孔慶蒙,張仟仟
(1.山東能源肥城礦業(yè)集團,山東 肥城 271600;2.山東鼎安檢測技術(shù)有限公司,山東 濟南 250032)
白莊煤礦8103 工作面位于-430 m 水平8100采區(qū)北翼,工作面上覆7 煤層采空區(qū),層間距30.7~33.4 m,工作面設(shè)計長度為100 m,推進長度290 m,回采標高-424.1~-438.0 m,煤層厚度平均1.9 m。工作面井下位于8105 工作面(已回采) 以東,BF63 斷層以西148 m,F(xiàn)N6 斷層以南65 m。工作面煤層整體呈背斜構(gòu)造,背斜軸南翼走向72°~89°,傾向162°~179°,背斜軸北翼走向44°~76°,傾向314°~346°,工作面回采范圍內(nèi)煤層傾角1°~8°,平均4°,煤層頂板為四灰,凹凸不平,局部裂隙發(fā)育,局部存在“二合頂”。
根據(jù)水文地質(zhì)資料和礦井生產(chǎn)地質(zhì)資料顯示,白莊煤礦8103 工作面上覆7 煤層采空區(qū),工作面開采8 煤層,位于四灰含水層以下,五灰含水層和奧灰含水層以上。
(1) 老空水。8103 工作面上覆7 煤層采空區(qū),層間距30.7~33.4 m,西鄰的8105 采空區(qū),具備自然泄水條件,8103 工作面回采過程中不受老空水威脅。
(2) 四灰含水層。8103 工作面直接頂板巖層,厚3.8~6.6 m,平均4.7 m,頂部質(zhì)不純,含泥質(zhì),富水性中等,生產(chǎn)資料顯示,8100 采區(qū)巷道及鄰近工作面大面積揭露,其淋水已基本疏干,8103 工作面上、下兩巷及切眼內(nèi)均無四灰含水層淋水現(xiàn)象,8103 工作面回采不受四灰含水層威脅。
(3) 五灰含水層。五灰含水層距8103 工作面底板28.1~43.3 m,平均34.8 m,鉆孔資料顯示,五灰含水層厚1.6~9.5 m,平均厚5.6 m。工作面內(nèi)鉆孔單孔涌水量0~10 m3/h,平均涌水量0.9 m3/h,含水層水位在-196.4—-324.6 m,工作面回采范圍內(nèi),五灰含水層巖溶發(fā)育不均一、富水性相對較弱,工作面回采過程五灰含水層最大涌水量預計20 m3/h,最大突水系數(shù)為0.096 MPa/m。
(4) 奧灰含水層。奧灰含水層厚800 m 左右,富水性強,巖溶裂隙及溶洞發(fā)育,鉆孔資料顯示,奧灰含水層與五灰含水層層間距為2.1~8.7 m,平均間距5.4 m,與工作面底板巖層層間距35.8~57.9 m,平均45.8 m,單孔涌水量0.5~100 m3/h,平均涌水量12.4 m3/h,奧灰最高水位+25.4 m,比五灰最高水位-196.4 m,高出221.8 m,五灰含水層、奧灰兩含水層水力聯(lián)系不密切,經(jīng)計算奧灰含水層最大突水系數(shù)為0.139 MPa/m。
(5) 斷層水害。根據(jù)《煤礦防治水細則》要求,工作面留設(shè)FN6 斷層防水煤柱,該工作面不受斷層水害威脅。
綜上分析,白莊煤礦8103 工作面開采主要受底板奧灰含水層承壓水威脅。
根據(jù)工作面水文地質(zhì)條件與突出危險性評價,白莊煤礦8103 工作面開采主要受底板奧灰承壓水威脅。根據(jù)相關(guān)防治水規(guī)定要求,8103 工作面共設(shè)計施工奧灰注漿改造鉆孔64 個進行水害防治,其中第一序次施工31 個,第二序次施工22 個,檢查孔施工11 個,注漿孔均延伸至奧灰含水層段,單孔五灰水量0~10 m3/h,平均0.9 m3/h,單孔奧灰水量0.5~100 m3/h,平均12.4 m3/h。對五灰含水層和奧灰含水層進行聯(lián)合注漿改造,共注水泥803.48 t、黏土96.63 t。
注漿材料采用比重為1.12~1.18 粘土漿液加水泥,制成比重為1.20~1.30 的粘土水泥漿,采用連續(xù)換擋注漿方式,第一檔注漿流量106 L/min,孔口壓力達到8.0 MPa 時,換用第二檔注漿,流量為60 L/min,孔口壓力達到8.5 MPa 時結(jié)束注漿,注漿采用的注漿管路耐壓值不小于9 MPa,耐壓持續(xù)時間不小于30 min。
根據(jù)注漿鉆孔實際揭露,注漿后8103 工作面距奧灰含水層實際防水厚度91.0~120.5 m,平均厚度為99.9 m。8103 工作面采取奧灰含水層疏水降壓措施,放水量為30 m3/h,據(jù)此計算奧灰最大突水系數(shù)為0.057 MPa/m,符合《煤礦防治水規(guī)定》要求。
采用電磁探測技術(shù)對8103 工作面底板注漿效果進行監(jiān)測。在8103 工作面軌道巷內(nèi)分別設(shè)計了奧20 孔、奧31 孔、奧44 孔和奧60 孔探測鉆孔,如圖1 所示。
圖1 探測鉆孔布置Fig.1 Probe borehole
奧31 孔與奧20 孔之間電阻率CT 成圖如圖2所示。圖中出現(xiàn)兩處高阻區(qū),一處位于奧20 孔中部,一處位于奧31 孔深處。根據(jù)鉆孔地層資料可知,奧20 孔高阻區(qū)位于五灰含水層,經(jīng)過注漿治理后,五灰含水層周圍裂隙被注漿封堵,導致五灰地層周圍富水性降低,因此五灰地層呈現(xiàn)高阻區(qū),說明該孔的注漿效果好。五灰和奧灰地層處都呈現(xiàn)高阻,說明五灰和奧灰含水層之間沒有水力聯(lián)系,奧31 深部高阻區(qū)對應(yīng)奧陶系灰?guī)r地層,同理可知,奧灰地層經(jīng)過注漿處理后,該孔的奧灰地層不富水。
圖2 奧31 與奧20 之間的CT 透視圖Fig.2 CT fluoroscopy between No.31 and No.20
工作面切眼巷道位于圖3 中橫坐標190 m 處左右,切眼巷道貫通后,切眼巷道周圍底板應(yīng)力重新分布,導致切眼巷道周圍應(yīng)力增大,底板巖層由于受到應(yīng)力增大的影響,將巖層裂隙中的水壓縮出來,水向應(yīng)力減小的方向運移,導致圖3 中奧31孔橫向坐標0~10 m 處顯現(xiàn)低阻區(qū)。
圖3 奧60 與奧31 之間CT 透視圖Fig.3 CT fluoroscopy between No.60 and No.31
奧60 孔與奧31 孔之間的CT 成像圖如圖4 所示。從圖中可以看出,奧31 孔深部的奧灰地層處呈現(xiàn)高阻區(qū),說明奧31 孔中奧灰地層注漿效果好;地層電阻分布趨勢與底板應(yīng)力分布趨勢一致,說明礦山壓力影響底板巖層中水的分布。
圖4 奧60 與奧20 之間CT 透視圖Fig.4 CT fluoroscopy between No.60 and No.20
深部煤炭資源開采面臨著高承壓水的威脅。通過分析白莊煤礦8103 工作面周圍老空水、四灰含水層、五灰含水層、奧灰含水層以及斷層水害對其開采的影響,表明白莊煤礦8103 工作面開采主要受底板奧灰承壓水威脅。采用注漿和奧灰含水層疏水降壓方式防治后,進行了注漿防治效果的電磁探測,結(jié)果顯示注漿效果良好,保證了白莊煤礦8103 工作面安全開采。