底板高承压水上开采防突水技术的实践应用

祁新波++李新芳++毛维林

摘 要：超化煤矿随着开采性深部延伸，底板水压增大，底板水害威胁已成为影响安全开采的主要因素。通过底板注浆加固，将灰岩含水层改造成为隔水层，并通过加固前后的物探对比，检验孔验证，确保注浆改造效果，有效的解除工作面底板水害威胁，为工作面安全回采保证。

关键词：煤层底板 灰岩含水层 直流电法物探

中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（b）-0073-02

郑煤集团超化煤矿主采为二叠系山西组二1煤，矿井采用单水平上、下山开采，上山煤炭资源已基本采尽，现主采工作面转至下山及井田边缘水文地质条件复杂区域开采，水害威胁已成为影响开采的主要因素。随着矿井开采向深部延伸，开采标高降至-200～-497 m，带压最大达5.71 MPa，均为高承压水上采煤。高承压水上开采时防底板突水已成为威胁超化煤矿安全生产、制约矿井稳定发展的重要因素。

1 31001工作面情况

1.1 工作面概况

31001工作面位于31采区，地面标高为+189.9～+226.5 m，工作面标高为-330～-167 m，设计可采走向长度780 m，切巷长145 m。本工作面煤层结构简单，煤层走向50°～110°，倾向140°～200°，煤层倾角11～38°，平均倾角为18°；煤厚0.3～16 m，平均煤厚7.0m。

1.2 工作面底板主要含水层情况

该工作面底板岩溶水含水层赋水性强，水量补给丰富，是威胁矿井安全生产的主要含水层。上部L7-8灰岩，厚度10 m左右，上距二1煤12 m左右，是本区煤层底板直接充水含水层，该含水层赋水性不均一，局部裂隙较发育区域，赋水性较强；中部L5-6灰岩，厚约18 m，上距二1煤33.5 m左右，该层灰岩赋水中等；下部L1-4灰岩，厚度17 m左右，上距二1煤约55.5 m左右，该层灰岩赋水性强，多数钻孔出现明显消耗和严重漏水现象；奥陶、寒武系灰岩含水层，厚度大于300 m，上距二1煤77 m左右，在水力联系上通常连为一体，是本区的主要含水层，岩溶裂隙普遍发育，含水丰富，通过构造或其它导水通道，补给上部含水层，是矿井间接充水含水层。

2 回采前期的底板水防治

2.1 突水性分析

（1）用突水系数法进行分析：由于本面底板直接充水含水层L7-8灰，L7-8灰水压较小，涌水量不大，对工作面的回采不会造成大的威胁。距二1煤层底板最近的强含水层为L1-4灰，故针对L1-4灰的突水性危险性进行评价。

根据突水系数公式T=进行计算。

式中：T为突水系数（MPa/m）；P为底板隔水层承受的水头压力（MPa），取O2灰含水层观测孔平均水头高度+75 m的绝对值+本面最低标高-330 m的绝对值+底板隔水层厚度55.5 m=460.5 m水柱=4.605 MPa；M为底板隔水层厚度（m），取二1煤底到L1-4灰顶的距离55.5 m；

经计算，T=0.083 MPa/m。

本面地质构造复杂，采煤工作面构造复杂区段的临界突水系数取0.06 MPa/m，由此可得，故本面的突水系数0.083 MPa/m>0.06 MPa/m，说明本面底板L1-4灰含水层具有突水危险性。

2.2 防治底板水的方案确定

根据对31001工作面底板L1-4灰含水层的突水性分析，结合物探资料，提出了针对底板含水层进行注浆改造的方案。在理论上，对底板L1-4灰含水层进行底板注浆改造以后，底板L1-4灰含水层将成为隔水层，不再具有突水性。

底板注浆加固进行底板注浆改造含水层，是区域性治理高承压水突水的一项有效措施。其关键是在工作面回采前向回采工作面的下部承压含水层裂隙、构造等导水通道施工一定数量的注浆改造钻孔，用高压泥浆泵向其注入水泥浆或水泥粘土（黄土）混合浆液，让浆液充填承压含水层和底板隔水层中的裂隙和溶洞，将煤层底板的隔水层和含水层粘结成一体，增强煤层底板的隔水能力，最终达到将工作面下部承压含水层的水阻隔在工作面之外的目的。

2.2.1 钻场及钻孔布置

钻孔设计原则：（1）终孔层位进入L1-4灰岩含水层底部；（2）钻孔全部设计为斜孔，使钻孔揭露的含水层和隔水层尽量延长；（3）钻孔方向尽量和断裂构造的发育方向斜交，尽可能的多揭露裂隙；（4）对裂隙发育地段、有断层地段、褶曲构造的轴部重点布孔；（5）注浆改造范围达到工作面以外25 m；（6）注浆钻孔分别布设在上、下付巷，每隔60m施工一个钻场，每个钻场设计6～9个钻孔，成扇形布置，终孔平距间隔一般在30 m左右，在钻场内以不同的方位和倾角分别向工作面上、中、下部位施工钻孔，共设计27个钻场，上付巷13个钻场，下付巷14个钻场。

2.2.2 施工技术要求

（1）设备选型：钻探采用ZY-300型钻机，钻杆每根长0.76 m。注浆设备采用地面注浆站注浆。

（2）注浆材料及配比：根据相关资料及自身的注浆经验，在裂隙含水层采用普通水泥或水泥、黄土混合浆堵水效果就很明显，基本上能够封堵含水层的过水通道，本次注浆材料采用525#普通硅酸盐水泥浆或黄泥浆，泥浆比重控制在1.2～1.3之间。

（3）钻孔结构：开孔Φ160 mm，下入一级Φ146 mm孔口管6m（进入煤层底板2～3m）；向下孔径Φ130 mm，下入二级Φ114 mm套管（进入L8灰岩1～2m），再向下使用Φ94 mm钻头钻进至L6灰1～2m，下入三级Φ89 mm套管，终孔Φ65 mm裸孔。孔口管固定后均要进行耐压试验，其中一级、二级耐压值不小于3.9 MPa，三级耐压值不小于8.5 MPa，并持续20 min以上，否则，重新加固孔口管。

（4）注浆方法：注浆方法采用下行式注浆法，钻一段孔，注一段浆，交替往下进行直至设计层位。在钻进过程中，逢漏即注，见水即注。endprint

（5）注浆系统要求：孔口阀门要上紧，整个注浆管道应固定牢固；停泵时关闭孔口阀并压注清水冲洗管路，以防注浆管路堵塞；注浆站各项仪表、设备运行正常，井下压力表显示正常，管路、阀门均达到耐压要求。

（6）注浆钻孔注浆结束标准：孔口压力达到6.5～8.5 Mpa，且吸浆量也应小于40 L/min，闭浆稳定时间30 min以上。

（7）排水：根据单孔涌水量公式计算，按孔径Φ75 mm，出水水源为L1-4灰岩水，预计单孔最大涌水量254 m3/h，利用巷道内铺设的300×350 mm铁水槽靠水自流即可满足排水要求。

2.3 防治底板水工程施工概况及效果检验

31001工作面底板注浆改造工程历时两年零一个月，对整个工作面底板灰岩含水层进行了钻探验证及预注浆改造。共施工183个钻孔，总工程量18955 m，累计注水泥浆8389 t，注黄土1245 t。

31001工作面底板注浆改造含水层工程完工后，以二次施工直流电法物来检验注浆改造的效果。注浆改造前后物探资料对比显示工作面西部区域视电阻率整体上较原来增了30～40 Ω·m；工作面内部施工了三个检验孔，单孔涌水量2～5 m3/h，说明注浆达到了预期的效果，基本将含水层改造成为了隔水层。

底板注浆改造后，工作面从开始回采到回采结束，底板总涌水量在35 m3/h以下，对安全生产的影响不大，没有出现断层水。

3 效益分析

效益主要表现在两个方面：

（1）通过对底板水防治，具有较高的经济效益。单从底板水方面来说，工作面回采时预计正常涌水量208 m3/h，最大涌水量270 m3/h。回采结束后涌水量控制在35 m3/h以下。根据现有统计资料，扬程100 m，每排1 m3的水需消耗电能0.6 kW。结合超化矿实际情况工作面涌水从31水仓至地面距离685 m，每排1 m3的水需消耗电能 4.11 kW，每1 kW·h的电费按0.65元计算，仅电费一项至少每年节约排水电费：（208-35）×24×365×4.11×0.65=480万元。而工作面底板注浆改造直接投入为：水泥8389吨×288.9元/吨=242.4万元，套管145.15吨×7864.5元/吨=114.2万元，其它费用约60万元，总费用约416.6万元。投入的费用只需10个半月便可节约回来，长期经济效益十分可观。

（2）通过采取底板水防治措施来解放高承压含水层区域的煤炭资源，确保超化矿正常的采掘接替和稳产高产，具有良好的社会效益。

4 结语

通过对复杂的水文地质条件分析与研究，采用物探、钻探、注浆改造含水层多项并举，是预防顶板突水、底板突水造成事故的有效途径之一，并能够降低生产成本，减少矿井涌水量，提高了矿井排水系统的抗灾能力，具有明显的的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 武强.矿井水害防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007.

[2] 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定[M].北京：煤炭工业出版社，2009.endprint

（5）注浆系统要求：孔口阀门要上紧，整个注浆管道应固定牢固；停泵时关闭孔口阀并压注清水冲洗管路，以防注浆管路堵塞；注浆站各项仪表、设备运行正常，井下压力表显示正常，管路、阀门均达到耐压要求。

（6）注浆钻孔注浆结束标准：孔口压力达到6.5～8.5 Mpa，且吸浆量也应小于40 L/min，闭浆稳定时间30 min以上。

（7）排水：根据单孔涌水量公式计算，按孔径Φ75 mm，出水水源为L1-4灰岩水，预计单孔最大涌水量254 m3/h，利用巷道内铺设的300×350 mm铁水槽靠水自流即可满足排水要求。

2.3 防治底板水工程施工概况及效果检验

31001工作面底板注浆改造工程历时两年零一个月，对整个工作面底板灰岩含水层进行了钻探验证及预注浆改造。共施工183个钻孔，总工程量18955 m，累计注水泥浆8389 t，注黄土1245 t。

31001工作面底板注浆改造含水层工程完工后，以二次施工直流电法物来检验注浆改造的效果。注浆改造前后物探资料对比显示工作面西部区域视电阻率整体上较原来增了30～40 Ω·m；工作面内部施工了三个检验孔，单孔涌水量2～5 m3/h，说明注浆达到了预期的效果，基本将含水层改造成为了隔水层。

底板注浆改造后，工作面从开始回采到回采结束，底板总涌水量在35 m3/h以下，对安全生产的影响不大，没有出现断层水。

3 效益分析

效益主要表现在两个方面：

（1）通过对底板水防治，具有较高的经济效益。单从底板水方面来说，工作面回采时预计正常涌水量208 m3/h，最大涌水量270 m3/h。回采结束后涌水量控制在35 m3/h以下。根据现有统计资料，扬程100 m，每排1 m3的水需消耗电能0.6 kW。结合超化矿实际情况工作面涌水从31水仓至地面距离685 m，每排1 m3的水需消耗电能 4.11 kW，每1 kW·h的电费按0.65元计算，仅电费一项至少每年节约排水电费：（208-35）×24×365×4.11×0.65=480万元。而工作面底板注浆改造直接投入为：水泥8389吨×288.9元/吨=242.4万元，套管145.15吨×7864.5元/吨=114.2万元，其它费用约60万元，总费用约416.6万元。投入的费用只需10个半月便可节约回来，长期经济效益十分可观。

（2）通过采取底板水防治措施来解放高承压含水层区域的煤炭资源，确保超化矿正常的采掘接替和稳产高产，具有良好的社会效益。

4 结语

通过对复杂的水文地质条件分析与研究，采用物探、钻探、注浆改造含水层多项并举，是预防顶板突水、底板突水造成事故的有效途径之一，并能够降低生产成本，减少矿井涌水量，提高了矿井排水系统的抗灾能力，具有明显的的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 武强.矿井水害防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007.

[2] 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定[M].北京：煤炭工业出版社，2009.endprint

（5）注浆系统要求：孔口阀门要上紧，整个注浆管道应固定牢固；停泵时关闭孔口阀并压注清水冲洗管路，以防注浆管路堵塞；注浆站各项仪表、设备运行正常，井下压力表显示正常，管路、阀门均达到耐压要求。

（6）注浆钻孔注浆结束标准：孔口压力达到6.5～8.5 Mpa，且吸浆量也应小于40 L/min，闭浆稳定时间30 min以上。

（7）排水：根据单孔涌水量公式计算，按孔径Φ75 mm，出水水源为L1-4灰岩水，预计单孔最大涌水量254 m3/h，利用巷道内铺设的300×350 mm铁水槽靠水自流即可满足排水要求。

2.3 防治底板水工程施工概况及效果检验

31001工作面底板注浆改造工程历时两年零一个月，对整个工作面底板灰岩含水层进行了钻探验证及预注浆改造。共施工183个钻孔，总工程量18955 m，累计注水泥浆8389 t，注黄土1245 t。

31001工作面底板注浆改造含水层工程完工后，以二次施工直流电法物来检验注浆改造的效果。注浆改造前后物探资料对比显示工作面西部区域视电阻率整体上较原来增了30～40 Ω·m；工作面内部施工了三个检验孔，单孔涌水量2～5 m3/h，说明注浆达到了预期的效果，基本将含水层改造成为了隔水层。

底板注浆改造后，工作面从开始回采到回采结束，底板总涌水量在35 m3/h以下，对安全生产的影响不大，没有出现断层水。

3 效益分析

效益主要表现在两个方面：

（1）通过对底板水防治，具有较高的经济效益。单从底板水方面来说，工作面回采时预计正常涌水量208 m3/h，最大涌水量270 m3/h。回采结束后涌水量控制在35 m3/h以下。根据现有统计资料，扬程100 m，每排1 m3的水需消耗电能0.6 kW。结合超化矿实际情况工作面涌水从31水仓至地面距离685 m，每排1 m3的水需消耗电能 4.11 kW，每1 kW·h的电费按0.65元计算，仅电费一项至少每年节约排水电费：（208-35）×24×365×4.11×0.65=480万元。而工作面底板注浆改造直接投入为：水泥8389吨×288.9元/吨=242.4万元，套管145.15吨×7864.5元/吨=114.2万元，其它费用约60万元，总费用约416.6万元。投入的费用只需10个半月便可节约回来，长期经济效益十分可观。

（2）通过采取底板水防治措施来解放高承压含水层区域的煤炭资源，确保超化矿正常的采掘接替和稳产高产，具有良好的社会效益。

4 结语

通过对复杂的水文地质条件分析与研究，采用物探、钻探、注浆改造含水层多项并举，是预防顶板突水、底板突水造成事故的有效途径之一，并能够降低生产成本，减少矿井涌水量，提高了矿井排水系统的抗灾能力，具有明显的的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 武强.矿井水害防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007.

[2] 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿防治水规定[M].北京：煤炭工业出版社，2009.endprint