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摘要：針對榮康煤業10、11號煤帶壓開采存在的突水問題，采用理論分析確定了11煤底板有效隔水層厚度為11m；采用物探手段得到11004工作面底板的2處富水異常區，分別為底板0~40m范圍的工作面中部距切巷590～620m之間，推斷為富水異常區；頂板0～40m和頂板40～80m都探測出軌道順槽一側距切巷170～195m之間；通過工程經驗確定了鉆孔布置參數及相關注漿工藝，鉆孔間距為50m，注漿層位為進入奧灰18m。

關鍵詞：底板；奧灰水；保水開采

0引言

山西是我國的煤炭大省，長期以來為我國經濟社會發展和保障國家能源安全做出了重要貢獻，但煤炭開采也帶來了土地沉陷、水資源破壞、瓦斯排放、煤矸石堆存等一系列生態環境損害問題。山西省噸煤開采破壞水資源約為2.54m3/t，以2018年山西省原煤產量8.75億t計，約破壞水資源22.2億m3，使本就十分緊張的區域水資源供需矛盾更加尖銳。煤炭開采過程中，受地表沉陷、頂板活動與底板破壞等影響，頂板水和底板水不僅會給礦井安全生產帶來巨大威脅，而且會出現大量流失而進一步加劇礦區生態環境和徑流條件惡化[1-3]。因此，亟需通過保水開采途徑實現安全和綠色的雙重目標，具有很好的示范和引領作用。

1工程概況

1.1工作面概況

榮康煤業位于山西省洪洞市，各煤層均采用綜采一次采全高采煤工藝、無煤柱式開采、全部垮落式管理頂板。礦井為單水平開采，優先開采10號煤層，再采11號煤層。目前礦井在11號煤層中布置巷道，采掘10煤層。已經完成回采11001工作面，目前形成11004工作面，準備掘進11005工作面。10號煤層位于太原組下段上部，上距9號煤層間距為1.03～3.97，平均1.89m，煤層厚度1.65～2.80m，平均2.19m，含0～2層夾矸，結構簡單，厚度變化不大，頂板以泥巖為主，底板以粉砂巖為主，為全區可采的穩定煤層。11號煤層位于太原組下段中下部，煤層厚度1.65～3.57m，平均2.42m，含0～3層夾矸，結構簡單，頂板為炭質泥巖或泥巖，底板為石英砂巖或泥巖，為全區可采的穩定煤層。

1.2工作面水文地質條件

井田內奧陶系峰峰組灰巖巖溶裂隙含水層單位涌水量為0.0545～5.799L/s·m，為弱-極強富水性含水層，水位標高為+515～+540m，10號煤層底板標高為+245～+525m，11號煤層底板標高為+235～+515m，10、11號煤層底板標高全部處于奧灰水位之下，全部為帶壓開采。井田范圍內10號煤層底板承受奧灰水水頭壓力為0.558～3.195MPa之間，突水系數為0.015～0.069MPa/m，煤層底板至奧灰頂面距離為32.25～54.72m，平均距離45m；11號煤層底板承受奧灰水水頭壓力為0.558～3.195MPa，突水系數為0.021～0.091MPa/m，煤層底板至奧灰頂面距離為21.32～44.57m，平均距離35m。10號煤層平均厚度為2.19m，底板隔水層采動破壞深度按照預計12m，那么底板有效隔水層厚度為33m。11號煤層底板隔水層厚度平均35m，煤層厚度2.42m，底板破壞深度經驗估算按15m考慮，有效隔水層厚度僅剩20m。目前礦井已形成首采工作面11001工作面，共施工工作面底板水害探查鉆孔76個，揭露奧灰地層鉆孔均出現涌水量增大情況，最大為65.8m3/h，通過水壓分析，水壓在0.1～0.2MPa，基本為煤層底板砂巖水和本溪組水，水壓大于0.5MPa，確認為奧灰水。多數鉆孔揭露11號煤層底板砂巖即出水，部分為揭露本溪組出水。煤層底板確認為奧灰水的鉆孔6個，煤層底板至奧灰距離按照45m計算，奧灰含水層導升高度最大為12m，最小為3.2m，平均為6.45m。結合現有隔水層條件，用“下三帶”理論分析（見圖1）。11煤底板隔水層厚度平均為35m，煤層平均厚度為2.42m，底板采動破壞深度一般在8～12m，奧灰含水層導升高度按照平均值為6.45m那么有效隔水層厚度僅剩16.55m。導升高度按照現有最大值12m計算，那個有效隔水層厚度僅為11m。綜合礦井地質及水文地質條件，未來五年采掘區域為一采區南翼和二采區，受煤層底板奧灰含水層地下水的威脅嚴重，隨著煤層的開采底板破壞帶的形成，以及奧灰原始導高的存在，井田南翼采區奧灰水突水危險性較大。因此煤層開采前，必須采取底板奧灰含水層改造和隔水層加固措施，封堵底板導水通道，方能實現安全帶壓開采。

211004、11005工作面底板水隱患分析

11004工作面目前為10號煤層備采工作面，可采長度790m，切眼長度150m。10、11號煤層間距平均為8m。11004工作面掘進期間無斷層、陷落柱等地質構造。主要受頂板太原組K2灰巖含水層影響及底板奧灰含水層水威脅。頂板出水主要分布在11004膠帶順槽200～250、560m處及11004軌道順槽200m、400～450m、700m處，出水形式為頂板裂隙及錨桿、錨索淋水，水壓均小于0.1MPa。該工作面總涌水量為45m3/h（11004膠帶順槽25m3/h，11004軌道順槽20m3/h）。11005工作面為11004工作面之后的接續工作面。

2.111004工作面物探成果

為加強礦井安全生產和隱患排查工作，做到礦井隱蔽致災地質因素清晰明確，預測預報準確有效，采用槽波地震勘探、音頻電透視對11004工作面內部及底板進行探查。槽波地震勘探共采集76炮有效數據，162道接收，總測線長度1600m；音頻電透視勘探共采集物理點4096個，測線長1580m。根據激發76炮采集到的槽波數據，對槽波數據的處理，以及對槽波數據處理的結果進行成像。我們從成像結果圖上看，槽波異常3個（見圖2），編號為，CYC1、CYC2、CYC3。其中，CYC1異常位于11004工作面距切眼200～260m處，異常范圍較大，推測該異常為煤層破碎區域，對工作面回采有一定影響；CYC2異常位于11004工作面軌道順槽距切眼420～470m處，向工作面內延伸45m左右，該異常范圍較小，推測該異常為煤層破碎區域，對工作面回采有影響較小；CYC3異常位于11004工作面距切眼760～800m處，呈現條帶狀，推測可能存在隱伏斷層，對工作面回采有一定影響。音頻電透視采集物理點4096個，測線長1580m。綜合分析存在2處異常區域（見圖3）。底板0～40m范圍的工作面中部距切巷590～620m之間，范圍不大，結合地質資料綜合推斷為富水異常區，建議礦方進行打鉆進行驗證；頂板0～40m和頂板40～80m都探測出軌道順槽一側距切巷170～195m之間，范圍不大，向工作面內延伸50m，結合地質資料綜合推斷為富水異常區。

2.211004工作面底板隱患分析

11004工作面回采過程中主要受頂板太原組K2灰巖含水層影響及底板奧灰含水層威脅，重點防范底板奧灰含水層突水。11004工作面總涌水量為45m3/h，水源為10號煤層頂板太原組K2灰巖含水層，工作面兩順槽掘進過程中未揭露斷層及陷落柱。11004工作面奧灰水位標高為520～530m，底板標高為410～455m，該工作面奧灰水最大水頭壓力為1.2MPa，突水系數為0.023～0.035MPa/m，小于0.06MPa/m，為奧灰帶壓開采相對安全區，底板隔水層平均厚度為47m。奧灰含水層是煤系地層下伏的主要含水層，重點防范底板奧灰含水層通過隱伏導水構造進入工作面，造成突水。

3治理方案研究

根據礦井10號煤底板巖層賦存特點，本溪組含水層厚度較薄，不富水或弱富水，且10號煤底板與奧灰含水層平均距離為45m；11號煤層底板至奧灰頂面平均距離35m；如果選擇在煤層底板隔水層作為目標層，采后底板破壞帶直接擾動造成改造段失效，同時該層位既不利于鉆孔軌跡控制，又不利于注漿改造。而奧灰含水層相對本溪組含水層則富水性較強，厚度穩定，且遠離采后底板破壞帶；若選擇奧灰頂部一定厚度作為目標層，既有利于定向鉆孔的順層鉆進和層位控制，又可將奧灰頂部含水層改造為相對隔水層加以利用，增加底板有效隔水層厚度，降低10號和11號煤層開采奧灰突水威脅，同時可以解放10、11號煤層的煤炭資源。

3.1鉆孔布置

3.1.1鉆探工程布置

根據礦井采掘規劃以及礦井地質條件，未來5年采掘區域為“南翼采區”，共設計工作面9個，一期保水開采超前區域治理工程針對F3斷層以西相鄰的2個工作面（11004和11005工作面），采用定向鉆探與常規鉆探相結合的鉆探工藝，停采線局部定向鉆探未覆蓋區域采用常規鉆探探查治理，剩余部分采用定向鉆探探查治理。上下巷幫外50m，奧灰頂板下約18m分別布置1組鉆孔。工作面內布置1組，11004、11005工作面共計布置3組9個鉆孔（若由于地質條件影響，定向鉆機能力達不到全覆蓋，利用常規鉆探進行補充），實現均勻，全覆蓋工作面底板。在工作面北部聯巷施工定向鉆鉆場（D1、D2和D3），共施工3組9個鉆孔，鉆孔進入奧灰頂部約18m層位后，順層鉆進，延伸至工作面切眼南側外35m，對2個工作面進行超前區域含水層改造治理。

3.1.2常規鉆探鉆孔布置方案

常規鉆探鉆場布置在工作面北部，每個工作面布置1個鉆場，布置7個鉆孔，各鉆孔進奧灰頂板位置間距約50m。2個工作面共布置14個鉆孔，具體工程量以實際施工為準，見圖1。進尺6245m，預計機動工程量按照這一工程量的15%考慮，為921m，共計進尺7167m。11005工作面下部設計3個定向分支，按照11004工作面分支平均進尺估計，3個分支共計進尺為3583m。11004、11005工作面定向鉆探進尺為10750m。

3.2鉆孔結構

3.2.1定向鉆探鉆孔結構

各定向鉆孔由套管孔段（回轉鉆進孔段）、定向造斜孔段和定向穩斜孔段組成。1）鉆孔套管孔段方案1：一開孔徑為245mm，一級套管尺寸為φ219mm；下入深度15m。固管，耐壓后，二開φ193mm，二級套管尺寸為φ156mm或φ168mm，固管耐壓后，三開裸孔段孔徑為φ120mm。2）鉆孔套管孔段方案2：一開孔徑為219mm，一級套管尺寸為φ194mm；下入深度15m。固管，耐壓后，二開φ168mm，二級套管尺寸為φ146mm，固管耐壓后，三開裸孔段孔徑為120mm。3）二開套管下入奧灰頂面5m，保證滿足耐壓試驗要求。4）定向造斜孔段：采用隨鉆測量定向鉆進工藝進行施工，鉆孔直徑為120mm，鉆孔造斜至目標層位鉆進。

3.2.2常規鉆探鉆孔結構

鉆孔結構：開孔孔徑為133mm，鉆進16m，下入15mφ108mm×6mm地質套管，固管掃孔后更換φ75mm鉆頭繼續鉆進至終孔。

3.3注漿工藝及參數選擇

本次采用地面注漿站造漿，孔口高壓注漿工藝。地面注漿使用射流攪拌系統，可連續制漿和注漿。本次注漿以水泥為主，根據揭露裂隙情況可灌注水泥、粉煤灰、粘土等混合漿，其工藝流程如下：1）注漿方法。采用孔口封閉止漿、靜壓分序分段下行式注漿法。要求從上到下按段長依次分段鉆進、注漿。上一段未達到注漿結束標注，不得進行下一段施工。注漿單位段長一般為50～100m，可根據具體情況臨時調整。2）注漿層位選擇。礦井奧灰水位標高為+515～+540m，在11004、11005工作面附近，10、11號煤層底板標高分別在+400～+460m和+390～+450m，得出突水系數均小于0.06MPa/m。通過首采面的治理可知：奧灰頂部存在一定的導升高度，形成潛在的導水通道使得回采時工作面涌水增大，影響生產。所以，需要對奧灰頂部的含水層進行治理，達到從“根部”切斷導水通道的目的。從一采區的整個區域來分析，治理厚度不小于22m時，整個區域的11號煤層底板突水系數小于0.06MPa/m。在11004、11005工作面附近治理時，原生的隔水層厚度滿足突水系數小于0.06MPa/m的要求，治理的目的主要是探查，切斷導水通道。考慮到二開套管進入奧灰5m，之后進行鉆孔變向（造斜）所需要的距離，暫定為進入奧灰18m，后期需要根據工程實施過程，決定是否需要進行調整及如何調整。3）當鉆孔未揭露奧灰時，遇見鉆井液少量漏失現象采取調配堵漏劑堵漏鉆進，遇見鉆井液大量漏失現象時采用稠水泥漿堵漏鉆進。奧灰順層鉆進時，遇見鉆井液漏失量或孔內涌水小于10m3/h時，繼續鉆進。遇見鉆井液失量或孔內涌水量大于10m3/h時，向前鉆進5～10m的注漿層段進行高壓注漿。奧灰順層鉆進無漏失或漏失量較小時，每50～100m段進行壓水試驗，壓水量大于10m3/h提鉆注漿。壓水量小于10m3/h時，不需要注漿，繼續鉆進。當終孔時，未見明細漏失或涌水及壓水量小于10m3/h時，必須注漿，終孔的這次注漿不僅是治理注漿的一個環節，同時也是注漿封孔。這時，注漿時需要采用比重為1.15的稀漿注入，累計注入量需要達到孔體積的2倍以上，方可認為滿足封孔要求。4）漿液擴散半徑：根據以往經驗，本項目注漿漿液理論擴散半徑取30m。

4結語

針對榮康煤業10、11號煤均位于奧灰水位之下存在帶壓開采進行了隱患分析與相關保水開采設計：1）根據“下三帶”理論分析：11煤底板隔水層厚度平均為35m，煤層底板采動破壞深度8～12m，奧灰含水層導升高度按照平均值為6.45m那么有效隔水層厚度僅剩16.55m。導升高度按照現有最大值12m計算，那個有效隔水層厚度僅為11m。2）根據物探結果顯示：存在2處異常區域，底板0～40m范圍的工作面中部距切巷590～620m之間，推斷為富水異常區；頂板0～40m和頂板40～80m都探測出軌道順槽一側距切巷170～195m之間，推斷為富水異常區。3）根據工程經驗確定鉆孔間距為50m，注漿隔水層厚度為進入奧灰18m，并確定了相關鉆孔布置及注漿工藝。

參考文獻：

[1]李敏.工作面底板承壓水防治方案設計與實踐[J].山東煤炭科技，2020（6）：159-161.

[2]閆左峰.碾溝煤業5105工作面承壓開采底板注漿加固技術[J].煤，2019，28（8）：32-33，36.

[3]馬雄德，杜飛虎，齊蓬勃，李文莉.底板承壓水保水采煤技術與工程實踐[J].煤炭科學技術，2016，44（8）：61-66.

作者:閆永星 單位:太原煤炭氣化（集團）有限責任公司