带压开采条件下立体加固底板防治水研究

[摘 要] 5101工作面为带压开采，且有多个陷落柱穿过工作面，且底板强度低、抗水性较差。针对此地质条件下的带压开采，对工作面的底板突水危险性分析评价引发突水的主要因素，并采用立体加固底板技术综合治理底板突水。经分析，带压开采条件下断层破碎带将各层含水层联系，作为涌水通道沟通了各含水层与工作面。通过采用隔水层注浆加固配合石灰岩含水层顶部岩层注浆改造的防治水方案，成功防止了底板突水，实现安全带压开采。

[关键词]底板；突水；带压开采；断层

中图分类号：TD745 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0032-01

作为我国煤矿的主要灾害，底板突水随开采深度不断增加而变得越来越难以治理[1-2]。矿井涌水来源主要有含水层水、采空区积水、构造水、地表水以及大气降水等。其中，含水层水、采空区积水及构造水是威胁矿井安全的主要水害[3-4]。由于砂岩含水层水水压较小、储水量一般不大，采用规范合理的探放水治理手段能够有效防止突水。但对于石灰岩含水层水，由于石灰岩孔隙发育、富水性强、水压较高，应采用针对性强、综合治理的措施以避免灾害发生，如果治水措施不合理容易引起突水事故。在对采空区积水进行防治时，应全面掌握地质资料、采空区特征及存水状况，通常采用疏放或布置保护煤柱等治理措施。本文对带压开采下的底板突水进行立体加固底板治理，具有一定的工程借鉴意义[5-6]。

1 工程背景

运俗煤业5101工作面为带压开采，主采5#煤层，煤厚约为10m，煤层埋深约为340-370m。整个井田范围内5#煤层几乎都位于奥陶系石灰岩含水层的高水压之上，工作面安全受到底板突水的巨大威胁。5101工作面为5#煤层的首采工作面，根据地质资料，5101工作面范围内存在多条构造带，这些构造可能成为沟通含水层与煤层的涌水通道。

2 工作面突水危险性评价

5101工作面为5#煤层的首采工作面，且带压开采、构造发育，因此必须对其突水危险性进行评价。根据本矿井及相邻矿井资料可知：

（1）砂岩裂隙含水层与石灰岩岩溶水层是太原组的主要含水层，本矿井的主要含水层为砂岩含水层与L1、L2石灰岩含水层。根据以往地质勘探钻孔岩芯分析，L1石灰岩含水层赋存较为稳定，厚度范围为1-6m，平均约2.46m；L1石灰岩含水层裂隙十分发育，且随着深度增加，裂隙与溶孔的发育程度增加，具备富水条件，因此L1石灰岩含水层为5#煤层的主要含水层。

（2）如图1所示，5#煤层底板与L1石灰岩含水层间岩层有泥岩与砂岩等，泥岩厚度约占80%。泥岩抗压、抗拉、抗剪强度均较低，且泥岩遇水崩解强度进一步大大降低，因此煤层底板抗水性较低。根据现场底板施工钻孔，底板内的砂岩较为破碎，受到采动影响更加不能抵抗高水压。总之，煤层底板隔水层强度低、遇水易崩解，不能抵抗底板承压水侵入。

3 带压开采防治水方案

3.1 立体加固底板防治水方案

疏降结合底板加固一般是带压开采常用的防治水措施。但5101工作面的突水系数小于突水临界值，因此疏降措施不列入方案。采用注浆加固底板隔水层，对石灰岩含水层上部岩层进行改造，最大限度隔绝石灰岩岩溶水与煤层底板，保证带压开采正常进行。

该矿的相邻矿井大远煤业的突水系数小于华北煤田临近突水系数0.06MPa/m，突水危险性并不大，但是曾发生两次较大的底板石灰岩岩溶水突水事故，经事故调查，发现事故发生的原因主要是因石灰岩含水层裂隙导高发育。由于导水裂隙发育随机性强、原始裂隙导高难以确定具置，注浆加固底板的效果有限。煤层底板各岩层层间可注性与渗透性较好，注浆扩散半径较大，可利用这一特点，布置倾斜注浆钻孔，尽可能填充层间，并使得浆液扩散更远，增强注浆效果，倾斜注浆钻孔如图2所示。

3.2 钻孔布置

首先采用均匀布孔，然后根据钻探、化探、物探反馈结果，及时调整布孔方案。与此同时，在富水异常地带及钻探盲区，适当增大布孔密度，钻孔平面布置如图3所示。

3.3 钻孔参数

均匀布孔下共布置36个注浆钻孔，孔行距约60m，孔间距约33m。根据物探等探测反馈信息，增加5个注浆孔。注浆之后，基于钻探结果与二次物探反馈，在注浆孔揭露的富水地带增加10个检查孔，在检验注浆效果的同时也承担注浆任务。共布置51个注浆孔，由于钻孔倾斜，孔深最大为200m。

注浆钻孔设置二级套管，一级套管为孔口护壁管，直径146mm，长度不小于2.5m；二级套管为止水套管，直径108mm，长度应根据含水层水压、底板岩性及注浆孔倾角等参数共同确定。套管设置应满足《煤矿防治水规定》要求。

4 工程实践

4.1 隔水层注浆加固

在采动应力影响下，煤层底板扰动、破坏，底板注浆加固深度范围应首选在未遭到破坏的隔水层带。底板加固工程共注入粉煤灰约3500吨，浆料约2000吨，钻孔长度合计约2900m。经对煤层底板隔水层注浆加固，将石灰岩含水层与煤层隔离开来，大范围阻断底板导水通道；与此同时对底板裂隙封堵，为石灰岩含水层顶部改造工程创造有利条件。

4.2 石灰岩含水层顶部改造

由于煤层底板整体抗水性较差，为确保完全防止突水，进行石灰岩含水层顶部注浆改造，利用石灰岩强度较大，将其改造为抵抗下部石灰岩岩溶水的隔水层。经方案论证，L1石灰岩顶部改造厚度为25m，钻孔长度等参数根据具体的地层产状确定。共共注入粉煤灰约2500吨，浆料约1700吨，钻孔长度合计约1250m。

5 结语

（1）5101工作面底板岩性强度低、陷落柱沟通煤层与含水层以及倾斜厚煤层带压开采条件下的矿山压力使得底板突水的危险性增大，采用立体注浆加固底板的综合治理方案。

（2）煤层底板各岩层层间可注性与渗透性较好，注浆扩散半径较大，因此应布置倾斜注浆钻孔，尽可能填充层间，并使得浆液扩散更远，增强注浆效果。

（3）通过隔水层注浆加固配合石灰岩含水层顶部岩层注浆改造，有效防止了带压开采条件下底板突水，保证了工作面带压安全开采。

作者简介：齐亮（1982-），男，助理工程师，现在济源煤业有限公司从事技术管理工作。