于寬

（晉能控股煤業(yè)集團忻州窯礦地質(zhì)測量管理部，山西 大同 037000）

1 概述

隨著煤礦開采深度的不斷增加，會加劇煤層底板承受的水壓，加上我國地下水資源較為豐富，疏放困難，極易造成突水事故。煤層底板水害成為煤礦企業(yè)深部開采的重大技術(shù)難題之一。據(jù)統(tǒng)計，自1985年以來忻州窯煤礦發(fā)生的灰?guī)r突水重大事故就有7次。通過對突水事故的研究分析，忻州窯煤礦的突水系數(shù)值皆小于正常地層系數(shù)的0.06 MPa/m，且發(fā)現(xiàn)突水點周圍有褶皺與斷層。忻州窯煤礦為典型的大埋深太原組灰?guī)r巖溶裂隙型突水事故。

2 地質(zhì)概述

忻州窯煤礦地處背斜褶曲西側(cè)，主要為單斜構(gòu)造，基巖地層傾斜以NW與W向為主，淺層傾角為17°～23°。開采煤層為山西組煤層，煤厚約為1～9 m。煤層與下伏太原組灰?guī)r間距約為12～21 m，太原組灰?guī)r厚度52～70 m，隔水層厚度約為20 m左右，巖性為以深灰色砂質(zhì)泥巖為主，隨深度的增加而減小。太原組灰?guī)r含水層共有11個厚度不同的灰?guī)r含水層，分為上下兩個部分：上含水段賦存4個灰?guī)r含水層，下含水段賦存7個灰?guī)r含水層，如表1所示。隔水邊界主要分布于礦區(qū)南部與西部邊界的斷層，其黏土層在基巖層之上，對含水層起到一定的阻隔作用。通過分析，忻州窯煤礦地處淺部補給的半封閉水文地質(zhì)環(huán)境中，礦井深部地下水的補給減少。

表1 太原組灰?guī)r含水層詳細信息

3 煤層底板突水原因分析

3.1 突水點分析

忻州窯煤礦建成以來，共發(fā)生7次重大突水事故，嚴重影響了煤礦的正常開采與巷道施工。通過對以往突水事故的分析，煤礦突水事故的水源主要為太原組灰?guī)r巖溶水，其涌水量峰值可達1 049 m3/h，對煤礦安全生產(chǎn)影響巨大[3-4]。

3.2 突水原因分析

（1）自然因素

忻州窯煤礦7次灰?guī)r突水事故依據(jù)突水水量的多少劃分為中等突水與大型突水兩類，均屬太原組灰?guī)r裂隙型突水事故（如表2所示）。該類型事故都是由于工作面推進到一定的深度后，隨著壓力的不斷升高導致煤層底板巖層破裂，從而發(fā)生突水事故。突水點的出水量在初始階段較小，但隨著開采深度的不斷增加及出水時間的延長，水量不斷增加，底板壓力不斷增大，最終導致事故的發(fā)生。煤礦太原組灰?guī)r裂隙與突水點位置如圖1、圖2所示。通過分析，突水水源在灰?guī)r上部含水段，煤層開采使底板受到破壞，從而造成開采裂隙和原生裂隙的活化，增強了突水通道的導水與連通性并與開采煤層導通，使上部含水段得以連通，最終造成突水事故。

表2 突水事故信息

圖1 太原組灰?guī)r裂隙突出

圖2 突水點位置

（2）人為因素

上部含水段的灰?guī)r發(fā)育具有各向異性的特點，使含水層高壓水賦存不連續(xù)，在同一含水層中仍存在聯(lián)通較弱甚至不聯(lián)通的高壓灰?guī)r水。該情況使得即使注漿壓力高達水頭壓力3倍，仍然無法完全填充縫隙，加上注漿方案不完善，未進行有效驗證，存在局部的空白帶，最終導致事故的發(fā)生。

4 煤層底板灰?guī)r注漿方案研究

4.1 注漿層位

地下煤層開采的破壞區(qū)主要分為上部的采動應(yīng)力破壞區(qū)、中部的有效隔水破壞區(qū)和下部的承壓含水層的原始導升破壞區(qū)三個部分（三帶）。忻州窯煤礦在第一帶深度大約為35 m；第二帶大約為4～11 m，較難承受高承壓水的水壓破壞作用，形成卸壓通道較為容易；第三帶最大高度為13 m，標準值為5～10 m。上述分析可知，有效隔水層厚度較小，約為18 m，極易造成突水事故的發(fā)生。隨著井下開采活動的不斷加深，采場周圍的原始應(yīng)力平衡被打破，導致采場周圍的巖體介質(zhì)遭到破壞，從而使得有效隔水厚度進一步減小，灰?guī)r巖溶裂隙水會突破隔水層的防護，進入采空區(qū)造成突水事故[10]。通過分析，增加煤層底板有效隔水層厚度或強度可有效防止高壓灰?guī)r水的破壞，杜絕太原組灰?guī)r突水事故的發(fā)生。由于有效隔水層的灰?guī)r層為煤炭開采的主要隔水層，且較為適合進行注漿，故將注漿層位定為有效隔水層的灰?guī)r層[11]。

4.2 注漿方案設(shè)計

（1）鉆場與材料選擇

選取不同地點進行純水泥漿和新配比漿液注漿試驗：北十采區(qū)進行純水泥注漿，南方-720輔助水平鉆場選用硅酸鹽水泥與膨潤土混合材料進行注漿[12]。

（2）鉆孔選擇

南方-720輔助水平鉆場設(shè)計L11、L10、L9三個注漿鉆孔，L9為灰底板終孔；北十采區(qū)利用正常注漿鉆孔，注漿后取芯即可[13]。依據(jù)南方-720輔助水平鉆場鉆孔的出水量、注漿量及狀況對鉆孔參數(shù)進行設(shè)計，如表3所示。

表3 鉆孔設(shè)計參數(shù)

（3）方案設(shè)計

通過分析現(xiàn)場條件、設(shè)備要求及施工要求，選用ZDY1990S型液壓鉆機進行施工，采用PDC型鉆頭，鉆桿尺寸為長0.76 m，直徑為0.074 m，取芯鉆頭為53 mm。南方-720輔助水平鉆場注漿材料選擇水泥與膨潤土混合材料，計劃注漿量為20.9 t，注漿壓力最大值為10.4 MPa，穩(wěn)定壓力為8.2 MPa[14]。北十采區(qū)材料采用硅酸鹽水泥，選用425#硅酸鹽水泥進行注漿。現(xiàn)場試驗結(jié)合忻州窯煤礦的實際情況進行了相應(yīng)的施工工藝改造，其鉆孔施工工藝流程如圖3所示。

圖3 鉆孔施工工藝流程

4.3 試驗結(jié)果對比分析

按上述方案現(xiàn)場進行兩種注漿材料試驗后發(fā)現(xiàn)，純水泥注漿試驗的灰?guī)r抗壓強度更大，混合材料注漿試驗次之，且二者抗壓強度均大于40 MPa，而未實施注漿灰?guī)r的抗壓強度為僅有12 MPa。因此，兩種試驗皆可達到抗壓強度要求[15]。純水泥注漿試驗的擴散半徑為25 m左右，混合材料注漿試驗擴散半徑與純水泥注漿試驗半徑差別不大，其數(shù)值為35 m左右，二者皆符合試驗要求[16]。

據(jù)上分析，兩種注漿試驗方案均達到試驗要求，但由于純水泥注漿成本較低，結(jié)合礦井地質(zhì)條件等因素，純水泥注漿方案較為適合該煤礦。其注漿現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 注漿試驗現(xiàn)場

5 結(jié)論

通過對忻州窯煤礦的地質(zhì)概況、突水事故原因分析以及注漿方案的研究，結(jié)論如下：

1）忻州窯煤礦突水事故的突水水源主要為煤層底部太原組灰?guī)r巖溶裂隙水，涌水量較大，對安全生產(chǎn)威脅大。

2）煤礦突水事故的發(fā)生主要有自然因素和人為因素。自然因素為煤層底板本身有效隔水層較薄，隨著開采的不斷加深，事故發(fā)生概率較增大；人為因素為注漿方案并不完善，存在局部空白帶，且注漿未進行有效驗證。

3）純水泥注漿方案與混合材料注漿方案各有優(yōu)缺點，都可滿足試驗?zāi)康囊蟆＞C合忻州窯煤礦的實際情況，采用純水泥注漿方案更為適合。