榮康煤礦防治水技術研究與應用

＊李永進 王亮亮 王英豪 楊新宇 楊玉華 趙浩南

（山西晉煤集團洪洞晉圣榮康煤業(yè)有限公司 山西 041600）

1.緒論

近年來，隨著煤炭資源的開采深度逐漸加深或是下組煤的開采，底板奧陶系灰?guī)r水突水危險性越來越大，加之近年來國家對地下水資源保護力度的增加，保水開采[1-2]成為很多礦井水防治中的一條重要工作思路。

礦井地處龍子祠泉域東北邊緣地段，巖溶地下水的補給主要是通過西北區(qū)域出露巖溶含水層或斷裂構造水的側向補給，其次是在淺埋藏區(qū)或裸露區(qū)接受大氣降水和地表水補給。經區(qū)域巖溶水系統(tǒng)徑流，經人工水井、礦坑或大泉排泄。

礦井西北部發(fā)育有下團柏斷層，礦井處于該正斷層的上盤，斷層落差200～230m，礦井主要的充水含水層K2灰?guī)r含水層和斷層下盤的奧陶系灰?guī)r含水層對接，使得本井田K2灰?guī)r含水層富水性中等，礦井日常涌水量大。

礦井主要開采太原組的10#、11#煤，11#煤層距離奧灰27～37m，平均35m。井田范圍內奧灰水位標高+520m。斷裂構造發(fā)育，主要開采的南區(qū)目前勘探發(fā)現(xiàn)斷層21條。斷裂構造使得煤層底板隔水層的完整性大大降低，進一步增加了底板奧灰的突水威脅。

為了減少礦井的正常涌水量，降低礦井底板突水威脅，進一步實現(xiàn)地下水資源的原位保護、地面環(huán)境的保護，礦井利用定向鉆探技術，對煤層底板的奧灰進行探查治理。在團柏斷層的邊界附近，在K2施工探查治理孔，施工帷幕降低礦井日常涌水量，奧灰頂部注漿治理以減小奧灰突水概率。

2.礦井水文地質條件分析

含水層是影響水害發(fā)生的重要因素，根據探測礦井主要含水層為第四系松散巖類孔隙含水層，上、下石盒子組、山西組砂巖裂隙含水層，太原組石灰?guī)r裂隙含水層，奧陶系中統(tǒng)峰峰組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。下面對礦井水文地質條件分析。

(1)井田內原生構造發(fā)育條件分析

本區(qū)多被第四系黃土層覆蓋，基巖僅在溝谷中小片出露或零星露頭，主要發(fā)育有S1背斜、S2向斜、S3背斜、S4向斜，斷裂破碎易成為礦井充水的主要通道。井田內以往共發(fā)現(xiàn)陷落柱9個，縱斷面呈倒漏斗型，也可能成為導水的結構。

(2)10#、11#煤層采動影響范圍分析

①頂板裂隙帶發(fā)育高度計算

井田內煤層為緩傾角，煤層頂板主要為泥巖、砂巖，采用中硬巖層導水裂隙帶高度計算公式，其公式為：

式中：Hli—導水裂縫帶高度（m）；ΣM—煤層累計采厚（m），取井田內10#、11#煤層最大厚度5.89m。

計算得導水裂縫帶高度為82.81m，最大高度可通太原組砂巖裂隙含水層及山西組砂巖裂隙含水層。

②底板采動破壞深度分析

底板采動破壞深度一般在10～20m[3]，底板巖層采動破壞深度不僅和開采的地質條件有關，而且和開采的方式也有很大的關系。在工作面斜長30～205m、采深100～1000m條件下，可通過以下公式計算煤層采后底板破壞帶發(fā)育深度[4]。

式中：h—底板采動破壞深度（m）；L—工作面斜長（m）。

計算得地板最大破壞深度約16.89m。

(3)礦井充水因素分析

井田范圍內，煤層開采可以影響到的含水層主要有新生界松散巖類孔隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層、石炭系太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。構造發(fā)育能夠導通的含水層還有奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層。其中新生界松散巖類孔隙含水層在煤層埋藏較淺或溝谷位置可能對開采有影響。二疊系砂巖裂隙含水普遍富水性弱，對開采影響較小。對礦井開采影響較大的含水層主要為太原組K2灰?guī)r含水層和奧灰含水層。K2灰?guī)r含水層被采動裂隙導通，在采掘過程中以頂板滴淋水的形式出現(xiàn)，對礦井日常生產影響較大。奧灰含水層通過一下導水構造導通采掘空間，對礦井安全產生威脅。

3.防治水理念和體系

統(tǒng)籌煤炭資源的安全高效開采、水資源的原位保護、地面的生態(tài)環(huán)境保護[5]，分析研究礦井充水條件，優(yōu)化開采布局、工藝參數和工作面接替，掌握采動應力分布、裂隙擴展和水力聯(lián)系的規(guī)律；采取有力手段措施，評價10#和11#煤層保水開采效果。

(1)1個統(tǒng)一：安全生產和水資源、環(huán)境保護統(tǒng)一

在礦井的采掘過程中，頂板K2灰?guī)r含水層正常的涌水量在180m3/h左右，出水不僅使得井下采掘環(huán)境惡化，同時增加了礦井排水壓力，降低排水系統(tǒng)的空余排水能力。同時大量水進入礦坑，形成了水資源的浪費。礦井水災排出后，對環(huán)境也有一定的影響。井田發(fā)育的導水構造，一旦形成奧灰突水，不僅威脅礦井安全，同樣會形成資源的浪費和增加環(huán)境保護的難度。減小礦井K2涌水量、降低奧灰突水概率就是實現(xiàn)了這三者的統(tǒng)一。

(2)1個理論依據：灰?guī)r含水層中漿液的擴散理論

隨著近年來的實踐，對灰?guī)r注入水泥漿、黏土漿、粉煤灰水泥漿等在多個礦區(qū)進行了應用，同期對漿液在灰?guī)r中的擴散也有眾多的學者進行研究，形成了冪律流體的球形擴散理論[6]、水平孔注漿漿液擴散力學模型[7]、傾斜裂隙水平注漿孔牛頓流體和黏時變性流體漿液擴散模型[8]、裂隙巖體滲透注漿特性試驗[9]、離散裂隙網絡介質理論[10]等的漿液擴散理論。

(3)1項關鍵技術支撐：井下千米定向鉆探技術

隨著定向鉆進技術、工藝的發(fā)展，我國井下長距離定向鉆進技術最大鉆進距離達到了2570m[11]，在灰?guī)r中達到了900m。長距離的定向鉆探工藝形成，使得在灰?guī)r中大范圍、遠距離注漿得以實現(xiàn)。

(4)3個有效保障：專業(yè)的治理隊伍、專門的治理資金、國家的退稅政策

在確定進行灰?guī)r區(qū)域治理以實現(xiàn)礦井水資源保護，環(huán)境保護的理念下，選用了專業(yè)的技術力量進行實施。同時企業(yè)和配套率足夠的資金進行項目的運行，山西省也對綠色開采進行退稅補貼，進一步降低了治理的成本，在源頭實現(xiàn)了環(huán)境的保護。

(5)6大監(jiān)測系統(tǒng)：保水開采智能監(jiān)測預警系統(tǒng)

保水開采智能監(jiān)測預警系統(tǒng)主要包括地表水文觀測、地下水位動態(tài)監(jiān)測、工作面涌水量實時監(jiān)測預警、礦井水質實時監(jiān)測預警、頂板裂隙發(fā)育動態(tài)觀測、底板破壞范圍實時監(jiān)測預警、災害征兆實時預警等。

4.防治水主要思路和措施

為了減小采掘過程中的頂板滴淋水，方便井下巷道的掘進與回采、降低礦井涌水量，減小礦井排水壓力、增加煤層開采底板的安全安全性。礦井采用超前注漿治理的技術對奧灰頂部進行改造和對K2的過水邊界建立阻水帷幕。

（1）在井田西部靠近下團柏斷層的地方，二采區(qū)膠帶和回風的連巷，布置鉆場，對煤層頂板K2灰?guī)r含水層施工定向探查孔，井下注漿。利用兩排鉆孔實現(xiàn)在含水層中建立隔水帷幕的目的，從而降低采掘活動中K2頂板的滴淋水。

（2）在井下軌道巷合適位置建立鉆場，利用定向鉆機沿工作面走向，在奧灰頂部布置定向鉆孔，對奧灰上部8～15m厚度的地層進行探查與治理。治理范圍按照工作面采動范圍外擴50m確定，鉆孔間距為40～60m。利用地面注漿站制漿，通過高壓注漿管，輸送漿液至井下鉆場，探查出水后，開始注漿治理。對奧灰頂部的異常導升通道和部分斷層進行超前治理，降低奧灰突水威脅，增加開采的安全性。

5.現(xiàn)場應用效果

在2022年6月，至2022年9月初，在11004工作面下部施工了6個定向鉆孔，13個常規(guī)補充加固孔，9個檢查孔。定向鉆探進尺累計3053m，常規(guī)補充孔進尺1363m，檢查孔進尺907m。注入水泥3182t。11005工作面施工6個定向鉆孔，定向工程鉆探量6573m，注入水泥10941t；常規(guī)鉆探進尺1913m，注入水泥705t。共注入水泥11646t。

11004工作面實現(xiàn)安全回采，回采過程中底板未見出水。治理前后的音頻電透成果見圖1、圖2。

圖1 治理前工作面底板下40～60m音頻電透成果圖

圖2 治理后工作面底板下40～60m音頻電透成果圖

6.結論

（1）通過注漿治理的技術，實現(xiàn)了K2灰?guī)r的帷幕截流，減小了頂板得滴淋水，達到了井巷的高效掘進。實現(xiàn)了11004工作面的安全，達到了礦井的安全回采。

（2）對奧灰上部8～15m的探查與改造，降低了奧灰的突水威脅，減小了礦井的排水量，實現(xiàn)了對環(huán)境的保護。

（3）實現(xiàn)了礦井的安全、高效開采、地下水的原位保護、環(huán)境的保護，為類似條件的礦井防治水工作提供了重要的借鑒。