含水厚煤层综放开采水害防治技术的研究应用

张学伟

（晋能控股煤业集团 煤峪口矿，山西 大同 037041）

1 矿井概况

煤峪口矿是大同煤矿集团下属的矿井，是全国首个进行综合机械化试验开采的矿井，累计生产1.2 亿t 高质量煤矿。矿井位于大同煤矿东南翼，东西走向10.5 km，南北走向1.8 km，总面积15.154 5 km2[1]。煤矿水害是煤矿安全开采的一大严重阻碍因素，5812 工作面主采6 号煤，煤层厚约5 m，属于厚煤层开采。在煤矿开采过程中，顶板、底板、采空区等均存在不同程度的水害隐患，为确保煤矿开采安全高效的进行，对存在的水害问题进行研究及防治尤为必要。

1.1 地质概况

煤峪口矿5812 工作面走向长2 km，开采宽度为230 m，煤层倾角为0～5°，工作面内可采煤层有2 号、3 号、6 号、9 号共4 层，其中6 号煤层相对稳定，煤层厚约5 m，可稳定开采，开采方式为综放开采，顶板采用全部垮落法管理，煤层结构较复杂。开采工作面为首采工作面，巷道掘进过程中出水点较多，且涌水量较大，单孔出水量最大达120 m3/h。

1.2 构造特征

6 号煤层直接顶由中砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩组成，厚度为2～30 m，整体不稳定，开采中容易发生离层塌落；老顶为细砂岩，厚4 m，整体性比较好，裂隙不发育；伪顶为泥岩，厚0.5～0.7 m，发育于中部，如图1 所示。工作面内已完成施工的6 号煤层底板距离下伏奥陶系灰岩45～70 m，如图2 所示。

图1 6 煤顶板150 m 内砂岩、泥岩厚度比值等值线图Fig.1 Thickness ratio contour diagram of sandstone and mudstone within 150 m roof of No.6 coal seam

图2 6 号煤层底板至奥灰等值线图Fig.2 Contour diagram from floor to Ordovician limestone of No.6 coal seam

6 号煤层顶板含水层，岩性以中砂岩为主，平均厚6 m，根据抽水试验资料可知，水量最大达23 m3/h，单位涌水量为0.06 L/s·m。底板隔水层以粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩组成，局部位置砂岩直接覆盖于奥灰含水层上，隔水层厚20～60 m。

1.3 水源勘探

回采过程中存在水害隐患的是顶板和底板。顶板砂岩裂隙发育，钻孔发现，钻孔单位涌水量平均为0.05 L/s·m，渗透系数为0.001～0.08 m/d，可知虽然裂隙发育，但富水性弱。底板水水源为奥灰水，勘探中，设计施工了见6 号煤层同时见奥灰的钻孔44 个，底板到奥陶系灰岩含水层顶板距离在20～60 m，经勘探得知，该区域裂隙发育，受裂隙发育的影响，局部富水性较强，工作面内水位稳定，标高约880 m，最大涌水量3.6 L/s·m，渗透系数为5.4 m/d，富水性强，水位标高与煤层底板标高比较可知煤层底板有水压，静水压约1.5 MPa。

2 水害防治方案研究

2.1 水害隐患

综上可知，6 号煤层顶板富水性较弱，底板富水性强，因此文章主要进行底板防治水研究，6 号煤层开采方式为带压开采，通过计算突水系数、安全隔水层厚度比值系数、安全水压3 个数据来分析水害隐患。

2.1.1 安全隔水层厚度比值系数

通过水压、岩石容重、开采面宽度及抗压强度等数据，基于斯列萨辽夫公式计算分析安全隔水层厚度比值系数，同样取上述7 个钻孔原始数据进行计算，得到的结果在0.503 5～0.720 6，小于1，说明突水发生可能性较小[2]。

2.1.2 安全水压

根据地质条件可知，研究工作面奥灰水压最大值为1.5 MPa，根据工作面隔水层厚度及平均厚度、巷道宽度、隔水层平均抗拉强度参数信息，可计算得出底板隔水层安全水压为60 MPa，两者比较可知奥灰水层对掘进危害性较小[3]。

2.1.3 突水系数Ts

式中：Ts为突水系数[2]，临界值取0.06 MPa/m；P 为底板隔水层水压，MPa；M 为底板隔水层厚度，m。

在研究工作面取7 个钻孔数据分析突水系数，计算结果见表1。

表1 6 号煤层突水系数计算结果Table 1 Calculating results of sudden water coefficient of No.6 coal seam

由表1 可知，突水系数最大为0.068 MPa/m，高于临界值，有发生突水水害的可能性。此外，由于裂隙发育，在裂隙区域，底板隔水层基本失去隔水作用，将会对掘进造成威胁，因此需进行防治水设计。

2.2 注浆加固防治方案设计

带压开采时，在开采工作面前方和构造周围发生突水危害的可能性较大，水害防治的原则是“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”，根据工作面实际结构特征设计“防、探、堵、疏、排、截”的预防治理措施。本文采用注浆加固地板岩层的方法来进行底板突水事故的预防和治理。

2.2.1 注浆孔设计

注浆孔的设计根据煤峪口矿以往注浆经验，以及注浆扩散半径约30 m 设计，为确保阻止侧向来水，注浆孔设计延长至溜子道和材料道两侧各50 m，共设计钻场32 个，开采工作面端头钻场设计8个钻孔，其他均设计为4 个，如图3 所示。

图3 注浆孔布局示意Fig.3 Grouting holes layout presentation

2.2.2 注浆工艺

注浆加固主要是对底板隔水层进行架构巩固，同时增强底板强度，以确保开采过程安全。此次底板突水防治采用的注浆设备为150 型钻机、高压水泵、φ127 mm 和φ75 mm 无芯钻头、以及φ108 mm 套管等。选用的注浆材料为425 号新鲜普通硅酸盐水泥，浆液与水灰比值初始为2∶1，注浆施工过程中，注浆流畅，稍增加浆液浓度，水灰比整体控制在1.8∶1～1.2∶1。注浆压力根据钻孔出水的情况，设计为1.5～2 倍水源压力。注浆岩层为奥灰顶岩层[4]。

3 注浆效果分析

通过对注浆设计后的工作面进行勘察分析，发现底板隔水层有效厚度增加，底板强度大大提高，原有裂隙也被封堵完善，底板抗压能力进一步增强，经计算，底板突水系数不高于0.03 MPa/m，有效解决了工作面开采过程中底板突水水害问题。

4 结论

（1）以煤峪口矿5812 工作面为研究对象，工作面6 号煤层开采持续稳定，煤层厚约5 m，属于厚煤层，开采过程中，顶板、底板存在不同程度的水害隐患。

（2）分析工作面顶板特征，发现顶板富水性弱，发生水害的可能性较低；分析底板结构特征，发现富水性较强，且通过计算底板安全隔水层厚度比值系数、安全水压、突水系数，得到突水系数超过临界值，存在突水危险。

（3）提出利用注浆加固技术防治工作面底板突水危害，通过合理选择注浆设备，合理设计注浆孔、注浆工艺，封堵了原发育裂隙，并有效加强了底板抗突水能力，使突水系数降至0.03 MPa/m，远低于临界值，实现了工作面安全可靠的开采，提高了开采效率，有一定的经济效益和环境效益。