五里堠煤矿奥灰水承压开采安全技术措施应用

张昱昊

（山西潞安集团左权五里堠煤业有限公司，山西晋中032600）

1 概述

山西潞安矿业（集团）有限责任公司全面接管左权县五里堠煤矿，整合后名称核准为山西潞安集团左权五里堠煤业有限公司，整合后井田面积为9.8506km2，生产能力为120×104t/a，服务年限为43a。3#、4#煤层作为上组煤进行开采，15#煤层作为下组煤进行开采。

15#煤位于太原组一段下部，平均厚度为18.35m，下距太原组底界砂岩(K1)0~2.36m，平均0.96m。上距9#煤层35.99~97.12m，平均63.27m。15#煤层的厚度为4.95~6.66m，奥灰含水层顶界面距15#煤层底板距离约26.2~30.98m，煤层底板和奥灰含水层之间的岩层为泥岩、铝质泥岩、细砂岩，正常情况下，仅从岩性看，可以起到隔水作用，但15#煤距离奥灰含水层较近，应引起注意。

2 突水危险性分区及承压开采方案

2.1 突水危险性分区

根据评价区域内钻孔资料计算，15#煤层开采奥灰岩溶水突水系数变化范围为0~0.087MPa/m之间，井田东部地区煤层底板标高高于奥灰水位标高，不承压，其煤层开采不会受到奥灰岩溶水的威胁。由东往西突水系数逐渐增大，根据钻孔ZK3-2资料计算出的突水系数达到了0.087MPa/m，根据计算，15#煤层奥灰水承压开采安全性分区分为三个区：

（1）井田内，15#煤层底板等高线在880m以上的区域为不承压区，承水压力下，底板奥灰突水概率相对较低。

（2）15#煤层底板等高线在880m以下的区域为奥灰水承压开采，承压区奥灰水的突水系数小于0.06MPa/m的区域，属于承压分区中的Ⅱ区，该区不受构造影响的地段为承压开采安全区域，受构造影响的地段存在突水危险性[1]。

（3）Ⅲ区主要是井田西部突水系数大于0.06MPa/m，在DF40、DF14以及DX21、DX24、DX26等较大断层、陷落柱等构造附近区域，突水危险性大。DF40、DF14断层的断距大于20m，破坏了隔水底板的完整性，错断了隔水底板，使局部隔水层相对变薄，导致底板抗压能力降低。DX21、DX27、DX26、DX24、DX12等陷落柱发育面积大，根据地面瞬变电磁探测，这些陷落柱部分富（导）水，形成了导通上部水体和开采空间的天然通道；另外，这些陷落柱的存在使得顶板冒裂带发育高度增加，从而形成可能的导水通道。

2.2 承压开采方案

（1）Ⅰ区内，15#煤层底板等高线在880m以上的区域为不承压区，在该区域的煤层开采，应关注煤层顶板含水层的突水以及3#、4#煤层采空区的突水问题。

（2）在承压开采Ⅱ区，奥灰水的突水系数均在0.06MPa/m与0.1MPa/m之间，在该区域，底板受构造破坏的地段是防治水的重点区域，防治水方案应以充水通道的封堵为主，对断层破碎带或导水陷落柱进行注浆加固，对于较大断层、陷落柱，应留设防水煤柱[2]。

（3）在承压开采Ⅲ区内，奥灰水的突水系数达0.7MPa/m之间，工作面在该区域进行回采时突水危险系数大，在回采过程中若揭露断层、陷落柱等地质构造时必须提前注浆加固并抬高工作面标高，预留隔水煤柱；同时应建立完善的水情实时监测系统，加强奥灰水的监测，完善矿井排水系统，确保煤矿安全开采。

3 承压开采安全技术措施

3.1 地质构造探查及治理

3.1.1 陷落柱、断层富（导）水性的探查

本井田断层、陷落柱富（导）水性的探查的重点是承压区（尤其是15#煤层突水系数T大于0.3MPa/m的区域）的断层、陷落柱以及井田西北部背、向斜区域的富（导）水状况。所以井下决定采用井下物探、钻探手段对回采前方构造的富水性进行超前探测

（1）采掘巷道掘进前，首先采用矿井瞬变电磁法超前探测技术，对掘进头前方进行超前探测，若发现低阻异常区必须及时采用钻探技术手段进行验证，对钻探验证的地质构造必须采用注浆加固技术进行治理；若掘进头前方未发现低阻异常区，则保持30m以上的超前距离正常掘进，目的是为查明巷道施工前方导水构造及富水范围[3]。

（2）在工作面回采前选用坑透方法探测，当物探方法探测结果说明断层、陷落柱具有富水特征时，需要钻探探查验证，若构造存在富水时应及时进行注浆治理；若不富水为了避免采动对构造产生扰动影响发生透水事故，可采用水位法以及埋设传感器方法进行联合监测。

3.1.2 断层、陷落柱的封堵治理

（1）在主要巷道施工过程中通过的构造破碎带或煤岩层破碎带，应采用注浆加固技术手段对承压区顶板进行加固，防止滞后突水事故发生，如图1所示。在大巷掘进及工作面回采阶段，物探或超前钻探如遇较小的导水断层构造可采取封堵导水通道加以治理。

图1 掘进巷道导水构造注浆封堵示意图

（2）注浆后应打检查孔进行注水试验，检查孔分布合理保证能够对所有注浆孔进行检验，注水压力应为承压水压力的1.0~1.5倍，确定注浆有效后方可揭露断层；若发现逐渐失效或不合格时必须重新注浆，在布置新注浆孔时，应尽量利用注浆改造充填导水裂隙是防治底板突水的重要技术手段[4]。

3.2 承压工作面回采防治水技术措施

3.2.1 工作面优化布置

（1）控制工作面斜长：工作面斜长的大小直接影响到煤层底板扰动破坏带的深度。对于当保护层薄强度不够或构造裂隙发育时，可采用大面改小面，根据矿井实际情况，在不影响矿井开采规划的前提下，缩短工作面切巷长度，从而降低工作面突水风险。

（2）调整工作面布置：综采工作面布置时应避开落差在5.0m以上的大断层，以降低因矿压作用引起的回采工作面应力剪切带与断层裂隙扩张带叠加破坏导致突水事故发生。

（3）顶板控制：初采工作面若回采应力小、顶板坚硬顶板难以垮落时，为了减小悬板面积可采用爆破、水压致裂等技术手段进行强制放顶，并根据工作面回采工艺及地质条件制定相应控制措施，并合理控制初次来压步距[5]。

（4）底板预注浆加固：根据水文地质条件明确工作面存在大断层后，在断层前20m处时对顶板施工俯斜探水钻孔，并进行超前注浆加固，提高底板隔水层放水能力，避免底板突水事故发生。

3.2.2 底板注浆加固

由于五里堠井田15#煤层到奥灰的距离较近，为13.05~30.98m，回采工作面投产前必须对物探底板区进行注浆加固改造。

（1）在对底板进行注浆加固前应由地测部门明确底板注浆区低阻异常区、破坏裂隙带、构造裂隙带等分布情况，以及区域突水系数、突水压力等参数；注浆区域应扩大至工作面100~150m范围，注浆后经验收合格后方可回采。

（2）注浆施工时注浆孔应间排距分布均匀，注浆排距控制在10~15m范围内，注浆间距控制在5~10m范围内；注浆加固改造深度必须达到奥灰中，异常区若工作面上、下副巷位置，底板注浆加固区域应延伸至工作面外边缘25m处。

（3）注浆材料选用高强度水泥和水玻璃混合浆液；注浆期间应合理调整注浆液浓度，保证注浆液在裂隙区具有足够的扩散半径；注浆施工过程中应合理控制注浆压力，注浆一段时间后在注浆口卸压，使浆液不流或少流向出水口。

（4）底板注浆加固改造套管下套管时，应缠麻绳、麻片，外敷水泥顶入孔内，待注浆固结后，进行耐压实验，压水不低于实际水压的2倍，并持续20min以上，周围岩层不得有跑浆现象，套管不得松动，否则重新加固套管。

4 结束语

五里堠煤矿为了避免15#煤层奥灰承压水对采掘工作面施工影响，对15#煤层承压突水区域提出合理有效的开采方案，以及防治水技术措施，有效保证了后期采掘工作面安全施工，降低了承压水对采掘工作面施工影响，避免了水害事故发生，取得了显著应用成效。