高承壓奧灰水上工作面全周期水害治理技術(shù)研究與應(yīng)用

武文清

（冀中能源峰峰集團(tuán) 孫莊采礦公司，河北 邯鄲056201）

1 概 況

對九龍礦野青工作歷次突（出） 水進(jìn)行綜合分析，其突（出） 水發(fā)生機(jī)理主要是隔水巖體在水與采動應(yīng)力影響力共同作用下發(fā)生變形，最終在薄弱區(qū)發(fā)生失穩(wěn)破壞而產(chǎn)生集中突水通道。當(dāng)采掘擾動后，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，隔水巖體開始變形，巖體變形破壞是其中裂隙裂縫發(fā)生發(fā)展的過程，在隔水層上部和下部都產(chǎn)生新裂隙；隔水層下部巖體由于與承壓含水層相連，產(chǎn)生新裂隙后，壓力水隨即滲入，對巖層進(jìn)行軟化，水壓力也加劇了裂隙裂縫的發(fā)生、發(fā)展，形成了遞進(jìn)導(dǎo)升理論中的遞進(jìn)導(dǎo)升帶；巖體變形反過來又影響其中水滲流狀態(tài)，壓力水又繼續(xù)影響巖體變形，如此相互作用、相互影響，直到形成某種平衡狀態(tài)。而在節(jié)理發(fā)育區(qū)，由于巖層的力學(xué)參數(shù)低，裂隙較完整地段發(fā)育更高，當(dāng)遞進(jìn)導(dǎo)升帶和底板破壞帶溝通時，發(fā)生突水。在小斷層帶和大斷層帶，力學(xué)性質(zhì)相對于節(jié)理帶薄弱，減小了隔水層厚度，從而引發(fā)突水。綜上所述，奧陶系灰?guī)r含水層水通過導(dǎo)水裂隙、導(dǎo)水?dāng)鄬?、?dǎo)水陷落柱和采動裂隙等導(dǎo)水通道，對上伏各含水層形成了垂向或側(cè)向補(bǔ)給，導(dǎo)致突水事故發(fā)生。對奧灰含水層頂部進(jìn)行注漿加固改造，增強(qiáng)工作面煤層底板巖層的隔（阻） 水層能力，從根源上治理，綜合有效防治導(dǎo)含水裂隙、斷裂和隱伏陷落柱等水害問題，是九龍礦防治水工作的重點(diǎn)。

2 野青工作面突水案例分析

九龍礦自1998 年10 月開采4 號煤以來，多個野青工作面均發(fā)生過突水，主要突水水源為大青和奧灰含水層。

2.1 15413N 野青工作面突水

1999 年1 月27 日九龍礦在回采15413 野青工作面時遇小斷層，導(dǎo)致山伏青灰?guī)r水從工作面底板突出，初期水量36 m3/h，3 d 后減為15 m3/h，由于采區(qū)排水能力不足造成工作面被淹和停產(chǎn)，至2 月16 日恢復(fù)生產(chǎn)共影響21 d。出水后九龍礦在北翼1號總回風(fēng)巷施工了2 個鉆孔放水，至2002 年3 月該地區(qū)山伏青灰?guī)r水被疏干。

2.2 15421N 野青工作面突水

15421N 工作面在回采的過程中多次發(fā)生底板突水事故，總體來說突水點(diǎn)主要沿與工作面走向接近的2 條小斷層分布，突水后工作面最大涌水量達(dá)150 m3/h。2002 年11 月6 日工作面底板初次突水，突水點(diǎn)呈約75 mm 的圓洞狀，水發(fā)渾，乳白色，有臭味，最大時涌水量達(dá)30 m3/h，穩(wěn)定后水量為12 m3/h。至2003 年2 月工作面老空區(qū)以里又多次突水，工作面涌水量一度增加至60 m3/h。2003 年2 月工作面沿煤層走向俯斜推進(jìn)后又先后發(fā)生6 次大的突水，特別是2003 年3 月10 日突水后工作面最大涌水量達(dá)150 m3/h。通過水質(zhì)分析和含水層水壓力觀測可以基本確定15421N 工作面出水水源為大青灰?guī)r含水層。

2.3 15431N 野青工作面突水

15431N 工作面里塊回采時未發(fā)生突水現(xiàn)象，外塊工作面在推進(jìn)200 m 時，回采面積24 725 m2，于2005 年4 月29 日煤層底板第一次出水，最大水量90 m3/h，最小水量9 m3/h，穩(wěn)定水量30 m3/h。

2.4 15423N 野青工作面突水

15423N 工作面里塊回采時，下順槽推進(jìn)170 m 時，上順槽推進(jìn)105 m，回采面積19 000 m2，于2007 年9 月27 日23 時煤層底板第一次出水，最大水量132 m3/h，10 月1 日至10 月21 日10 點(diǎn)，水量穩(wěn)定在90.0 m3/h 左右。第一次突水后工作面大青觀測孔（D3） 水壓由5.0 MPa 降為1.7 MPa。10 月21 日16 點(diǎn)30 分15423N 工作面底板發(fā)生第二次突水，初期水量峰值720 m3/h 以上，奧灰孔水位由+97.46 m 下降到+82.67 m，水位下降14.79 m，但工作面3 號大青孔水壓仍高達(dá)6.5 MPa 不降，突水水源為奧灰含水層水。

2009 年1 月8 日12 時25 分，15423N 工作面采空區(qū)內(nèi)發(fā)生滯后突水，初始突水量約900 m3/h 左右，1 月11 日凌晨1 點(diǎn)40 分突水量突然增大，且突水量呈波動上升趨勢，11 日20 時突水量最大達(dá)到7 200 m3/h，突水量超過礦井中央泵房的最大排水能力，礦井被迫全部停產(chǎn)。根據(jù)水文觀測資料及水質(zhì)監(jiān)測資料，確定突水水源為奧灰水，突水通道為隱伏導(dǎo)水陷落柱。15423N 工作面陷落柱突水剖面如圖1 所示。

圖1 九龍礦15423N 工作面陷落柱突水剖面Fig.1 Collapse column sudden water profile in 15423N working face of Jiulong Mine

根據(jù)突水案例分析可知，4 號煤開采突水水源主要為4 號煤底板山伏青、大青及奧灰水。其中，山伏青和大青灰?guī)r突水水量較小，對礦井危害較小。當(dāng)奧灰突水時，突水水量急劇增大，容易造成淹井事故。

3 15449N 工作面概況

3.1 15449N 工作面地質(zhì)條件

15449N 工作面為九龍礦北翼4 煤野青工作面，工作面自2019 年7 月1 日開始試采，至2020 年7月15 日停采。該工作面位于九龍礦井田北五采區(qū)下部，工作面南部為北五采區(qū)3 條下山，西北部為北二下部疏水巷，東部及東南部為F40 斷層，北部為3 條下山，工作面走向長度825～875 m，傾斜長度84～130 m，工作面地面標(biāo)高+125—+136 m，井下標(biāo)高-760—-860 m。

15449N 工作面煤層賦存較穩(wěn)定，上順槽煤厚為1.8~2.1 m，切眼煤厚為2.0~2.1 m，下順槽煤厚為2.0 ~ 2.2 m，平均煤厚為2.0 m，煤層傾角16°~ 20°，開采面積102 120 m2，可采儲量約30.1 萬t。15449N 工作面頂板為2.2 m 厚堅(jiān)硬野青灰?guī)r，直接底板為1.1 m 厚粉砂巖。工作面開采過程中實(shí)際揭露的斷層6 條，其中5 條斷層位于工作面外圍，對工作面回采無影響，包括F10（H=17 m，∠75°）、F40-1（H=2.5 ～7.0 m，∠75°）、f01（H=1.2 m，∠75°）、f02（H=1.2 ～4.0 m，∠80°）、f03（H=1.0 m，∠80°）；F40 斷層（H=3.0～7.0m，∠75°） 由工作面外圍向工作面延伸并尖滅，對工作面回采有一定影響，工作面附近斷層情況見表1。

表1 15449N 工作面附近斷層情況Table 1 Fault situation near 15449N working face

15449N 工作面布置范圍內(nèi)有1 個向斜地質(zhì)構(gòu)造，位于上順槽經(jīng)306 點(diǎn)處，下順槽經(jīng)78 點(diǎn)前42 m，向斜軸走向北偏東100°，向北五采區(qū)下部延伸，對工作面回采有一定影響。

3.2 15449N 工作面水文地質(zhì)條件

15449N 工作面水文地質(zhì)情況復(fù)雜，工作面頂?shù)装搴畬又饕? 號煤層頂部的石炭系野青灰?guī)r，煤層底板的山伏青灰?guī)r、大青灰?guī)r等薄層灰?guī)r含水層。

（1） 野青灰?guī)r含水層。

野青灰?guī)r為4 號煤直接頂板，野青灰?guī)r平均層厚2.2 m，經(jīng)野青巷道實(shí)際揭露證實(shí)，該含水層水量較小，主要以滴、淋水形式涌入工作面，對工作面回采影響很小。

（2） 山伏青灰?guī)r含水層。

伏青灰?guī)r上距4 號煤底板間距33 m 左右，山青灰?guī)r平均層厚1.0 m，伏青灰?guī)r平均層厚3 m 左右，該含水層富水性較弱，經(jīng)實(shí)際鉆探揭露證實(shí)，單孔涌水量為0.01 ~ 0.02 m3/min，水位標(biāo)高為-550.6—-674.3 m，對工作面回采影響很小。

（3） 大青灰?guī)r含水層。

大青灰?guī)r為大青煤直接頂板，層位和厚度均穩(wěn)定，厚度5 m 左右。根據(jù)各底板驗(yàn)證孔實(shí)際揭露情況分析，大青灰?guī)r頂上距4 煤底板間距72 m 左右，該含水層富水性不均一，單孔涌水量為0.01～0.15 m3/min，水位標(biāo)高為-300.6—-620 m。整體富水性相對較弱，對工作面影響很小。

（4） 奧陶系灰?guī)r含水層。

奧陶系灰?guī)r含水層為煤系地層基底，奧灰含水層總厚度500～600 m，根據(jù)地面施工各分支水平孔和井下底板驗(yàn)證孔（1-1 孔、2-1 孔、3-1孔、3-2 孔、4-2 孔、5-5 孔、6-1 孔、10-2 孔）揭露情況，含水層頂面上距4 號煤底板間距105 m 左右，水質(zhì)類型為Cl·SO4-Ca·Na 型，近3 a 水位標(biāo)高+111.07—+117.92 m。由于該含水層分布面積廣、厚度大，具有一定的動、靜水儲量，局部富水性相對較強(qiáng)，威脅工作面安全開采，為該工作面煤層底板防治水的主要對象。

4 全周期治理技術(shù)

4.1 采前工作面綜合改造

15449N 工作面回采前利用地面區(qū)域治理技術(shù)，對工作面及外圍進(jìn)行綜合探查治理，施工分支孔25 個，鉆探進(jìn)尺21 437.23 m，探查到明顯漏失點(diǎn)58 個，并對漏失點(diǎn)進(jìn)行注漿加固，注漿量103 460 t。

水平孔漏失主要是因?yàn)閹r溶裂隙發(fā)育及斷層、向斜構(gòu)造影響所致。通過采前地面區(qū)域治理工程，實(shí)現(xiàn)了水平分支孔在奧灰含水層中連續(xù)穿行鉆進(jìn)，增加了鉆孔揭露奧灰?guī)r層、裂隙、巖溶和導(dǎo)含水通道的幾率，提高了探查和治理精度。同時采取即漏即注的技術(shù)措施，對導(dǎo)含水構(gòu)造進(jìn)行注漿、加固，切斷了奧灰含水層垂向補(bǔ)給上覆巖層的通道，增強(qiáng)了工作面煤層底板巖層的阻隔水性能，將奧灰含水層頂部改造成了相對隔水層，從突水源頭上進(jìn)行了治理，為工作面安全回采奠定了基礎(chǔ)。

4.2 采中薄弱帶動態(tài)加固

為了監(jiān)測推進(jìn)過程中工作面頂?shù)装鍘r體破裂情況，在15449N 工作面兩巷布置微震監(jiān)測系統(tǒng)。檢波器采用包圍式布置，分布于工作面兩巷，檢波器間距100～150 m，共布置4 個分站、17 個檢波器（單軸14 個、三軸3 個）、23 個通道。微震事件主要發(fā)生在15449N 工作面切眼、15449N 工作面上順槽及外圍、北五向斜軸部。15449N 工作面回采過程中，利用水平分支孔對工作面構(gòu)造帶和微震異常區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)加固。15449N 工作面鉆孔注漿情況見表2。

表2 15449N 工作面“采中”鉆孔注漿情況Table 2 Drilling hole grouting in mining of 15449N working face

4.3 采后出水區(qū)減水治理

工作面開采結(jié)束后，為減少工作面涌水量，繼續(xù)利用微震監(jiān)測工作面底板能量事件。2020 年8月—2020 年12 月，15449N 工作面底板微震事件統(tǒng)計(jì)情況見表3。

表3 15449N 工作面“采后”微震事件統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of microseismic events after mining in 15449N working face

根據(jù)微震監(jiān)測結(jié)果，在工作面開采結(jié)束后，微震事件主要發(fā)生在15449N 工作面西北部，15449N工作面內(nèi)部幾乎無微震事件。

由于15449N 工作面北部的15423 工作面曾發(fā)生過底板透水事故造成淹井，同時15449N 工作面底板水是從該工作面北部流入，利用分支孔對15449N 工作面底板北部進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，同時截?cái)嗨?，分支孔注漿情況見表4。

表4 15449N 工作面“采后”鉆孔注漿情況Table 4 Drilling hole grouting after mining in 15449N working face

4.4 全周期水害治理效果

15449 N 工作面推進(jìn)期間，工作面涌水量變化情況如圖2 所示。

圖2 15449N 工作面涌水量變化情況Fig.2 Water inflow variation in 15449N working face

由圖2 可知，15449N 工作面回采前、中和后涌水量基本穩(wěn)定在0.46～1.12 m3/min，涌水量都比較小，只有在工作面來壓期間，涌水量才有稍微增大。2020 年7 月份以后，工作面回采結(jié)束，工作面涌水量保持在0.5 m3/min。通過全周期水害治理技術(shù)的實(shí)施，開創(chuàng)了九龍礦深部開采野青工作面涌水量最小水平，同比減少涌水量1.5 m3/min，每年可減少礦井排水費(fèi)用210 萬元，達(dá)到了保水開采的目的，解決了深部開采受水患威脅的局面。

5 結(jié) 論

（1） 通過分析九龍礦深部工作面受水害的特點(diǎn)，研究總結(jié)出了“采前工作面綜合改造-采中薄弱帶動態(tài)加固-采后出水區(qū)減水治理”的全周期水害治理模式，扭轉(zhuǎn)深部開采受水患威脅的局面。

（2） 通過開采前改造、開采中加固和開采后治理，進(jìn)一步提高漿液覆蓋率和注漿質(zhì)量，保障了礦井的安全生產(chǎn)。

（3） 工作面經(jīng)全周期水害治理后，有效降低了奧灰含水層大水量突水的風(fēng)險，大大減少了工作面涌水量，達(dá)到了保水開采的目的。