陳四樓煤礦21210 工作面底板水害治理技術(shù)研究

張 振 沈 冰

（河南龍宇能源股份有限公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600）

1 概況

陳四樓煤礦位于永城隱伏背斜的西翼，地層整體為NWW 傾向的單斜構(gòu)造，與上覆第四系不整合接觸。區(qū)內(nèi)斷層、褶皺構(gòu)造發(fā)育，主采山西組二2煤層。礦井含水層從上到下為第四系孔隙含水組、砂巖裂隙含水組、灰?guī)r巖溶裂隙含水組，對井田深部開采威脅最大的是太原組溶洞裂隙承壓含水組[1]。

21210 工作面標高-482.7～ -531.2 m，走向長793.1～807.8 m，傾斜長125.7～180.8 m，總面積13.65 萬m2。據(jù)井下鉆孔及巷道實際揭露地質(zhì)資料，工作面平均煤厚2.37 m，煤層平均傾角8°。

2 水文地質(zhì)條件分析

工作面二2 煤層頂、底板砂巖裂隙水是工作面的直接充水水源，單位涌水量為0.000 925～0.016 3 L/s·m，水溫19～26 ℃，以靜儲量為主，對工作面影響較小。

二2 煤下距太原組L11灰?guī)r45.05 m、L10灰?guī)r54.15 m、L9灰?guī)r62.63 m、L8灰?guī)r72.29 m，平均厚度分別為2.09 m、2.8 m、4.5 m、7.1 m，煤層與灰?guī)r由泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖相隔，如圖1。

圖1 21210 工作面地層綜合柱狀圖

21210 工作面充水通道為斷裂構(gòu)造裂隙帶，受褶曲及斷層構(gòu)造帶影響，工作面底板隔水層受到破壞，底板含水層可以通過破壞帶進入工作面。同時，由于構(gòu)造影響，太原組上段灰?guī)r含水層之間發(fā)生水力聯(lián)系，形成供水水源[2]。

3 底板水害治理

3.1 治理層位選擇

21210 工作面標高范圍為-482.7～ -531.2 m，根據(jù)太原組上段灰?guī)r含水層水位標高推斷煤層底板靜水壓力3.08～3.56 MPa。采煤工作面安全水頭壓力值計算公式[3-4]：P=TS×M，則M=P/TS。

工作面底板灰?guī)r靜水壓力取最大值3.56 MPa，21210 工作面按具有構(gòu)造破壞的地區(qū)計算安全隔水層厚度：M=P/TS=3.56÷0.06=59.3 m。

由以上計算可知，工作面安全回采所需隔水層厚度為59.3 m。L10灰?guī)r距離二2 煤層54.15 m，灰?guī)r厚度2.8 m，根據(jù)周圍鉆孔資料L9灰?guī)r底部距離L10灰?guī)r5.68 m，為以泥質(zhì)砂巖為主的安全隔水層，因此將治理目的層選為L10灰?guī)r底部。

3.2 注漿改造

3.2.1 物探探查

在進行底板注漿改造前首先采用瞬變電磁勘探手段對工作面進行勘探[5]，在工作面底抽巷布置2條勘探線，探查結(jié)果如圖2。

圖2 工作面瞬變電磁勘探圖

由勘探測線的視電阻率值剖面圖可知工作面內(nèi)基本不存在低阻值異常區(qū)，僅在工作面上端存在阻值為4 的值，且深度位于底板以下80 m。

3.2.2 鉆孔布置

參考物探結(jié)果，工作面內(nèi)基本不存在物探異常區(qū)，鉆孔設計主要以范圍探查為主，布置較稀疏，落點間距較大，以達到既保證工作面回采安全，又降低治理成本的目的[6]。因此在工作面底抽巷共設計鉆機窩3 組，設計鉆孔20 個，鉆探工程量2177 m。鉆孔布置如圖3。

圖3 21210 工作面底板注漿鉆孔布置圖

為保證注漿改造效果，揭露更多底板裂隙，注漿孔裸孔鉆進期間鉆孔直徑89 mm，采用下放套管方式加固。一級孔口管開孔直徑133 m，二級孔口管開孔直徑113 mm，一級孔口管直徑127 mm，二級孔口管直徑108 mm。

3.3 施工工藝及材料選型

（1）鉆孔施工工序主要包括：鉆孔布置→開孔→下套管→注漿加固套管→透孔試壓→預注漿→揭露含水層→鉆進→地面注漿→封孔。

（2）鉆探施工選用ZDY3200S 型全液壓鉆機及其配套設施，井上井下注漿設備分別選用2TGZ-60/210 型、3NBB-260/7 型泥漿泵。

（3）采用下行注漿方式，注漿材料采用水泥單液漿，漿液濃度1.15～1.30 t/m3。

（4）注漿結(jié)束標準為：根據(jù)灰?guī)r含水層靜水壓力，確定工作面注漿封孔終壓為10 MPa。

3.4 治理效果分析

3.4.1 鉆孔注漿、出水量分析

工作面未出現(xiàn)單孔出水量大于10 m3/h 的鉆孔，目標層僅有1 個鉆孔出水量3 m3/h，未出水鉆孔共計21 個。表明該區(qū)段鉆孔基本不出水，區(qū)域灰?guī)r段裂隙不發(fā)育，整體不具富水性。21210 工作面鉆探注漿分析見表1。

表1 21210 工作面鉆探注漿分析表

3.4.2 物探、鉆探結(jié)果分析

該工作面采用瞬變電磁物探對工作面內(nèi)煤層底板富水性進行了探查，指導鉆孔設計。根據(jù)工作面的瞬變電磁視電阻率剖面圖分析，工作面內(nèi)底板完整性及連續(xù)性較好，探測范圍內(nèi)灰?guī)r富水性較差，裂隙不發(fā)育。結(jié)合鉆孔探查情況，工作面目的層僅一個鉆孔出水，且不大于3 m3/h，物探成果與鉆探成果一致，說明該區(qū)域煤層底板至太原組上段灰?guī)r60 m 范圍內(nèi)基本不具富水性。

3.4.3 斷層控制分析

施工期間重點對工作面內(nèi)及落差較大的斷層進行了探查和控制，目標層位除1 個鉆孔出水3 m3/h外，其余鉆孔均未出水，證明斷層發(fā)育區(qū)域太原組上段灰?guī)r基本不富水，且施工期間巖性較完整，未出現(xiàn)塌孔等異?，F(xiàn)象，底板裂隙不發(fā)育。

3.4.4 突水系數(shù)分析

21210 工作面底板注漿改造工程目的層位實際揭露孔口水壓0.7 MPa，煤層底板承受太原組上段灰?guī)r水壓為1.3 MPa，根據(jù)突水系數(shù)計算公式：T=P/M。

底板注漿改造后二2 煤底板有效隔水層厚度為60 m，最大水壓1.3 MPa。則該工作面突水系數(shù)：T=P/M=1.3/60=0.022 MPa/m。經(jīng)計算，該工作面經(jīng)底板改造后突水系數(shù)小于0.06 MPa/m，滿足《煤礦防治水細則》要求，無突水威脅。

21210 工作面底板注漿改造工程自2020 年9 月2 日開始施工，至2020 年10 月30 日施工結(jié)束，共施工3 組鉆場，工作面內(nèi)施工底板改造鉆孔22 個，總鉆探進尺3154 m，注漿量139.2 t，單孔最大出水量3 m3/h，水壓范圍0.7～1.3 MPa，單孔最大注漿量40.7 t。通過鉆探、物探及對斷層、突水系數(shù)分析，工作面水害治理效果較好，底板不具富水性，斷層不具導水性，可安全回采。

4 結(jié)語

（1）根據(jù)工作面已揭露的實際情況及實鉆資料，21210 工作面斷層不具導水性，底板改造期間重點對斷層附近太原組上段灰?guī)r含水層進行了探查，經(jīng)探查斷層附近太原組上段灰?guī)r基本不富水，且鉆孔施工過程中巖層層序穩(wěn)定，未出現(xiàn)塌孔、破碎等裂隙發(fā)育異常現(xiàn)象，底板完整性好。

（2）21210 工作面采用物探方法從多個角度進行探查，經(jīng)探查工作面內(nèi)不存在異常區(qū)，與鉆探結(jié)果相吻合，表明工作面內(nèi)底板完整性及連續(xù)性較好，裂隙不發(fā)育。

（3）21210 工作面評價范圍內(nèi)底板注漿改造后，突水系數(shù)為0.022 MPa/m，滿足《煤礦防治水細則》要求，工作面不存在突水威脅，可以安全回采。