薄层灰岩带压开采防治水技术研究

周　杨

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.中煤科工集团西安研究院有限公司 水文地质研究所，陕西 西安 710054；3.中国煤炭科工集团西安研究院有限公司 陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安 710077)

0　引　言

随着煤炭开采深度、强度和速度的不断增大，我国煤炭资源开采受水害的影响程度也不断增强[1-3]。特别是在华北石炭—二叠系煤田，煤层底板分布有石炭系薄层灰岩、奥陶系巨厚层灰岩等岩溶裂隙含水层，深部煤炭开采受到底板灰岩承压水的严重威胁[4-7]。针对底板承压水开采问题前人做了很多工作。张建国等研究了平顶山矿区在地面实施帷幕注浆区域治理辅以疏水降压，取得了较好的效果[8]；许延春等总结了回采工作面底板注浆加固技术对我国大水矿区防治底板承压水突水事故的重要性，并介绍该技术在理论方法和工程实践等方面的新进展[9]；高振宇等采用超前物探及疏水降压等综合手段对底板砂岩含水层进行预疏放，最终实现布尔台矿42201工作面安全回采[10]；曹胜根针对底板高承压水提采用直流电法探测结合灰岩含水层注浆改造技术实现工作面安全回采[11]；王新军等总结疏放水水位动态变化曲线，以降深和涌水量之比作为指标，研究矿井疏水降压的适宜性[12]；靳德武等以分区叠加放水试验数据为基础，分析大青灰岩水文地质条件及疏水降压可行性，从而达到安全采煤的目的[13]。国外专家学者对矿井底板水防治也做了深入研究，J.Motyka与A.P.Bosch通过底板突水及岩溶发育情况研究，指出岩溶发育情况与底板突水的关系，采动裂隙是矿井突水发生的直接原因[14]；O.Sammarco则侧重于突水预警和前兆信息的研究[15-16]；D.Kuscer对矿井突水过程进行研究，揭示了突水过程的水文地质动态变化过程[17]；V.Mironenko与F.Strelsky提出矿井突水是岩体和地下水受采动影响的复杂作用过程，同时提出防止岩体破坏和突水的方法[18]。前人工作主要是围绕底板奥陶系灰岩或砂岩含水层进行防治水工作，从防治方法上，多以底板注浆加固为主，疏水降压为辅；从治理范围上，以单工作面为主，区域治理为辅；从治理目标而言，多以奥灰巨厚灰岩为主。因此，文中以薄层灰岩为研究对象，采用突水系数安全评价、矿井直流电法探查、钻探工程验证、疏水降压工程治理等综合防治水技术，最终实现了矿井安全高效回采，研究成果对本矿井及类似条件下薄层灰岩含水层带压开采矿井具有重要现实和指导意义。

1　矿井概况

西坡矿位于离柳矿区西北部，年生产能力210万t/a.井田内地层层序自下而上为奥陶系中统下马家沟组(O2x)、上马家沟组(O2s)，峰峰组(O2f)；石炭系中统本溪组(C2b)，上统太原组(C3t)；二叠系下统山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)，上统上石盒子组(P2s)、石千峰组(P2sh)；新生界上第三系、第四系不整合于各时代老地层之上。井田整体为一缓倾斜的单斜构造，地层走向从北至南，由NNE渐变为SN向，倾向NW-W，倾角平缓，一般为5°～10°.可采煤有7层，目前矿井主采山西组下部的5#煤层。

1.1　开采技术条件

5111面位于井田南部，开采标高+414～+535 m，埋深约350 m.工作面走向长1 500 m，倾向长207 m.煤层倾角平均4°，厚度平均3.86 m，属于稳定可采煤层。采用综合机械化一次采全高采煤工艺，自然垮落法管理顶板。

1.2　顶底板特征

5111面开采山西组下部的5#煤层，煤层顶板分为伪顶、直接顶、老顶3层，底板分为直接底和基本底2层。具体情况见表1.

表1　煤层顶底板情况

1.3　水文地质条件

工作面主要充水水源有顶板砂岩裂隙含水层水、底板下太原组灰岩含水层水及奥陶系灰岩含水层水。

1.3.1砂岩裂隙含水层

含水层组单位涌水量0.000 01～0.035 L/s·m，渗透系数0.002 6～0.29 m/d，富水性弱。根据相邻及周边工作面回采经验，该组含水层对矿井充水程度影响很小。

1.3.2太原组灰岩含水层

含水层由5层薄层灰岩组成，由上至下依次是L5～L1灰岩。单位涌水量0.18～0.90 L/s·m，为中等富水性且富水性不均一含水层。水位标高+589 m.最上部的L5灰岩距离5#煤层底板平均间距23.8 m，其间隔水层厚度较薄，是5#煤层开采的主要充水水源。L1灰岩为下组煤8#煤的直接顶板，距离5#煤层底板平均间距约60 m.

1.3.3奥陶系灰岩含水层

含水层组单位涌水量0.082 L/s·m，富水性弱。距离5#煤层底板平均间距119.54 m，其间存在稳定且厚度较厚的隔水层，属于突水威胁的间接充水含水层。在无直接导水通道的情况下，对矿井影响程度很小。

综上所述，影响该面安全回采的主要底板突水水源为太灰水，突水通道则为采动后形成的底板破坏带和地质异常体，底板下有效隔水层厚度和是否发育有断层、陷落柱是影响突水的关键因素。

2　突水危险性评价

2.1　底板破坏深度预计

煤层开采后，采空区底板岩层受采动扰动影响，发生变形、破坏。原岩裂隙得到扩张、延展，同时产生新的裂隙。此时，如果裂隙与承压含水层水导通，形成导水通道，就会发生底板突水事故。因此，底板破坏深度是预防底板灰岩突水的重要参数之一。

根据文献[19-20]，离柳矿区相邻及周边邓家庄矿、金家庄矿、柳林矿和柳家庄矿，均进行过现场底板破坏深度实测，测试结果见表2.

表2　离柳矿区底板破坏深度实测结果统计

结合文献[21]中经验公式，考虑工作面采深、倾角和斜长等影响因素，则可用统计公式计算底板破坏深度

h1=0.008 5H+0.166 5α+0.107 9L-4.357 9

(1)

式中H为开采深度，m；α为煤层倾角，(°)；L为工作面斜长，m.

5111面经验公式计算底板破坏深度h1=21.62 m.

综合考虑，笔者认为5111面采后底板破坏深度取16.92～21.62 m为宜。而工作面底板与太灰顶面平均间距为23.8 m.也就是说，当5111工作面回采后，底板下有效隔水层厚度仅为2.18～6.88 m.底板破坏带完全可能与太灰含水层直接导通，形成导水通道，发生太灰突水事故。

2.2　突水危险性评价

突水系数是指煤层底板单位隔水层厚度所承受的水压力，是带压开采条件下衡量煤层底板突水危险程度的定量指标[22-23]，突水系数T计算式为

(2)

式中P为煤层底板隔水层承受的水压，MPa；M为煤层底板隔水层厚度，m.

利用突水系数法进行5111面底板突水危险性评价，若T<0.06 MPa/m，说明底板安全，一般不会发生底板突水；若T>0.06 MPa/m，则说明底板不安全，发生底板突水的可能性大。5111面最大突水系数为0.084 MPa/m，大于0.06 MPa/m，故5111面回采时底板发生太灰突水的可能较大。

此外，相邻工作面5101面回采时，曾发生过底板太灰突水，最大突水水量为160 m3/h.

综上所述，无论从底板有效隔水层厚度角度考虑，还是通过突水系数法评价，以及相邻工作面回采经验教训考虑，5111面均有发生底板太灰突水的可能性。因此，需要制定行之有效的防治水技术方案，以实现工作面安全高效回采。

3　综合防治水技术

针对5111工作面底板太灰带压开采问题，积极落实“预测预报，有疑必探，先探后掘，先治后采”十六字方针[24]。进行太原组薄层灰岩含水层防治水技术研究，通过物探先行，钻探验证，疏水降压等多种手段相结合，最终实现工作面安全回采。

3.1　直流电法探测

在工作面回采前，采用直流电法探测技术，对工作面内底板灰岩富水异常区进行推断、预测，对太灰含水层的差异性进行评价。直流电法测深设计点距为20 m，皮带巷布置74个物理点，轨道巷布置74个物理点，选取最小极距20 m，最大极距110 m的三极装置进行探测，探测深度可达70 m.探测结果如图1～3所示。

图1　工作面底板下15 m附近直流电法测深平面异常图Fig.1　Plane anomaly of DC resistivity sounding near the bottom of 15 m

图2　工作面底板下28 m附近直流电法测深平面异常图Fig.2　Plane anomaly of DC resistivity sounding near the bottom of 28 m

图3　工作面底板下56 m附近直流电法测深平面异常图Fig.3　Plane anomaly of DC resistivity sounding near the bottom of 56 m

5111面底板下28 m至56 m为太原组L5～L1灰岩含水层。水平切片异常图显示工作面底板下主要存在3处异常区，异常区分别位于距离工作面切眼130～450 m(1#异常区)、690～960 m(2#异常区)和1 250～1 370 m(3#异常区)；1#异常区在纵向上随深度增加向深部发育范围变小，富水层位主要是L5灰岩层段；2#异常区在纵向上随深度增加发育范围变大，富水层在太原组灰岩层都有发育；3#异常区主要在底板下较浅层段强，推测太灰的L3，L2含水层相对赋水所致。鉴于灰岩含水层富水不均一性和直流电法探测结果的多解性，针对异常区实施钻探工程验证。

3.2　钻探验证结果分析

针对直流电法探测的异常区域，以及巷道掘进阶段揭露的断层构造情况，向工作面内部发散状布置验证钻孔，如图4所示，共计施工验证钻孔19个，钻探累计进尺1 895.5 m，验证钻孔具体情况见表3.同时，把5111面附近已有的TC1，TC2和S2孔作为疏水降压工程的水文观测孔。

图4　钻探验证工程布置Fig.4　Drilling verification engineering layout

表3　钻探验证成果统计

根据富水异常区钻探验证孔实际揭露地层情况表明

1)L5灰岩厚度较薄，一般2～3 m，有16个钻孔揭露后没有涌水，只有3个钻孔发生涌水，涌水量1～6 m3/h，富水性差；

2)L2，L3灰岩富水性较好，最大单孔涌水量达80 m3/h；

3)太灰含水层在平面上水力联系弱，径流不太通畅，以静储量为主，富水性不均一，局部存在较强富水区；

4)钻探过程中取芯率较低，岩块破碎，泥岩含量较高，说明煤底板隔水层阻水能力较差，岩层裂隙发育；

5)1#，5#，7#钻场钻孔在未揭露太灰含水层前发生钻孔涌水，说明太灰顶面局部存在构造裂隙和原始导升带。

3.3　疏水降压

针对太灰含水层的水文地质特征，进行疏水降压，目的在于降低太灰含水层水头，减小底板隔水层带压程度，实现安全带压开采。

疏降水量最大为160 m3/h，平均疏降水量为60 m3/h，累计疏降水量6万m3。其中，工作面最低点观测钻孔TC2太灰水位下降36 m，如图5所示。在工作面最低点的突水系数减小至0.048 MPa/m，小于临界值0.06 MPa/m，达到疏水降压目的。

图5　各观测孔水压变化情况Fig.5　Variation of water pressure in each observation hole

值得注意的是，本次疏水降压过程未完全打开所有钻孔，随着疏降时间和疏降水量的增加，太灰水位仍将有下降趋势。

在正常疏水降压工程的基础上，针对底板破碎段、断层和构造带需采用局部注浆加固技术，封堵导水通道，提到高底板岩层的阻抗水能力。同时，加强对工作面、采区、矿井排水系统设施的维修保养，使排水设备保持良好的运行状态，提高矿井的应急处理能力。

4　结　论

1)通过对5111面采矿、水文地质条件分析，工作面采后底板破坏深度为16.92～21.62 m，有效隔水层厚度为2.18～6.88 m，最大突水系数为0.084 MPa/m，发生底板薄层灰岩含水层突水的可能性较大；

2)采用直流电法探测技术，探查工作面底板下薄层灰岩富水异常区范围，并通过钻探工程验证，结果表明，利用矿井直流电法探查煤层底板薄层灰岩含水层富水性可行、有效，并且效果较为准确；

3)利用钻探验证钻孔对5111面底板薄层灰岩含水层进行疏水降压工程，水位、水压得到有效疏降，突水系数降至0.048 MPa/m，低于安全带压开采临界值，工作面可以实现安全带压开采；

4)带压开采工作面回采前采用突水系数安全评价、矿井直流电法探查、钻探工程验证、疏水降压工程治理等综合防治水技术，可有效降低工作面带压程度，减小底板突水威胁风险，为矿井取得良好的经济效益。

参考文献(References)：

[1]付勇.朱庄井田太灰上段含水层富水性特征分析[J].煤炭科学技术，2010，38(8)：118-121.

FU Yong.Analysis on watery features of aquifer in top section of Taiyuan group limestone in Zhuzhuang Minefield[J].Coal Science and Technology，2010，38(8)：118-121.

[2]王贵虎，何廷峻.高承压水体上开采底板岩层变形特征研究[J].西安科技大学学报，2007，27(3)：359-363.

WANG Gui-hu，HE Ting-jun.Coal floor movement damage character for mining on the top of water-pressured [J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2007，27(3)：359-363.

[3]王英，樊永贤，罗一夫.崔家沟煤矿矿井充水因素分析[J].西安科技大学学报，2012，32(6)：722-725.

WANG Ying，FAN Yong-xian，LUO Yi-fu.Water filling factors analysis of Cuijiagou Coalmine[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012，32(6)：722-725.

[4]王生全，吴佩，樊敏，等.象山矿井主采3# 煤层涌水规律及充水因素分析[J].西安科技大学学报，2016，36(6)：831-836.

WANG Sheng-quan，WU Pei，FAN Min，et al.Analysis of the gushing water law and water filling factors for No．3 coal seam of Xiangshan Mine[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2016，36(6)：831-836.

[5]许继影，姚多喜，陈善成，等.袁店煤矿101采区灰岩水综合防治技术[J].煤炭技术，2011，30(2)：95-97.

XU Ji-ying，YAO Duo-xi，CHEN Shan-cheng，et al.Comprehensive water control techenique for No.101 mine area of Yuandian Coalmine[J].Coal Technology，2011，30(2)：95-97.

[6]贺学.高承压灰岩水上煤层开采可行性评价[J].煤炭工程，2014，46(7)：78-84.

HE Xue.Evaluation on feasibility of mining in seam above high pressurized limestone water[J].Coal Engineering，2014，46(7)：78-84.

[7]施龙青，徐东晶，邱梅，等.采场底板破坏深度计算公式的改进[J].煤炭学报，2013，32(S2)：299-303.

SHI Long-qing，XU Dong-jing，QIU Mei，et al.Improved on the formula about the depth of damaged floor in working area[J].Journal of China Coal Society，2013，32(S2)：299-303.

[8]张建国，宋德熹.平顶山矿区灰岩水区域治理技术[J].煤炭科学技术，2013，41(9)：71-74.

ZHANG Jian-guo，SONG De-xi.Technology of coal limestone water regional control in Pingdingshan mining area[J].Coal Science and Technology，2013，41(9)：71-74.

[9]许延春，杨扬.回采工作面底板注浆加固防治水技术新进展[J].煤炭科学技术，2014，42(1)：98-101，120.

XU Yan-chun，YANG Yang.New progress on floor grouting reinforcement technology of water control in coal mining face[J].Coal Science and Technology，2014，42(1)：98-101，120.

[10]高振宇，何渊，任建刚，等.布尔台矿42201工作面底板砂岩承压水防治技术[J].煤矿安全，2017，48(s1)：43-47.

GAO Zheng-yu，HE Yuan，REN Jian-gang，et al.Prevention and control technique for confined water of floor sandstone at 42201 working face of Buertai Coalmine[J].Safety in Coal Mines，2017，48(s1)：43-47.

[11]曹胜根，姚强岭，王福海，等.承压水体上才没底板突水危险性分析与治理[J].采矿与安全工程学报，2010，27(3)：346-350.

CAO Sheng-gen，YAO Qiang-ling，WANG Fu-hai，et al.Analysis of water inrush risk from coal seam floor over a confined water body[J].Journal of Mining and Safety Engineering，2010，27(3)：346-350.

[12]王新军，潘国营，翟加文.井下疏水降压防治水措施的适宜性分析[J].煤炭科学技术，2012，40(11)：108-111.

WANG Xin-jun，PAN Guo-ying，ZHAI Jai-wan.Analysis on suitability of water prevention and control measures with water pumping and pressure releasing in underground mine[J].Coal Science and Technology，2012，40(11)：108-111.

[13]靳德武，董书宁，胡宝玉.邢台矿大青灰岩水文地质条件及疏水降压可行性研究[J].煤田地质与勘探，2005，33(增)：92-95.

JIN De-wu，DONG Shu-ning，HU Bao-yu.Research on hydrogeology conditions and feasibility of depressurizing from Daqing limestone in Xingtai Coalmine[J].Coal Geology and Exploration，2005，33(S)：92-95.

[14]Motykaj，Bosch A P.Karstic phenomena in calcareous-dolomitic rocks and their influence over the inrushes of water in lead-zine mines in Olkusz region(South of Poland)[J].International Journal of Mine，1985，4(4)：1-12.

[15]Sammarco O.Spontaneous inrush of water in underground mines[J].International Journal of Mine Water，1986，5(2)：29-42.

[16]Sammarco O.Inrush prevention in an underground mine[J].International Journal of Mine Water，1988，7(4)：43-52.

[17]Kuscer D.Hydrological regime of the water inrush into the Kotredez coal mine(Slovenia，Yugoslavia)[J].Mine Water and the Environment，1991(10)：93-102.

[18]Mironenko V，Strelsky F.Hydrogeomechanical problems in mining[J].Mine Water and Enviroment，1993，12(1)：35-40.

[19]刘叶青.柳林矿区4#煤层底板井下矿压破坏带深度实测研究[J].中国煤炭地质，2015，27(12)：33-35.

LIU Ye-qing.Study on coal No.4 floor underground pressure fracture zone depth measuring in Liulin mining area[J].Coal Geology of China，2015，27(12)：33-35.

[20]代革联，杨韬，郭国强，等.带压开采首采工作面底板破坏深度研究[J].煤炭科学技术，2016，44(8)：56-60.

DAI Ge-lian，YANG Tao，GUO Guo-qiang，et al.Study on failure depth of seam floor in first coal mining face with pressurized mining[J].Coal Science and Technology，2016，44(8)：56-60.

[21]段宏飞.煤矿底板采动变形及带压开采突水评判方法研究[D].徐州：中国矿业大学，2012.

DUAN Hong-fei.Study on mining deformation of floor and evaluation method of water inrush mining above confined aquifer[D].Xuzhou：China University of Mining and Technology，2012.

[22]张鹏，孙亚军，曹焕举.煤层底板承压含水层上安全开采技术研究[J].煤炭科学技术，2012，40(9)：104-107.

ZHANG Peng，SUN Ya-jun，CAO Huan-ju.Study on technology of safety mining above pressurized aquifer in seam floor[J].Coal Science and Technology，2012，40(9)：104-107.

[23]张乐中.煤矿深部开采底板突水机理研究——以王峰井田为例[D].西安：长安大学，2013.

ZHANG Le-zhong.Mechanism of water inrush for coal mine deep exploitation：taking Wangfeng Coalmine as an example[D].Xi’an：Chang’an University，2013.

[24]国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2016.

State Administration of Work Safety.Coal mine safety regulations[M].Beijing：Coal Industry Press，2016.