前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的煤业工作面保水开采研究，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要：针对荣康煤业10、11号煤带压开采存在的突水问题，采用理论分析确定了11煤底板有效隔水层厚度为11m；采用物探手段得到11004工作面底板的2处富水异常区，分别为底板0~40m范围的工作面中部距切巷590～620m之间，推断为富水异常区；顶板0～40m和顶板40～80m都探测出轨道顺槽一侧距切巷170～195m之间；通过工程经验确定了钻孔布置参数及相关注浆工艺，钻孔间距为50m，注浆层位为进入奥灰18m。
关键词：底板；奥灰水；保水开采
0引言
山西是我国的煤炭大省，长期以来为我国经济社会发展和保障国家能源安全做出了重要贡献，但煤炭开采也带来了土地沉陷、水资源破坏、瓦斯排放、煤矸石堆存等一系列生态环境损害问题。山西省吨煤开采破坏水资源约为2.54m3/t，以2018年山西省原煤产量8.75亿t计，约破坏水资源22.2亿m3，使本就十分紧张的区域水资源供需矛盾更加尖锐。煤炭开采过程中，受地表沉陷、顶板活动与底板破坏等影响，顶板水和底板水不仅会给矿井安全生产带来巨大威胁，而且会出现大量流失而进一步加剧矿区生态环境和径流条件恶化[1-3]。因此，亟需通过保水开采途径实现安全和绿色的双重目标，具有很好的示范和引领作用。
1工程概况
1.1工作面概况
荣康煤业位于山西省洪洞市，各煤层均采用综采一次采全高采煤工艺、无煤柱式开采、全部垮落式管理顶板。矿井为单水平开采，优先开采10号煤层，再采11号煤层。目前矿井在11号煤层中布置巷道，采掘10煤层。已经完成回采11001工作面，目前形成11004工作面，准备掘进11005工作面。10号煤层位于太原组下段上部，上距9号煤层间距为1.03～3.97，平均1.89m，煤层厚度1.65～2.80m，平均2.19m，含0～2层夹矸，结构简单，厚度变化不大，顶板以泥岩为主，底板以粉砂岩为主，为全区可采的稳定煤层。11号煤层位于太原组下段中下部，煤层厚度1.65～3.57m，平均2.42m，含0～3层夹矸，结构简单，顶板为炭质泥岩或泥岩，底板为石英砂岩或泥岩，为全区可采的稳定煤层。
1.2工作面水文地质条件
井田内奥陶系峰峰组灰岩岩溶裂隙含水层单位涌水量为0.0545～5.799L/s·m，为弱-极强富水性含水层，水位标高为+515～+540m，10号煤层底板标高为+245～+525m，11号煤层底板标高为+235～+515m，10、11号煤层底板标高全部处于奥灰水位之下，全部为带压开采。井田范围内10号煤层底板承受奥灰水水头压力为0.558～3.195MPa之间，突水系数为0.015～0.069MPa/m，煤层底板至奥灰顶面距离为32.25～54.72m，平均距离45m；11号煤层底板承受奥灰水水头压力为0.558～3.195MPa，突水系数为0.021～0.091MPa/m，煤层底板至奥灰顶面距离为21.32～44.57m，平均距离35m。10号煤层平均厚度为2.19m，底板隔水层采动破坏深度按照预计12m，那么底板有效隔水层厚度为33m。11号煤层底板隔水层厚度平均35m，煤层厚度2.42m，底板破坏深度经验估算按15m考虑，有效隔水层厚度仅剩20m。目前矿井已形成首采工作面11001工作面，共施工工作面底板水害探查钻孔76个，揭露奥灰地层钻孔均出现涌水量增大情况，最大为65.8m3/h，通过水压分析，水压在0.1～0.2MPa，基本为煤层底板砂岩水和本溪组水，水压大于0.5MPa，确认为奥灰水。多数钻孔揭露11号煤层底板砂岩即出水，部分为揭露本溪组出水。煤层底板确认为奥灰水的钻孔6个，煤层底板至奥灰距离按照45m计算，奥灰含水层导升高度最大为12m，最小为3.2m，平均为6.45m。结合现有隔水层条件，用“下三带”理论分析（见图1）。11煤底板隔水层厚度平均为35m，煤层平均厚度为2.42m，底板采动破坏深度一般在8～12m，奥灰含水层导升高度按照平均值为6.45m那么有效隔水层厚度仅剩16.55m。导升高度按照现有最大值12m计算，那个有效隔水层厚度仅为11m。综合矿井地质及水文地质条件，未来五年采掘区域为一采区南翼和二采区，受煤层底板奥灰含水层地下水的威胁严重，随着煤层的开采底板破坏带的形成，以及奥灰原始导高的存在，井田南翼采区奥灰水突水危险性较大。因此煤层开采前，必须采取底板奥灰含水层改造和隔水层加固措施，封堵底板导水通道，方能实现安全带压开采。
211004、11005工作面底板水隐患分析
11004工作面目前为10号煤层备采工作面，可采长度790m，切眼长度150m。10、11号煤层间距平均为8m。11004工作面掘进期间无断层、陷落柱等地质构造。主要受顶板太原组K2灰岩含水层影响及底板奥灰含水层水威胁。顶板出水主要分布在11004胶带顺槽200～250、560m处及11004轨道顺槽200m、400～450m、700m处，出水形式为顶板裂隙及锚杆、锚索淋水，水压均小于0.1MPa。该工作面总涌水量为45m3/h（11004胶带顺槽25m3/h，11004轨道顺槽20m3/h）。11005工作面为11004工作面之后的接续工作面。
2.111004工作面物探成果
为加强矿井安全生产和隐患排查工作，做到矿井隐蔽致灾地质因素清晰明确，预测预报准确有效，采用槽波地震勘探、音频电透视对11004工作面内部及底板进行探查。槽波地震勘探共采集76炮有效数据，162道接收，总测线长度1600m；音频电透视勘探共采集物理点4096个，测线长1580m。根据激发76炮采集到的槽波数据，对槽波数据的处理，以及对槽波数据处理的结果进行成像。我们从成像结果图上看，槽波异常3个（见图2），编号为，CYC1、CYC2、CYC3。其中，CYC1异常位于11004工作面距切眼200～260m处，异常范围较大，推测该异常为煤层破碎区域，对工作面回采有一定影响；CYC2异常位于11004工作面轨道顺槽距切眼420～470m处，向工作面内延伸45m左右，该异常范围较小，推测该异常为煤层破碎区域，对工作面回采有影响较小；CYC3异常位于11004工作面距切眼760～800m处，呈现条带状，推测可能存在隐伏断层，对工作面回采有一定影响。音频电透视采集物理点4096个，测线长1580m。综合分析存在2处异常区域（见图3）。底板0～40m范围的工作面中部距切巷590～620m之间，范围不大，结合地质资料综合推断为富水异常区，建议矿方进行打钻进行验证；顶板0～40m和顶板40～80m都探测出轨道顺槽一侧距切巷170～195m之间，范围不大，向工作面内延伸50m，结合地质资料综合推断为富水异常区。
2.211004工作面底板隐患分析
11004工作面回采过程中主要受顶板太原组K2灰岩含水层影响及底板奥灰含水层威胁，重点防范底板奥灰含水层突水。11004工作面总涌水量为45m3/h，水源为10号煤层顶板太原组K2灰岩含水层，工作面两顺槽掘进过程中未揭露断层及陷落柱。11004工作面奥灰水位标高为520～530m，底板标高为410～455m，该工作面奥灰水最大水头压力为1.2MPa，突水系数为0.023～0.035MPa/m，小于0.06MPa/m，为奥灰带压开采相对安全区，底板隔水层平均厚度为47m。奥灰含水层是煤系地层下伏的主要含水层，重点防范底板奥灰含水层通过隐伏导水构造进入工作面，造成突水。
3治理方案研究
根据矿井10号煤底板岩层赋存特点，本溪组含水层厚度较薄，不富水或弱富水，且10号煤底板与奥灰含水层平均距离为45m；11号煤层底板至奥灰顶面平均距离35m；如果选择在煤层底板隔水层作为目标层，采后底板破坏带直接扰动造成改造段失效，同时该层位既不利于钻孔轨迹控制，又不利于注浆改造。而奥灰含水层相对本溪组含水层则富水性较强，厚度稳定，且远离采后底板破坏带；若选择奥灰顶部一定厚度作为目标层，既有利于定向钻孔的顺层钻进和层位控制，又可将奥灰顶部含水层改造为相对隔水层加以利用，增加底板有效隔水层厚度，降低10号和11号煤层开采奥灰突水威胁，同时可以解放10、11号煤层的煤炭资源。
3.1钻孔布置
3.1.1钻探工程布置
根据矿井采掘规划以及矿井地质条件，未来5年采掘区域为“南翼采区”，共设计工作面9个，一期保水开采超前区域治理工程针对F3断层以西相邻的2个工作面（11004和11005工作面），采用定向钻探与常规钻探相结合的钻探工艺，停采线局部定向钻探未覆盖区域采用常规钻探探查治理，剩余部分采用定向钻探探查治理。上下巷帮外50m，奥灰顶板下约18m分别布置1组钻孔。工作面内布置1组，11004、11005工作面共计布置3组9个钻孔（若由于地质条件影响，定向钻机能力达不到全覆盖，利用常规钻探进行补充），实现均匀，全覆盖工作面底板。在工作面北部联巷施工定向钻钻场（D1、D2和D3），共施工3组9个钻孔，钻孔进入奥灰顶部约18m层位后，顺层钻进，延伸至工作面切眼南侧外35m，对2个工作面进行超前区域含水层改造治理。
3.1.2常规钻探钻孔布置方案
常规钻探钻场布置在工作面北部，每个工作面布置1个钻场，布置7个钻孔，各钻孔进奥灰顶板位置间距约50m。2个工作面共布置14个钻孔，具体工程量以实际施工为准，见图1。进尺6245m，预计机动工程量按照这一工程量的15%考虑，为921m，共计进尺7167m。11005工作面下部设计3个定向分支，按照11004工作面分支平均进尺估计，3个分支共计进尺为3583m。11004、11005工作面定向钻探进尺为10750m。
3.2钻孔结构
3.2.1定向钻探钻孔结构
各定向钻孔由套管孔段（回转钻进孔段）、定向造斜孔段和定向稳斜孔段组成。1）钻孔套管孔段方案1：一开孔径为245mm，一级套管尺寸为φ219mm；下入深度15m。固管，耐压后，二开φ193mm，二级套管尺寸为φ156mm或φ168mm，固管耐压后，三开裸孔段孔径为φ120mm。2）钻孔套管孔段方案2：一开孔径为219mm，一级套管尺寸为φ194mm；下入深度15m。固管，耐压后，二开φ168mm，二级套管尺寸为φ146mm，固管耐压后，三开裸孔段孔径为120mm。3）二开套管下入奥灰顶面5m，保证满足耐压试验要求。4）定向造斜孔段：采用随钻测量定向钻进工艺进行施工，钻孔直径为120mm，钻孔造斜至目标层位钻进。
3.2.2常规钻探钻孔结构
钻孔结构：开孔孔径为133mm，钻进16m，下入15mφ108mm×6mm地质套管，固管扫孔后更换φ75mm钻头继续钻进至终孔。
3.3注浆工艺及参数选择
本次采用地面注浆站造浆，孔口高压注浆工艺。地面注浆使用射流搅拌系统，可连续制浆和注浆。本次注浆以水泥为主，根据揭露裂隙情况可灌注水泥、粉煤灰、粘土等混合浆，其工艺流程如下：1）注浆方法。采用孔口封闭止浆、静压分序分段下行式注浆法。要求从上到下按段长依次分段钻进、注浆。上一段未达到注浆结束标注，不得进行下一段施工。注浆单位段长一般为50～100m，可根据具体情况临时调整。2）注浆层位选择。矿井奥灰水位标高为+515～+540m，在11004、11005工作面附近，10、11号煤层底板标高分别在+400～+460m和+390～+450m，得出突水系数均小于0.06MPa/m。通过首采面的治理可知：奥灰顶部存在一定的导升高度，形成潜在的导水通道使得回采时工作面涌水增大，影响生产。所以，需要对奥灰顶部的含水层进行治理，达到从“根部”切断导水通道的目的。从一采区的整个区域来分析，治理厚度不小于22m时，整个区域的11号煤层底板突水系数小于0.06MPa/m。在11004、11005工作面附近治理时，原生的隔水层厚度满足突水系数小于0.06MPa/m的要求，治理的目的主要是探查，切断导水通道。考虑到二开套管进入奥灰5m，之后进行钻孔变向（造斜）所需要的距离，暂定为进入奥灰18m，后期需要根据工程实施过程，决定是否需要进行调整及如何调整。3）当钻孔未揭露奥灰时，遇见钻井液少量漏失现象采取调配堵漏剂堵漏钻进，遇见钻井液大量漏失现象时采用稠水泥浆堵漏钻进。奥灰顺层钻进时，遇见钻井液漏失量或孔内涌水小于10m3/h时，继续钻进。遇见钻井液失量或孔内涌水量大于10m3/h时，向前钻进5～10m的注浆层段进行高压注浆。奥灰顺层钻进无漏失或漏失量较小时，每50～100m段进行压水试验，压水量大于10m3/h提钻注浆。压水量小于10m3/h时，不需要注浆，继续钻进。当终孔时，未见明细漏失或涌水及压水量小于10m3/h时，必须注浆，终孔的这次注浆不仅是治理注浆的一个环节，同时也是注浆封孔。这时，注浆时需要采用比重为1.15的稀浆注入，累计注入量需要达到孔体积的2倍以上，方可认为满足封孔要求。4）浆液扩散半径：根据以往经验，本项目注浆浆液理论扩散半径取30m。
4结语
针对荣康煤业10、11号煤均位于奥灰水位之下存在带压开采进行了隐患分析与相关保水开采设计：1）根据“下三带”理论分析：11煤底板隔水层厚度平均为35m，煤层底板采动破坏深度8～12m，奥灰含水层导升高度按照平均值为6.45m那么有效隔水层厚度仅剩16.55m。导升高度按照现有最大值12m计算，那个有效隔水层厚度仅为11m。2）根据物探结果显示：存在2处异常区域，底板0～40m范围的工作面中部距切巷590～620m之间，推断为富水异常区；顶板0～40m和顶板40～80m都探测出轨道顺槽一侧距切巷170～195m之间，推断为富水异常区。3）根据工程经验确定钻孔间距为50m，注浆隔水层厚度为进入奥灰18m，并确定了相关钻孔布置及注浆工艺。
参考文献：
[1]李敏.工作面底板承压水防治方案设计与实践[J].山东煤炭科技，2020（6）：159-161.
[2]闫左峰.碾沟煤业5105工作面承压开采底板注浆加固技术[J].煤，2019，28（8）：32-33，36.
[3]马雄德，杜飞虎，齐蓬勃，李文莉.底板承压水保水采煤技术与工程实践[J].煤炭科学技术，2016，44（8）：61-66.
作者:闫永星 单位:太原煤炭气化（集团）有限责任公司