分區(qū)治理技術在陳四樓煤礦水害治理過程中的應用

王浩民

（河南能源化工集團永煤公司陳四樓煤礦，河南 永城 476600）

陳四樓煤礦水文地質類型中等，但礦井山西組二2 煤層開采期間受底板太原組上段灰?guī)r（L8～L11）承壓水影響嚴重，自1997 年投產(chǎn)以來發(fā)生多次底板灰?guī)r突水。

1 概況

陳四樓煤礦位于永夏煤田隱伏永城復背斜的西翼，井田整體為一走向北北西的單斜構造，褶曲、斷層、小的波狀起伏及巖漿活動均較發(fā)育，近東西向構造以斷層為主，近南北向構造以褶曲為主。

礦井現(xiàn)主采山西組二2 煤層，平均厚度2.45 m，開采期間主要受底板太原組上段灰?guī)r承壓水影響。二2 煤層距太原組上段灰?guī)r平均距離為51 m，太原組上段含灰?guī)r4 層，自上而下分別為L11 灰?guī)r、L10 灰?guī)r、L9 灰?guī)r和L8 灰?guī)r，均厚分別為1.95 m、4.99 m、5.37 m 和12.76 m。采掘活動過程中，太原組上段灰?guī)r水可沿斷層、裂隙等進入二2 煤層，對采掘活動造成影響，如圖1。

圖1 太原組上段灰?guī)r含水層向二2 煤層充水示意圖

2 礦井水害治理存在問題

礦井太原組上段灰?guī)r水害治理主要采取底板注漿改造的方法，水害治理手段單一。從礦井回采工作面回采情況分析，北翼工作面底板注漿改造鉆孔施工過多，造成工程浪費；南翼水害治理效果難以保證，底板注漿改造以后工作面回采期間仍多受太原組上段灰?guī)r水影響。

3 區(qū)域劃分

通過對陳四樓煤礦近十幾年22 個工作面近3000 個底板注漿改造鉆孔揭露太原組上段灰?guī)r情況進行分析，依據(jù)巖溶揭露規(guī)律、水動力場和水化學特征等的不同，對陳四樓井田太原組上段巖溶系統(tǒng)進行劃分。

3.1 巖溶揭露規(guī)律

（1）南翼以L10 和L8 灰涌水為主，L10 比L8略多，二者占總涌水量80%～90%，L11 涌水量僅占總涌水量10%～20%；北翼各層灰?guī)r涌水量比例變化較大，總體仍以L10 灰涌水為主，L10 灰?guī)r溶最發(fā)育。

（2）南翼以L10 單位面積巖溶富水深度最大，約是L11 灰和L8 灰2 倍和1.2 倍；北翼L10 單位面積巖溶富水深度約是L11 灰的4 倍。L11～L8 的巖溶發(fā)育規(guī)律是弱～強～中。

（3）南翼由L11 至L8 出水概率依次增大，L10 和L8 灰出水概率是L11 約2 倍；北翼L11 出水概率進一步減小，L10 出水概率約是L11 的3 倍。

（4）南翼巖溶初始揭露強度由大到小依次為L10、L11 和L8，L11 以局部較強的富水巖溶為顯著特征，L8 以相對均勻和弱富水的巖溶為特征；北翼L11 和L10 巖溶初始揭露強度差異較小，說明北翼L11 灰也是以局部較強的富水巖溶為特征。

3.2 水動力場特征

南翼太原組上段巖溶水動力場特征如下：（1）L11、L10 和L8 巖溶水動力場特征相似，從陳四樓向斜向外圍向斜核部匯集，南翼存在F38～F39 和Fd1～Fs1 兩個重要指向陳四樓向斜核部的補給和徑流通道。（2）采礦活動不斷向陳四樓向斜核部推進是太原組上段巖溶水向陳四樓向斜核部匯集的重要原因。

北翼太原組巖溶水動力場特征如下：（1）位于井田F18 正斷層以北的區(qū)域，屬于典型的太原組無水～弱富水區(qū)；（2）觀2 孔為位于北翼F18 和F13 斷層之間地塹塊段的太原組上段水位觀測孔，其所代表的F18～F13 之間地塹區(qū)太原組水位呈“孤高”狀態(tài)，比地塹外兩下盤水位高近110 m，對井田內幾次大型突水亦“不敏感”，證明“地塹”區(qū)水文地質單元相對獨立。

3.3 水化學特征

南翼與北翼巖溶水主要區(qū)別是：（1）南翼巖溶水SO42-濃度略小，南翼1600～1800 mg/L，北翼2100～2200 mg/L。（2）南翼Ca2+濃度略小，南翼420～450 mg/L（甚至更低），北翼580～630 mg/L。（3）南翼礦化度略小，南翼2900～3500 mg/L，北翼3800～3900 mg/L。（4）南翼水質類型處于由SO4-Na 向SO4-Ca·Na 轉 變 過 程，而 北 翼 主 要 為SO4-Ca·Na 型。（5）部分南翼巖溶水CO32-出現(xiàn)和游離CO2消失且氧化還原電位更低，揭示愈向陳四樓向斜部核部，巖溶水堿性、還原環(huán)境愈強。北翼F18～F13 地塹區(qū)巖溶水文地質單元相對獨立。

依據(jù)以上分析，可將陳四樓井田太原組上段巖溶系統(tǒng)分為南翼子系統(tǒng)、北翼地塹子系統(tǒng)和北翼北子系統(tǒng)。南翼子系統(tǒng)與北翼地塹子系統(tǒng)邊界為F13～F13-1 正斷層，北翼北子系統(tǒng)與北部地塹子系統(tǒng)邊界為F18 正斷層，如圖2。

圖2 陳四樓井田太原組上段巖溶系統(tǒng)分區(qū)圖

4 分區(qū)治理技術的應用

4.1 南翼子系統(tǒng)

礦井南翼水文地質條件較為復雜，太原組上段灰?guī)r水壓高、補給豐富，鉆孔出水量大、單孔注漿量大，且該區(qū)域太灰水可疏放性較差，主要采取以下水害治理措施：

（1）底板注漿改造為主

底板注漿改造鉆孔設計終孔層位為L8灰底部，注漿終壓為13 MPa，鉆孔終孔深度原則上不超過150 m，間距按30 m 布置，異常區(qū)域進一步加密。

工作面底板注漿改造過程中，堅持“三不放過”原則，即不放過出水量大區(qū)域、不放過注漿異常區(qū)域、不放過物探異常區(qū)域，通過對異常區(qū)域不斷進行補孔驗證，徹底消除水害影響。

（2）鉆探物探相互驗證

采用瞬變電磁和高密度電法兩種物探方法，對太原組上段灰?guī)r（L8～L11）含水層富水異常區(qū)進行探測，經(jīng)鉆探驗證后再次進行物探，按照“物探-鉆探-物探”的原則，確保無異常區(qū)存在。

（3）放水掩護工作面回采

礦井南翼太原組上段灰?guī)r富水性強，且補給豐富，疏水降壓效果不明顯，但是工作面回采期間通過在工作面附近施工放水孔，作為卸壓點掩護工作面回采，對保證工作面安全回采也起到了積極作用。

4.2 北翼地塹子系統(tǒng)

礦井北翼F18 與F13 正斷層之間為一地塹構造，該區(qū)域為一相對獨立的水文地質單元。雖然該區(qū)域太原組上段灰?guī)r原始水壓較高，約為5.7 MPa，但通過疏水降壓，水壓可降至2.5 MPa 以下。該區(qū)域工作面水害治理采取疏堵結合的措施。

（1）底板注漿改造

底板注漿改造鉆孔設計按照整體加固并對物探異常區(qū)和構造發(fā)育區(qū)重點布置鉆孔探查的原則，設計終孔層位為L8 灰底部，注漿終壓10～12 MPa。正常塊段鉆孔落點間距控制在60 m 左右，物探異常區(qū)及構造發(fā)育區(qū)鉆孔落點間距控制在40～50 m 左右，后期重點對富水異常區(qū)和裂隙發(fā)育區(qū)進行加密布置鉆孔，檢查和驗證注漿效果。

（2）疏水降壓

根據(jù)放水試驗結果，該區(qū)域太原組上段灰?guī)r含水層補給條件較差，放水量120 m3/h 時，最大水位降深達到260 m，降落漏斗半徑接近800 m，通過疏水降壓可有效降低二2 煤層底板隔水層承受的水壓。

（3）物探驗證

在底板注漿改造和疏水降壓的基礎上，使用瞬變電磁和高密度電法兩種手段對太原組上段（L8～L11）灰?guī)r含水層富水性進行全覆蓋探測，根據(jù)探測結果對物探異常區(qū)進行重點鉆探治理。

4.3 北翼北子系統(tǒng)

礦井北翼北子系統(tǒng)位于F18 以北區(qū)域，該區(qū)域水文地質條件較為簡單，太原組上段灰?guī)r富水性整體較弱，由東向西逐漸減弱，至高六灣向斜軸部附近太原組上段灰?guī)r基本不富水。東部煤層露頭附近太原組上段水壓在1.0～2.5 MPa 之間，西部高六灣向斜軸部附近太原組上段水壓在2.7～3.3 MPa之間。該區(qū)域水害治理采取以探查為主、重點加固探查異常區(qū)的措施。

（1）物探探查

回采工作面圈成后，使用瞬變電磁和高密度電法兩種手段對太原組上段（L10～L11）灰?guī)r含水層富水性進行全覆蓋探測，圈定異常區(qū)。

（2）鉆探探查及驗證

鉆探探查及驗證鉆孔設計終孔層位為L10 灰底部，重點對物探異常區(qū)及構造發(fā)育區(qū)進行探查，同時對出水鉆孔進行注漿，注漿終壓8～10 MPa。

5 分區(qū)治理效果分析

分別以南翼子系統(tǒng)21703 工作面、北翼地塹子系統(tǒng)2801 工作面和北翼北子系統(tǒng)21214 工作面為例，進行分區(qū)治理效果分析。

5.1 21703 工作面

21703 工作面二2 煤層均厚2.59 m，可采儲量34.32 萬t，太原組上段灰?guī)r含水層水壓3.0～4.9 MPa。工作面共施工底板注漿改造鉆孔204 個，鉆探總進尺27 631 m，總注漿量14 275 t，鉆孔最大出水量150 m3/h，單孔最大注漿量1 773.5 t。底板注漿改造期間共進行4 次瞬變電磁物探和3 次高密度電法物探，發(fā)現(xiàn)異常區(qū)19 個，共布置驗證鉆孔56 個。另外工作面回采期間在21703 下順槽車場施工太原組上段放水鉆孔1 個，放水量約84 m3/h，作為卸壓點以降低工作面回采期間底板隔水層承受的水壓。

通過采取以上措施，工作面安全回采結束，萬噸煤鉆孔個數(shù)、鉆探進尺、注漿量分別達到5.9 個、805.1 m、415.9 t。

5.2 2801 工作面

2801 工作面二2 煤層平均厚度為2.49 m，可采儲量為58.5 萬t，太原組上段灰?guī)r含水層水壓4.0～5.3 MPa。工作面共施工底板注漿改造鉆孔154 個，鉆探總進尺24 283.5 m，總注漿量3 327.3 t，鉆孔最大出水量126 m3/h，單孔最大注漿量242.7 t。為降低太原組上段灰?guī)r含水層水壓，在工作面上下順槽車場各施工一個放水孔， 放水量分別為203 m3/h 和84 m3/h。通過對八采區(qū)水文觀測孔進行觀測，觀測孔水壓由原始的5.7 MPa 下降至2.5 MPa 并保持穩(wěn)定，太原組上段灰?guī)r含水層水壓的減小有效地降低了水害威脅。另外，結合瞬變電磁物探和高密度電法物探，共發(fā)現(xiàn)異常區(qū)6 個，布置驗證鉆孔15 個，進一步保證了工作面水害治理效果。

通過采取以上措施，工作面安全回采結束，萬噸煤鉆孔個數(shù)、噸煤鉆探進尺、噸煤注漿量分別為2.6個、415.1 m、56.9 t。

5.3 21214 工作面

21214 工作面二2 煤層均厚2.60 m，可采儲量39.1 萬t，太原組上段灰?guī)r含水層水壓2.4～3.2 MPa。工作面圈成后進行了瞬變電磁和高密度電法探查，均未發(fā)現(xiàn)富水異常區(qū)。由于工作面斷層較發(fā)育，共布置13 個鉆孔對斷層附近太原組上段灰?guī)r水層富水性及斷層導水性進行探查，其中出水鉆孔4 個，最大出水量3 m3/h，鉆探總進尺2013 m，總注漿量46.3 t。

通過采取以上措施，工作面安全回采結束，萬噸煤鉆孔個數(shù)、噸煤鉆探進尺、噸煤注漿量分別為0.33 個、51.5 m、1.2 t。

根據(jù)表1 可以看出，應用分區(qū)治理技術，能夠保證礦井水害治理效果，同時大幅度降低了北翼地塹子系統(tǒng)和北翼北子系統(tǒng)的水害治理工程量。

表1 分區(qū)治理效果一覽表

6 結語

太原組上段灰?guī)r水的治理是陳四樓煤礦防治水工作的重點，根據(jù)采掘活動實際揭露及底板注漿改造鉆孔施工情況的統(tǒng)計分析，礦井太原組上段巖溶分區(qū)規(guī)律明顯，主要受東西向大型構造控制，且各分區(qū)水文地質條件差異較大。通過合理的分區(qū)劃分，科學制定各分區(qū)水害治理措施，陳四樓煤礦水害防治工作得到了提升，近年來，礦井采掘活動未受太原組上段灰?guī)r水影響。