干河煤矿2-301工作面底板突水机理及治理技术研究.pdf

第46 卷第9期2023年9月地测与水害防治干河煤矿2-3 0 1工作面底板突水机理及治理技术研究煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.9Sep.2023宋团（山西焦煤霍州煤电干河煤矿，山西临汾0 416 0 2）摘要：以干河煤矿2-3 0 1工作面底板突水事件为研究对象，通过理论分析计算、现场实测、效果验证等研究手段，对突水水源、涌水通道、治理模式进行研究。结果表明，干河煤矿2号煤层开采主要受底板奥灰含水层威胁，2-3 0 1工作面底板突水水源为奥灰水，涌水通道为隐伏陷落柱导水，采用盖冒堵源相结合的治理方案，盖帽区域充填系数达到8 5%以上，奥灰水被有效封堵，取得较好的经济和社会效益，为类似矿井提供参考经验。关键词：奥灰水；突水系数；陷落柱；盖帽堵源中图分类号：TD74文献标识码：B文章编号：2 0 9 5-59 7 9（2 0 2 3）0 9-0 0 7 2-0 4Study on the mechanism and control technology of floor wateroutburst in No.2-301 Face of Ganhe MineSong Tuan(Ganhe Mine,Shanxi Coking Coal Huozhou Coal and Electricity,Linfen 041602,China)Abstract:Taking the floor water outburst event of No.2-301 Face in Ganhe Mine as the research object,throughtheoretical analysis and calculation,field measurement,effect verification and other research methods,the water outburstsource,water outburst channel and control mode were studied.The results showed that the mining of No.2 coal seam inGanhe Mine was mainly threatened by the Ordovician limestone aquifer in the floor.The source of water outburst from thefloor of the 2-301 working face was Ordovician limestone water,and the water outburst channel was the water conduction ofthe hidden collapse column.The control scheme of combining the cover and the blocking source was adopted.The fllingcoefficient of the cap area reached more than 85%,and the Ordovician limestone water was effectively blocked.Goodeconomic and social benefits had been achieved,which provided reference experience for similar mines.Key words:Ordovician limestone water;water outburst coefficient;collapse column;cap plugging source4445号液压支架处底板开始渗水，水量开始逐1概况渐增大，人员有序撤离后，突水淹没工作面、回山西焦煤霍州煤电干河煤矿2-3 0 1综采工作采巷道，涌水量最快达到50 0 m/h。为快速有效面表位于工业广场西北部，工作面整体为走向的消突突水，恢复矿井的生产，对底板突水快速S63W，倾向SE的背斜构造，煤层倾角1治理技术展开研究。6，平均3.5。该工作面主采2 号煤层。2 号2突水水源分析煤层位于二叠系下统山西组（Plsh）下部，煤层厚度2.0 2.4m，2 号煤层光泽较暗，主要由暗煤和亮煤组成，属半亮型煤。2-3 0 1工作面两巷沿煤层走向布置，工作面沿煤层倾向布置。2 0 2 1年9月10 日2-3 0 1工作面回采约2 90 m时，工作面2.1工作面水文地质情况2-301工作面顶板主要含水层为下石盒子组(K8、K 9）砂岩裂隙含水层，层位较稳定，岩性为灰白色，长石石英细粒砂岩，含水层位于1、2 号责任编辑：张彤D0I:10.19286/ki.cci.2023.09.018作者简介：宋团（198 7 一），男，山西晋城人，工程师。引用格式：宋团.干河煤矿2-3 0 1工作面底板突水机理及治理技术研究J.煤炭与化工，2 0 2 3，46（9）：7 2 7 5.72测到奥灰水位快速下降，整个突水期间水位累计降低115.0 0 m，据以往统计结果，奥灰水水文每年的宋团：干河煤矿2-3 0 1工作面底板突水机理及治理技术研究煤层以上，Kg砂岩厚1.2 913.0 3 m，平均厚7.16m，K,砂岩位于K。砂岩层以上2 2.9m左右，水文地质特征与K。砂岩相似，为弱富水性的裂隙含水层，对采掘影响较小。工作面下部为太原组石灰岩(Kr、K 2）和奥陶系峰峰组石灰岩（O2）溶隙含水层，Ki、K,岩性为深灰色，中厚层状，局部为泥灰岩，裂隙不发育，中部发育少量裂隙，大部分由泥质、方解石充填。含水层位于1、2 号煤层以下，K1、K,石灰岩含水层是一个富水性很不均、裂隙不发育，局部区域径流条件较好的弱富水岩溶裂隙含水层，K石灰岩厚10 2 6 m，平均厚15m，K 石灰岩厚12 3 5.3 4m，平均厚10 m。0 z 岩性为峰峰组上段平均厚度为54.8 2 m，为灰色，局部含水性较好，岩溶裂隙发育。工作面为带压开采，K灰岩和0 2 灰岩水可通过断裂构造、陷落柱等导水通道导通，造成突水事故，威胁工作面安全生产。干河煤矿2 号煤层主要含水层分布如图1所示。间距含水层分布w00S001ustsut4u66计算干河煤矿2 号煤层突水系数：T=PIM式中：T为突水系数，MPa/m；P为底板隔水层承受的实际水头值，MPa（水位标高K采用50 0m，水位标高0 z采用517 m）；M为底板隔水层厚度,m。2-301工作面2 号煤层底板标高为+141一+157m，根据工作面周边114、B3-2、B3-1钻孔柱状图计算得出，2 号煤至石炭系上统太原组K1的隔水层平均厚度为46 m，水位标高K,为50 0 m，计算得出石炭系上统太原组K1带压3.43 3.592023年第9期MPa，K i 突水系数为0.0 7 5 0.0 7 8 MPa/m，小于0.010MPa/m，大于0.0 6 MPa/m；2 号煤至奥陶系中统峰峰组0 2 的隔水层平均厚度为7 2 m，水位标高02为517 m，计算得出奥陶系中统峰峰组0,带压3.63.76MPa。0 2 突水系数为0.0 50 0.0 52 MPa/m,小于0.0 6 MPa/m。综上可知，2 号煤层处于相对安全区，正常块段不会发生底板突水事故，但遇导水构造可能有突水威胁。2.2突水水源及通道分析根据突水的水质、水位、水温等多方面综合分析判断突水水源。测量突水点附近的水温，突水水温稳定在3 8 3 9.5，不符合顶板砂岩水的温度，应为深部岩层水，确定突水水源来源于煤层底板以下。突水点附近水质较浑浊，且多呈现乳白色，水中同时夹杂着泥岩风化物，通过对水质化验表明，水体矿化度达到5.0 g/l，远高于顶板砂岩含水层矿化度1.3 g/l及太灰水矿化度2.9g/l，由此可判断，突水水源为奥灰水。突水事件发生后，地面钻孔观名称厚度/m第四系3.877.57砂砾石含水层15二叠系7.26105.13砂岩裂隙含水层47.101.1425.862号煤层7.16太原组上段灰岩12.0035.34含水层（K）10.00太原组下段灰岩10.0026.00含水层（K）15.003号煤层02.721.08奥陶系灰岩40.6460.85含水层（0）54.82图1主要含水层分布示意图Fig.1 Distribution of main aquifer平均降深仅为2.5m，由此可确定突水水源为奥灰水。奥灰水隔水层厚度较大，根据上文计算，其突水系数小于0.0 6 MPa/m，正常情况下突水危险性很小。2-3 0 1工作面在采掘过程中，2-3 0 1皮带顺槽掘进2 6 0 m揭露断层F130H=2mZ60，该断层为正断层，走向 N25E，倾向 NW，预计影响范围15m。掘进590 m揭露断层F13-8=2.5m/60，该断层为正断层，走向S89W，倾向SE，影响范围15m。掘进7 90 m揭露断层F133H=6m/60，该断层为正断层，走向S75W，倾向SE，预计影响范围3 0 m。距离突水点最近的断层构造为F13-8，但该断层不导水，落差小，断层沟通下部奥灰含水层的可能性较小。三维地震探测结果表明，2-3 0 1工作面底板岩层内未检测出陷落柱结构。根据上述分析和2-3 0 1工作面水文地质资料，(1)现已查明的地质构造导致突水的可能性很小。因此，在已明确突水水源为奥灰含水层的情况，判定突水点附近存在隐伏性导水地质构造，大概率为隐伏陷落柱导水。39突水快速治理研究3.1钻孔布设与目的2-301工作面底板突水事故发生2 0 d后，随着矿井巷碉内水位与奥灰水位落差的减小，涌水流量减小，经统计计算预测突水点涌水量稳定在2 0 0732023年第9 期m/h左右，出水点巷道远端流速约为0.0 0 5m/s。根据经验，水流速度小于0.15m/s时对于粒径小于0.1m的砂石搬运能力很小，符合开展注浆工作的条件。2-301工作面底板出水点属于大型出水点，参考类似背景下成功治理的案例，可采用“围点打源”的治理方式。“围点”是指通过注人大颗粒骨料配合速凝材料，将突水封堵在工作面，避免事故的进一步扩大，为直接封堵涌水通道提供条件；“打源”就是通过注浆对突水点进行盖帽，封堵涌水通道。导水通道具体是陷落柱还是导水构造需要在围点期间验证。2-301工作面共布置4个地面注浆钻孔，XY-3、X Y-4钻孔为盖帽钻孔，主要作用是在突水点附近采空区注入石子、水泥等封堵出水点；XY-1、X Y-2 钻孔作为注浆孔，钻进施工期间寻找涌水通道，当出现钻井液漏失量大于10 m/h时，停止钻进，开始注浆。XY-1、X Y-2 钻孔靶点位置位于出水点下方2 5m，终孔位置为煤层底板下方100m。钻孔布置如图2 所示。2021出水点图2 地面钻孔布置平面图Fig.2 Ground borehole layout plane3.2钻孔结构及注浆工艺根据注浆孔布置方案设计2 类钻孔结构。2 类钻孔均采用3 种直径的钻头进行钻进，盖帽钻孔(XY-3、X Y-4）一开钻头直径3 11.1mm，钻进深度48 0 m，表层套管直径2 44.5mm，二开钻头直径215.9mm，靶向层位为2 号煤层顶板上10 m，技术套管直径17 7.8 mm，三开钻头直径152.4mm，靶向层位为2-3 0 1工作面采空区，不放置套管裸孔布置；注浆孔（XY-1、X Y-2）二开段靶向层位为2号煤层底板下15m，三开段裸孔终孔层位为2 号煤层底板下10 0 m。2 类钻孔的结构如图3 所示。XY-3、X Y-4注浆材料为石子、细砂、水泥及水，第一次盖帽注浆不做压力要求，多处盖帽注浆后，当漏失量明显减小后，注浆压力可由起压逐渐提高至2 MPa，停止注浆。XY-1、X Y 2 钻74煤炭与化工孔注浆材料主要为单液水泥浆，采用下行方式注浆，水灰比根据实际涌失量在2：10.7：1范围内调整，注浆压力设计为水压的1.5倍，注浆终止压力为5.0 7.1MPa，逢漏（漏失量大于10m/h）注浆封堵，注浆达到终止条件后，凝固2 4h继续钻进注浆。H311.15 mm 井径480mm244.5mm#径水泥固井造斜点215.9mm#径煤层顶板以上10 m177.8mm#径永泥固卅152.4mm井径透巷道、采空区(a)盖帽孔图3 钻孔结构示意图Fig.3 Borehole structure4突水通道的封堵效果及堵水效果评价4.1盖帽及涌水通道封堵效果评价XY-1XY-4号孔在2 号煤层底板下2 0 m(孔深-550 m）之前共注浆7 98 6.5t，90%以上的浆液注入2-3 0 1工作面采空区及周边巷道，2-3 0 1301:0正作面工作面已采空区域平面面积为6 9 48 m，工作面回采高度取2.4m，采空区空隙计算系数取0.5，采空区垮落后可充填空隙体积为8 3 3 7.6 m，两侧回采巷道充填长度按10 0 m计算，充填体积为2 8 0 0mm，则盖帽充填空间为1113 7.6 m，每吨水泥制浆量约为1.3 5m，盖帽注浆体积为10 7 8 1.8 m，假设90%的浆液充填在采空区及巷道，则采空区充填系数为8 7.12%，盖帽注浆充填系数大于8 5%，注浆充填效果良好。XY-1、X Y-2 号钻孔在下方涌水通道内总注浆体积2 58 45.3 m，形成了直径约30m、高度约90 m的封堵柱，终孔及注浆终压标准均通过验收，封堵效果良好。盖帽区域及导水通道封堵情况如图4所示。4.2治理效果评价对干河煤矿2-3 0 1工作面底板涌水点注浆堵水后，根据监测结果绘制处奥灰水及副斜井内水位变化曲线，如图5所示。堵水钻孔施工之前，奥灰水位持续下降，副斜井内水位持续上升，副斜井水位接近奥灰水水位。堵水钻孔施工完成后，奥灰水水位开始逐渐稳步上升，副斜井内开始抽水，水位开第46 卷311.15 mm 井径480mm244.5mm#径永泥固井增斜点215.9mm井律煤层底板下15m17.8 mm 并轻永泥固井152.4mm井径煤层底板下10 0 m(b)注浆孔宋团：干河煤矿2-3 0 1工作面底板突水机理及治理技术研究始迅速下降，说明奥灰含水层和井下空间的导水通2023年第9期道已基本封堵完毕。XY-4XY-3XY-2奥灰水长观孔水位注浆堵永完工副斜井水位图5奥灰长观孔和副井水位变化趋势示意图Fig.5 Water level change trend of Ordovician limestone longobservation hole and auxiliary well5结语通过对干河煤矿2 号煤层水位地质条件分析，2号煤层开采主要受奥灰含水层影响，根据2-3 0 1工作面底板突水的水质、水温等特征，确定突水水源为奥灰含水层，导水通道为隐伏断层或陷落柱，提出盖堵结合的治理方案，并设计具体的钻孔布2-301轨顺500m2-301皮顺1#注浆孔550m重点吸浆区域-600 m煤层底板下1 00m陷落柱形态概略-650m出水点(a)平面图-500m准注浆孔太灰-550m封堵柱-600 m0m50m-650m（b）X Y-1、X Y-2 号钻孔剖面图图4钻孔轨迹示意图Fig.4 Borehole trajectory010 d0100m置、钻孔结构、注浆方式等。治理结束后，通过分析计算及现场监测表明，采空区及回采巷道内盖帽区域充填系数大于8 5%，奥灰水水位快速上升恢复，奥灰水涌水通道被有效封堵。干河煤矿此次奥灰突水快速治理工程具有用时短、封堵效果好等特点，具有良好的经济社会效益，为类似矿井水害防治提供技术借鉴。参考文献：1 霍槟槟，刘俊生，冯冲.注浆工作面底板突水危险性分析与评价J1.山东煤炭科技，2 0 2 2，40（6）：18 4186,189.2边凯，李思宇，刘博，等.承压水上含断层煤层开采底板突水规律研究J.煤矿安全，2 0 2 2，53（6）：16 9-17 7。3 徐念庭.带压开采煤层底板突水性分析与突水防治措施研究J.西部探矿工程，2 0 2 2，3 4（6）：17 4-17 6.4张世威，王文，杜伟升.带压开采底板突水预测研究J.煤炭工程，2 0 2 1，53（5）：12 5-13 0.(上接第7 1 页）6 赵建峰.18 50 2 工作面断层构造区域底板突水机理与注浆防参考文献：治技术应用J.煤炭与化工，2 0 2 2，45（7）：3 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