分区治理技术在陈四楼煤矿水害治理过程中的应用

王浩民

（河南能源化工集团永煤公司陈四楼煤矿，河南 永城 476600）

陈四楼煤矿水文地质类型中等，但矿井山西组二2 煤层开采期间受底板太原组上段灰岩（L8～L11）承压水影响严重，自1997 年投产以来发生多次底板灰岩突水。

1 概况

陈四楼煤矿位于永夏煤田隐伏永城复背斜的西翼，井田整体为一走向北北西的单斜构造，褶曲、断层、小的波状起伏及岩浆活动均较发育，近东西向构造以断层为主，近南北向构造以褶曲为主。

矿井现主采山西组二2 煤层，平均厚度2.45 m，开采期间主要受底板太原组上段灰岩承压水影响。二2 煤层距太原组上段灰岩平均距离为51 m，太原组上段含灰岩4 层，自上而下分别为L11 灰岩、L10 灰岩、L9 灰岩和L8 灰岩，均厚分别为1.95 m、4.99 m、5.37 m 和12.76 m。采掘活动过程中，太原组上段灰岩水可沿断层、裂隙等进入二2 煤层，对采掘活动造成影响，如图1。

图1 太原组上段灰岩含水层向二2 煤层充水示意图

2 矿井水害治理存在问题

矿井太原组上段灰岩水害治理主要采取底板注浆改造的方法，水害治理手段单一。从矿井回采工作面回采情况分析，北翼工作面底板注浆改造钻孔施工过多，造成工程浪费；南翼水害治理效果难以保证，底板注浆改造以后工作面回采期间仍多受太原组上段灰岩水影响。

3 区域划分

通过对陈四楼煤矿近十几年22 个工作面近3000 个底板注浆改造钻孔揭露太原组上段灰岩情况进行分析，依据岩溶揭露规律、水动力场和水化学特征等的不同，对陈四楼井田太原组上段岩溶系统进行划分。

3.1 岩溶揭露规律

（1）南翼以L10 和L8 灰涌水为主，L10 比L8略多，二者占总涌水量80%～90%，L11 涌水量仅占总涌水量10%～20%；北翼各层灰岩涌水量比例变化较大，总体仍以L10 灰涌水为主，L10 灰岩溶最发育。

（2）南翼以L10 单位面积岩溶富水深度最大，约是L11 灰和L8 灰2 倍和1.2 倍；北翼L10 单位面积岩溶富水深度约是L11 灰的4 倍。L11～L8 的岩溶发育规律是弱～强～中。

（3）南翼由L11 至L8 出水概率依次增大，L10 和L8 灰出水概率是L11 约2 倍；北翼L11 出水概率进一步减小，L10 出水概率约是L11 的3 倍。

（4）南翼岩溶初始揭露强度由大到小依次为L10、L11 和L8，L11 以局部较强的富水岩溶为显著特征，L8 以相对均匀和弱富水的岩溶为特征；北翼L11 和L10 岩溶初始揭露强度差异较小，说明北翼L11 灰也是以局部较强的富水岩溶为特征。

3.2 水动力场特征

南翼太原组上段岩溶水动力场特征如下：（1）L11、L10 和L8 岩溶水动力场特征相似，从陈四楼向斜向外围向斜核部汇集，南翼存在F38～F39 和Fd1～Fs1 两个重要指向陈四楼向斜核部的补给和径流通道。（2）采矿活动不断向陈四楼向斜核部推进是太原组上段岩溶水向陈四楼向斜核部汇集的重要原因。

北翼太原组岩溶水动力场特征如下：（1）位于井田F18 正断层以北的区域，属于典型的太原组无水～弱富水区；（2）观2 孔为位于北翼F18 和F13 断层之间地堑块段的太原组上段水位观测孔，其所代表的F18～F13 之间地堑区太原组水位呈“孤高”状态，比地堑外两下盘水位高近110 m，对井田内几次大型突水亦“不敏感”，证明“地堑”区水文地质单元相对独立。

3.3 水化学特征

南翼与北翼岩溶水主要区别是：（1）南翼岩溶水SO42-浓度略小，南翼1600～1800 mg/L，北翼2100～2200 mg/L。（2）南翼Ca2+浓度略小，南翼420～450 mg/L（甚至更低），北翼580～630 mg/L。（3）南翼矿化度略小，南翼2900～3500 mg/L，北翼3800～3900 mg/L。（4）南翼水质类型处于由SO4-Na 向SO4-Ca·Na 转 变 过 程，而 北 翼 主 要 为SO4-Ca·Na 型。（5）部分南翼岩溶水CO32-出现和游离CO2消失且氧化还原电位更低，揭示愈向陈四楼向斜部核部，岩溶水碱性、还原环境愈强。北翼F18～F13 地堑区岩溶水文地质单元相对独立。

依据以上分析，可将陈四楼井田太原组上段岩溶系统分为南翼子系统、北翼地堑子系统和北翼北子系统。南翼子系统与北翼地堑子系统边界为F13～F13-1 正断层，北翼北子系统与北部地堑子系统边界为F18 正断层，如图2。

图2 陈四楼井田太原组上段岩溶系统分区图

4 分区治理技术的应用

4.1 南翼子系统

矿井南翼水文地质条件较为复杂，太原组上段灰岩水压高、补给丰富，钻孔出水量大、单孔注浆量大，且该区域太灰水可疏放性较差，主要采取以下水害治理措施：

（1）底板注浆改造为主

底板注浆改造钻孔设计终孔层位为L8灰底部，注浆终压为13 MPa，钻孔终孔深度原则上不超过150 m，间距按30 m 布置，异常区域进一步加密。

工作面底板注浆改造过程中，坚持“三不放过”原则，即不放过出水量大区域、不放过注浆异常区域、不放过物探异常区域，通过对异常区域不断进行补孔验证，彻底消除水害影响。

（2）钻探物探相互验证

采用瞬变电磁和高密度电法两种物探方法，对太原组上段灰岩（L8～L11）含水层富水异常区进行探测，经钻探验证后再次进行物探，按照“物探-钻探-物探”的原则，确保无异常区存在。

（3）放水掩护工作面回采

矿井南翼太原组上段灰岩富水性强，且补给丰富，疏水降压效果不明显，但是工作面回采期间通过在工作面附近施工放水孔，作为卸压点掩护工作面回采，对保证工作面安全回采也起到了积极作用。

4.2 北翼地堑子系统

矿井北翼F18 与F13 正断层之间为一地堑构造，该区域为一相对独立的水文地质单元。虽然该区域太原组上段灰岩原始水压较高，约为5.7 MPa，但通过疏水降压，水压可降至2.5 MPa 以下。该区域工作面水害治理采取疏堵结合的措施。

（1）底板注浆改造

底板注浆改造钻孔设计按照整体加固并对物探异常区和构造发育区重点布置钻孔探查的原则，设计终孔层位为L8 灰底部，注浆终压10～12 MPa。正常块段钻孔落点间距控制在60 m 左右，物探异常区及构造发育区钻孔落点间距控制在40～50 m 左右，后期重点对富水异常区和裂隙发育区进行加密布置钻孔，检查和验证注浆效果。

（2）疏水降压

根据放水试验结果，该区域太原组上段灰岩含水层补给条件较差，放水量120 m3/h 时，最大水位降深达到260 m，降落漏斗半径接近800 m，通过疏水降压可有效降低二2 煤层底板隔水层承受的水压。

（3）物探验证

在底板注浆改造和疏水降压的基础上，使用瞬变电磁和高密度电法两种手段对太原组上段（L8～L11）灰岩含水层富水性进行全覆盖探测，根据探测结果对物探异常区进行重点钻探治理。

4.3 北翼北子系统

矿井北翼北子系统位于F18 以北区域，该区域水文地质条件较为简单，太原组上段灰岩富水性整体较弱，由东向西逐渐减弱，至高六湾向斜轴部附近太原组上段灰岩基本不富水。东部煤层露头附近太原组上段水压在1.0～2.5 MPa 之间，西部高六湾向斜轴部附近太原组上段水压在2.7～3.3 MPa之间。该区域水害治理采取以探查为主、重点加固探查异常区的措施。

（1）物探探查

回采工作面圈成后，使用瞬变电磁和高密度电法两种手段对太原组上段（L10～L11）灰岩含水层富水性进行全覆盖探测，圈定异常区。

（2）钻探探查及验证

钻探探查及验证钻孔设计终孔层位为L10 灰底部，重点对物探异常区及构造发育区进行探查，同时对出水钻孔进行注浆，注浆终压8～10 MPa。

5 分区治理效果分析

分别以南翼子系统21703 工作面、北翼地堑子系统2801 工作面和北翼北子系统21214 工作面为例，进行分区治理效果分析。

5.1 21703 工作面

21703 工作面二2 煤层均厚2.59 m，可采储量34.32 万t，太原组上段灰岩含水层水压3.0～4.9 MPa。工作面共施工底板注浆改造钻孔204 个，钻探总进尺27 631 m，总注浆量14 275 t，钻孔最大出水量150 m3/h，单孔最大注浆量1 773.5 t。底板注浆改造期间共进行4 次瞬变电磁物探和3 次高密度电法物探，发现异常区19 个，共布置验证钻孔56 个。另外工作面回采期间在21703 下顺槽车场施工太原组上段放水钻孔1 个，放水量约84 m3/h，作为卸压点以降低工作面回采期间底板隔水层承受的水压。

通过采取以上措施，工作面安全回采结束，万吨煤钻孔个数、钻探进尺、注浆量分别达到5.9 个、805.1 m、415.9 t。

5.2 2801 工作面

2801 工作面二2 煤层平均厚度为2.49 m，可采储量为58.5 万t，太原组上段灰岩含水层水压4.0～5.3 MPa。工作面共施工底板注浆改造钻孔154 个，钻探总进尺24 283.5 m，总注浆量3 327.3 t，钻孔最大出水量126 m3/h，单孔最大注浆量242.7 t。为降低太原组上段灰岩含水层水压，在工作面上下顺槽车场各施工一个放水孔， 放水量分别为203 m3/h 和84 m3/h。通过对八采区水文观测孔进行观测，观测孔水压由原始的5.7 MPa 下降至2.5 MPa 并保持稳定，太原组上段灰岩含水层水压的减小有效地降低了水害威胁。另外，结合瞬变电磁物探和高密度电法物探，共发现异常区6 个，布置验证钻孔15 个，进一步保证了工作面水害治理效果。

通过采取以上措施，工作面安全回采结束，万吨煤钻孔个数、吨煤钻探进尺、吨煤注浆量分别为2.6个、415.1 m、56.9 t。

5.3 21214 工作面

21214 工作面二2 煤层均厚2.60 m，可采储量39.1 万t，太原组上段灰岩含水层水压2.4～3.2 MPa。工作面圈成后进行了瞬变电磁和高密度电法探查，均未发现富水异常区。由于工作面断层较发育，共布置13 个钻孔对断层附近太原组上段灰岩水层富水性及断层导水性进行探查，其中出水钻孔4 个，最大出水量3 m³/h，钻探总进尺2013 m，总注浆量46.3 t。

通过采取以上措施，工作面安全回采结束，万吨煤钻孔个数、吨煤钻探进尺、吨煤注浆量分别为0.33 个、51.5 m、1.2 t。

根据表1 可以看出，应用分区治理技术，能够保证矿井水害治理效果，同时大幅度降低了北翼地堑子系统和北翼北子系统的水害治理工程量。

表1 分区治理效果一览表

6 结语

太原组上段灰岩水的治理是陈四楼煤矿防治水工作的重点，根据采掘活动实际揭露及底板注浆改造钻孔施工情况的统计分析，矿井太原组上段岩溶分区规律明显，主要受东西向大型构造控制，且各分区水文地质条件差异较大。通过合理的分区划分，科学制定各分区水害治理措施，陈四楼煤矿水害防治工作得到了提升，近年来，矿井采掘活动未受太原组上段灰岩水影响。