2.6 m. 5105面為礦井5號(hào)煤首采工作面，上部為1201采空區(qū)和1201小1采空區(qū)，四周無(wú)其他采空區(qū)存在。工作面進(jìn)風(fēng)順槽長(zhǎng)1 496 m，回風(fēng)順槽長(zhǎng)1 511 m，傾向長(zhǎng)177 m. 煤層傾角2°～11°，平均6°，工作面標(biāo)高+980～1 115 m. 除切眼位置小范圍不帶壓外，工作面其它區(qū)域受奧灰水威脅，需帶壓開采。工作面底板隔水層承受奧灰水壓0.34～1.5 MPa，突水系數(shù)小于0.06 MPa/m，由于工作面內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，采掘過(guò)程中具有突水危險(xiǎn)性。

2 構(gòu)造發(fā)育區(qū)及富水異常區(qū)的確定

2.1 構(gòu)造發(fā)育物探探查技術(shù)

槽波地震勘探[1-2]可以探查小斷層、陷落柱、煤層分叉與變薄帶、采空區(qū)及廢舊巷道等地質(zhì)異常，具有探測(cè)距離大、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、波形特征較易于識(shí)別及最終成果直觀的優(yōu)點(diǎn)。

為了進(jìn)一步查明首采面隱伏地質(zhì)異常體的發(fā)育情況，采用槽波探測(cè)技術(shù)，確定采用全排列的采集方案，以最大限度地接收有效數(shù)據(jù)，提高成像精度。沿進(jìn)風(fēng)巷兩側(cè)幫、回風(fēng)巷兩側(cè)幫、切眼布置激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)。首采面進(jìn)風(fēng)巷兩側(cè)幫、回風(fēng)巷兩側(cè)幫、切眼激發(fā)點(diǎn)與接收點(diǎn)布置如下：接收點(diǎn)間距10 m，共布置609個(gè)；激發(fā)點(diǎn)間距20 m炮距，布置369個(gè)。首采面槽波透射CACT成像結(jié)果見(jiàn)圖1，槽波透射RACT成像結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖1 首采面槽波透射CACT成像結(jié)果圖

圖2 首采面槽波透射RACT成像結(jié)果圖

探測(cè)區(qū)域內(nèi)共解釋斷層5條，均為正斷層，分別命名為DF41、DF42、DF45、DF53、CF1. 其中，CF1為新發(fā)現(xiàn)斷層，修正三維解釋斷層走向及位置4條(DF41、DF42、DF45、DF53)；按落差分，DF41、DF53落差大于1/2煤厚小于煤厚，DF42、DF45、CF1落差在1/2煤厚左右；按可靠程度分，均為可靠斷層。槽波地震探查成果表見(jiàn)表1.

表1 槽波地震探查成果表

2.2 富水異常區(qū)物探探查技術(shù)

采用電法探測(cè)技術(shù)[3]對(duì)富水異常區(qū)進(jìn)行探測(cè)。針對(duì)首采面富水異常區(qū)，采用音頻電穿透和直流電法兩種電法探測(cè)技術(shù)進(jìn)行綜合物探。

2.2.1 音頻電穿透技術(shù)

音頻電穿透[4]設(shè)計(jì)布置兩順槽發(fā)射點(diǎn)的間距為50 m，接收點(diǎn)距10 m，共計(jì)60個(gè)發(fā)射點(diǎn)、294個(gè)坐標(biāo)接收點(diǎn)。針對(duì)每個(gè)發(fā)射點(diǎn)，在另一巷道與之對(duì)稱點(diǎn)附近一定區(qū)段進(jìn)行扇形掃描接收，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)一般對(duì)應(yīng)10～20個(gè)接收點(diǎn)。施工時(shí)采用15 Hz、120 Hz雙頻點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。5煤底板下60 m范圍內(nèi)砂泥巖和灰?guī)r的富水異常情況見(jiàn)圖3.

圖3 首采面底板下0～60 m層段音頻電穿透平面異常圖

工作面底板下0～60 m層段范圍內(nèi)地層綜合電導(dǎo)率值為0.33～1.13 S/m，平均值為0.66 S/m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.12 S/m，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)選定異常閥值為0.75 S/m，即綜合電導(dǎo)率值大于閥值的為異常區(qū)。首采面0～60 m層段范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)5處異常區(qū)段。1號(hào)異常主要在上巷0#點(diǎn)沿巷道向東北50～70 m以及下巷0#點(diǎn)沿巷道向東北0～50 m，異常范圍相對(duì)較小，異常幅值相對(duì)較弱；2號(hào)異常主要在下巷0#點(diǎn)沿巷道向東北210～230 m、300～340 m、410～430 m，異常范圍相對(duì)較小，異常幅值相對(duì)較弱；3號(hào)異常主要在上巷0#點(diǎn)沿巷道向東北490～550 m、580～610 m以及下巷0#點(diǎn)沿巷道向東北500～640 m，異常范圍相對(duì)較大，異常幅值相對(duì)較強(qiáng)。4號(hào)異常主要在上巷0#點(diǎn)沿巷道向東北850～920 m、1 100～1 120 m、1 250～1 360 m以及下巷0#點(diǎn)沿巷道向東北760～780 m、840～950 m、1 050～1 250 m，異常范圍相對(duì)較大，異常幅值相對(duì)較強(qiáng)。5號(hào)異常主要在上巷0#點(diǎn)沿巷道向東北1 420～1 430 m、1 500～1 530 m以及下巷0#點(diǎn)沿巷道向東北1 400～1 420 m、1 540～1 560 m，異常范圍相對(duì)較小，異常幅值相對(duì)較弱。

2.2.2 直流電法測(cè)深技術(shù)

直流電法測(cè)深[5-7]設(shè)計(jì)點(diǎn)距為10 m，回風(fēng)巷布置147個(gè)物理點(diǎn)，進(jìn)風(fēng)巷布置147個(gè)物理點(diǎn)，選取最小極距20 m，最大極距120 m的三極裝置進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)深度可達(dá)80 m. 首采面直流電測(cè)深視電阻率斷面異常圖見(jiàn)圖4.

1) 上巷底板視電阻率斷面異常特征。

上巷底板下共存在5處低阻異常區(qū)。1號(hào)異常位于0#點(diǎn)沿巷道向東北0～60 m，異常范圍相對(duì)較小，異常幅值相對(duì)較弱，異常主要集中在底板下20～80 m；2號(hào)異常位于0#點(diǎn)沿巷道向東北170～280 m、300～320 m，異常范圍相對(duì)較小，異常幅值相對(duì)較弱，其中170～280 m異常中心主要集中在深部，300～320 m異常主要集中在底板下40～60 m；3號(hào)異常位于0#點(diǎn)沿巷道向東北360～560 m、560～680 m，異常范圍相對(duì)較大，異常幅值相對(duì)較強(qiáng)，其中360～560 m異常主要集中在中深部，560～680 m異常主要集中在淺部；4號(hào)異常位于0#點(diǎn)沿巷道向東北840～960 m、970～1 020 m、1 110～1 220 m，異常范圍相對(duì)較大，異常幅值相對(duì)較強(qiáng)，970～1 020 m異常范圍較小，僅在80 m以深層段發(fā)育；5號(hào)異常位于0#點(diǎn)沿巷道向東北1 250～1 400 m、1 530～580 m，異常范圍相對(duì)較大，異常幅值相對(duì)較強(qiáng)。

2) 下巷底板視電阻率斷面異常特征。

下巷底板下共存在5處低阻異常區(qū)。1號(hào)異常位于0#點(diǎn)沿巷道向東北0～80 m、100～140 m，異常范圍相對(duì)較大，異常幅值相對(duì)較強(qiáng)，其中0～80 m異常主要集中在中深部；2號(hào)異常位于0#點(diǎn)沿巷道向東北170～220 m、260～290 m，異常范圍相對(duì)較小，異常幅值相對(duì)較弱；其中170～220 m異常主要集中在深部，260～290 m異常主要集中在底板下30～60 m；3號(hào)異常位于0#點(diǎn)沿巷道向東北450～520 m、560～600 m，異常范圍相對(duì)較大，異常幅值相對(duì)較強(qiáng)；其中450～520 m異常貫穿整個(gè)探測(cè)深度，520～640 m異常主要集中在淺部。4號(hào)異常位于0#點(diǎn)沿巷道向東北870～960 m、1 040～1 160 m、1220～1 240 m，異常范圍相對(duì)較大，異常幅值相對(duì)較強(qiáng)；其中870～960 m、1 040～1 160 m異常貫穿整個(gè)探測(cè)深度，1 220～1 240 m異常僅集中在底板下40～70 m；5號(hào)異常位于0#點(diǎn)沿巷道向東北1 340～1 440 m、1 520～1 560 m，異常范圍相對(duì)較大，異常幅值相對(duì)較弱。

3 注漿鉆孔布置

3.1 鉆孔平面布置

依據(jù)物探成果顯示低阻異常區(qū)、構(gòu)造發(fā)育塊段重點(diǎn)加密布設(shè)鉆孔，其他區(qū)域兼顧探查治理原則，對(duì)首采面注漿鉆孔進(jìn)行鉆探鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)。注漿鉆孔平面布置圖見(jiàn)圖5.

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

鉆探鉆孔結(jié)構(gòu)：開孔孔徑為d133 mm，鉆進(jìn)16 m，下入15 m，d108 mm×6 mm地質(zhì)套管，固管掃孔后更換d75 mm鉆頭繼續(xù)鉆進(jìn)至終孔。注漿鉆孔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6.

圖5 注漿鉆孔平面布置圖

圖6 注漿鉆孔結(jié)構(gòu)圖

3.3 鉆孔終孔層位

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》要求，帶壓開采礦井采用底板治理工程后，突水系數(shù)應(yīng)小于0.1 MPa/m. 結(jié)合該治理區(qū)域水文地質(zhì)條件進(jìn)行計(jì)算，突水系數(shù)T取0.1 MPa/m，奧灰水位取+1 080～+1 090 m，5號(hào)煤層底板標(biāo)高取+935～+1 090 m，隔水層厚度取34.8 m，工作面采后底板破壞帶發(fā)育深度按25 m考慮。

依據(jù)突水系數(shù)計(jì)算公式：

T=P/M

式中：

T—突水系數(shù)，MPa/m；

P—奧灰水壓，MPa；

M—隔水層厚度，m，取34.8.

可得：M=P/T

其中：P=[H1-(H2-M-M3)]/100

式中：

H1—奧灰水位，m，取1 090；

H2—煤層底板標(biāo)高，m，取935；

M3—奧灰改造厚度，m.

當(dāng)T取0.1 MPa/m時(shí)，M3奧灰改造厚度為10 m；當(dāng)T取0.06 MPa/m時(shí)，M3奧灰改造厚度為26 m.

在極限情況下，回采后底板破壞深度達(dá)到35 m，隔水層完全失效，在這種情況下需要改造的奧灰含水層厚度為21 m(突水系數(shù)取0.1 MPa/m). 綜合以上分析，注漿改造奧灰含水層厚度不得小于10 m，考慮一定的安全系數(shù)，該次注漿層位選擇在奧灰頂面下10～20 m較為適合。

4 注漿治理工藝

針對(duì)首采面底板的富水性不均一、隔水層薄的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)分段下行注漿工藝方法。采用高壓射流制漿機(jī)進(jìn)行制漿，可注性較好，漿液比較細(xì)膩且流動(dòng)性強(qiáng)，單孔的注漿量高，可以減少鉆孔的數(shù)量。注漿主要是將巖層裂隙進(jìn)行封堵，根據(jù)鉆孔的出水量和吸漿量，對(duì)漿液密度進(jìn)行調(diào)整，水灰比在(3∶1)～(1.5∶1)，密度在1.20～1.37 g/cm3. 注漿工藝流程見(jiàn)圖7.

圖7 注漿工藝流程圖

1) 注漿原則。對(duì)煤層底板進(jìn)行鉆孔注漿時(shí)，要確保注漿的連續(xù)性，減少鉆孔的工作量，對(duì)導(dǎo)水通道及底板裂隙進(jìn)行有效封堵。如果一個(gè)單孔的注漿量大于2 000 m3時(shí)，可以選擇在注漿的過(guò)程中留有間歇，一般為4 h，在間歇期間，要確保將注漿管路清洗干凈，如果在采用間歇方式后仍然達(dá)不到工程要求，可采用注固體材料的方式進(jìn)行加固。

2) 注固體材料。注漿材料以PO42.5水泥為主。在進(jìn)行注漿的過(guò)程中，如果出現(xiàn)注漿壓力長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，或者巷道的底板出現(xiàn)跑漿等狀況，則需要更改注漿材料，使用鋸沫、大豆、海帶絲等固體材料對(duì)導(dǎo)水裂隙進(jìn)行充填。在吸漿池中均勻地撒上鋸沫，要注意控制鋸沫的撒入量，不能影響泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，或是在井下的孔口處安裝注入器，將海帶絲和大豆等固體材料輸送到鉆孔中。

3) 終孔標(biāo)準(zhǔn)。在注漿完成后，設(shè)計(jì)的終孔壓力為3 MPa，在一檔注漿達(dá)到所設(shè)定的壓力后，需進(jìn)行二檔注漿，注漿時(shí)要保持恒定壓力10～30 min，完成后方可結(jié)束注漿。

5 效果評(píng)價(jià)

單孔注漿量較大的鉆孔，可以分為兩類：其一是涌水量較大的鉆孔，單孔涌水量介于14～100 m3/h，這類鉆孔吃漿量較大，注漿漿液進(jìn)入受注層位后，裂隙較發(fā)育，導(dǎo)水通道較通暢，漿液迅速擴(kuò)散，因此單孔注漿量較大；其二是鉆孔涌水量較小，但鉆孔揭露斷層等構(gòu)造，受斷層帶內(nèi)地層不完整、膠結(jié)程度差、裂隙帶發(fā)育等因素影響，該類鉆孔雖然涌水量小，但通道、裂隙發(fā)育，單孔注漿量依然較大。

切眼外側(cè)DF53斷層，注漿水泥用量97 t；進(jìn)風(fēng)巷外幫DF43斷層，注漿水泥用量180 t；工作面內(nèi)DF45斷層，注漿水泥用量601 t；回風(fēng)巷外側(cè)DF40、DF41斷層，累計(jì)注漿995 t；工作面內(nèi)部其它低阻異常區(qū)累計(jì)注漿水泥用量2 900 t.

針對(duì)重點(diǎn)異常區(qū)和大型構(gòu)造，在探查治理竣工后重新布置了24個(gè)檢查孔，開展查缺補(bǔ)漏和前期治理效果檢查，單孔涌水量小于1 m3/h，證明治理效果較好。截止2021年5月，該工作面已安全回采過(guò)半，未發(fā)生底板涌水事件，從回采效果上充分證明了底板注漿治理工藝在山西寧武榆樹坡煤礦得到了成功應(yīng)用。

6 結(jié) 論

1) 采用綜合物探技術(shù)手段對(duì)工作面內(nèi)構(gòu)造發(fā)育情況和富水異常區(qū)情況進(jìn)行探查。經(jīng)過(guò)鉆探驗(yàn)證，綜合物探成果較為準(zhǔn)確，可作為鉆探探查設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

2) 通過(guò)超前區(qū)域治理加固隔水層-改造含水層，可以實(shí)現(xiàn)薄隔水層條件下奧灰安全帶壓開采，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

Treatment Technology for Abnormal Water-rich Area in Floor of 5105 Working Face in Yushupo Coal Mine

DI Yinglong

AbstractThe first mining face of No.5 coal seam in Yushupo coal mine is a working face under water pressure, and there are many faults inside the working face, which increases the possibility of water inrush from the floor during mining. In order to realize safe mining under water pressure on this surface, comprehensive geophysical methods are adopted to explore structural development areas and water-rich abnormal areas on the working face before mining, and the floor advanced pre-grouting technology strengthens the water-resistant layer. Through the floor grouting treatment process, the safety mining under pressure has been realized on this face, and good economic benefits have been obtained. It has provided water prevention and control ideas for the mine and surrounding mining shafts under water pressure, and the social benefits are significant.

KeywordsMining under safe waterpressure of aquifer; Integrated geophysical exploration techniques; Structural development area; Water-rich abnormal area; Advanced pre-grouting