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1、 荣康煤矿防治水技术研究与应用 李永进 王亮亮 王英豪 杨新宇 杨玉华 赵浩南（山西晋煤集团洪洞晋圣荣康煤业有限公司 山西 041600）1.绪论近年来，随着煤炭资源的开采深度逐渐加深或是下组煤的开采，底板奥陶系灰岩水突水危险性越来越大，加之近年来国家对地下水资源保护力度的增加，保水开采1-2成为很多矿井水防治中的一条重要工作思路。矿井地处龙子祠泉域东北边缘地段，岩溶地下水的补给主要是通过西北区域出露岩溶含水层或断裂构造水的侧向补给，其次是在浅埋藏区或裸露区接受大气降水和地表水补给。经区域岩溶水系统径流，经人工水井、矿坑或大泉排泄。矿井西北部发育有下团柏断层，矿井处于该正断层的上盘，断层落差2
2、00230m，矿井主要的充水含水层K2灰岩含水层和断层下盘的奥陶系灰岩含水层对接，使得本井田K2灰岩含水层富水性中等，矿井日常涌水量大。矿井主要开采太原组的10#、11#煤，11#煤层距离奥灰2737m，平均35m。井田范围内奥灰水位标高+520m。断裂构造发育，主要开采的南区目前勘探发现断层21条。断裂构造使得煤层底板隔水层的完整性大大降低，进一步增加了底板奥灰的突水威胁。为了减少矿井的正常涌水量，降低矿井底板突水威胁，进一步实现地下水资源的原位保护、地面环境的保护，矿井利用定向钻探技术，对煤层底板的奥灰进行探查治理。在团柏断层的边界附近，在K2施工探查治理孔，施工帷幕降低矿井日常涌水量，奥
3、灰顶部注浆治理以减小奥灰突水概率。2.矿井水文地质条件分析含水层是影响水害发生的重要因素，根据探测矿井主要含水层为第四系松散岩类孔隙含水层，上、下石盒子组、山西组砂岩裂隙含水层，太原组石灰岩裂隙含水层，奥陶系中统峰峰组石灰岩岩溶裂隙含水层。下面对矿井水文地质条件分析。(1)井田内原生构造发育条件分析本区多被第四系黄土层覆盖，基岩仅在沟谷中小片出露或零星露头，主要发育有S1背斜、S2向斜、S3背斜、S4向斜，断裂破碎易成为矿井充水的主要通道。井田内以往共发现陷落柱9个，纵断面呈倒漏斗型，也可能成为导水的结构。(2)10#、11#煤层采动影响范围分析顶板裂隙带发育高度计算井田内煤层为缓倾角，煤层顶
4、板主要为泥岩、砂岩，采用中硬岩层导水裂隙带高度计算公式，其公式为：式中：Hli导水裂缝带高度（m）；M煤层累计采厚（m），取井田内10#、11#煤层最大厚度5.89m。计算得导水裂缝带高度为82.81m，最大高度可通太原组砂岩裂隙含水层及山西组砂岩裂隙含水层。底板采动破坏深度分析底板采动破坏深度一般在1020m3，底板岩层采动破坏深度不仅和开采的地质条件有关，而且和开采的方式也有很大的关系。在工作面斜长30205m、采深1001000m条件下，可通过以下公式计算煤层采后底板破坏带发育深度4。式中：h底板采动破坏深度（m）；L工作面斜长（m）。计算得地板最大破坏深度约16.89m。(3)矿井充水
5、因素分析井田范围内，煤层开采可以影响到的含水层主要有新生界松散岩类孔隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层、石炭系太原组石灰岩岩溶裂隙含水层。构造发育能够导通的含水层还有奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层。其中新生界松散岩类孔隙含水层在煤层埋藏较浅或沟谷位置可能对开采有影响。二叠系砂岩裂隙含水普遍富水性弱，对开采影响较小。对矿井开采影响较大的含水层主要为太原组K2灰岩含水层和奥灰含水层。K2灰岩含水层被采动裂隙导通，在采掘过程中以顶板滴淋水的形式出现，对矿井日常生产影响较大。奥灰含水层通过一下导水构造导通采掘空间，对矿井安全产生威胁。3.防治水理念和体系统筹煤炭资源的安全高效开采、水资源的原位保护、地面的生态
6、环境保护5，分析研究矿井充水条件，优化开采布局、工艺参数和工作面接替，掌握采动应力分布、裂隙扩展和水力联系的规律；采取有力手段措施，评价10#和11#煤层保水开采效果。(1)1个统一：安全生产和水资源、环境保护统一在矿井的采掘过程中，顶板K2灰岩含水层正常的涌水量在180m3/h左右，出水不仅使得井下采掘环境恶化，同时增加了矿井排水压力，降低排水系统的空余排水能力。同时大量水进入矿坑，形成了水资源的浪费。矿井水灾排出后，对环境也有一定的影响。井田发育的导水构造，一旦形成奥灰突水，不仅威胁矿井安全，同样会形成资源的浪费和增加环境保护的难度。减小矿井K2涌水量、降低奥灰突水概率就是实现了这三者的统
7、一。(2)1个理论依据：灰岩含水层中浆液的扩散理论随着近年来的实践，对灰岩注入水泥浆、黏土浆、粉煤灰水泥浆等在多个矿区进行了应用，同期对浆液在灰岩中的扩散也有众多的学者进行研究，形成了幂律流体的球形扩散理论6、水平孔注浆浆液扩散力学模型7、倾斜裂隙水平注浆孔牛顿流体和黏时变性流体浆液扩散模型8、裂隙岩体渗透注浆特性试验9、离散裂隙网络介质理论10等的浆液扩散理论。(3)1项关键技术支撑：井下千米定向钻探技术随着定向钻进技术、工艺的发展，我国井下长距离定向钻进技术最大钻进距离达到了2570m11，在灰岩中达到了900m。长距离的定向钻探工艺形成，使得在灰岩中大范围、远距离注浆得以实现。(4)3个
8、有效保障：专业的治理队伍、专门的治理资金、国家的退税政策在确定进行灰岩区域治理以实现矿井水资源保护，环境保护的理念下，选用了专业的技术力量进行实施。同时企业和配套率足够的资金进行项目的运行，山西省也对绿色开采进行退税补贴，进一步降低了治理的成本，在源头实现了环境的保护。(5)6大监测系统：保水开采智能监测预警系统保水开采智能监测预警系统主要包括地表水文观测、地下水位动态监测、工作面涌水量实时监测预警、矿井水质实时监测预警、顶板裂隙发育动态观测、底板破坏范围实时监测预警、灾害征兆实时预警等。4.防治水主要思路和措施为了减小采掘过程中的顶板滴淋水，方便井下巷道的掘进与回采、降低矿井涌水量，减小矿井
9、排水压力、增加煤层开采底板的安全安全性。矿井采用超前注浆治理的技术对奥灰顶部进行改造和对K2的过水边界建立阻水帷幕。（1）在井田西部靠近下团柏断层的地方，二采区胶带和回风的连巷，布置钻场，对煤层顶板K2灰岩含水层施工定向探查孔，井下注浆。利用两排钻孔实现在含水层中建立隔水帷幕的目的，从而降低采掘活动中K2顶板的滴淋水。（2）在井下轨道巷合适位置建立钻场，利用定向钻机沿工作面走向，在奥灰顶部布置定向钻孔，对奥灰上部815m厚度的地层进行探查与治理。治理范围按照工作面采动范围外扩50m确定，钻孔间距为4060m。利用地面注浆站制浆，通过高压注浆管，输送浆液至井下钻场，探查出水后，开始注浆治理。对奥
10、灰顶部的异常导升通道和部分断层进行超前治理，降低奥灰突水威胁，增加开采的安全性。5.现场应用效果在2022年6月，至2022年9月初，在11004工作面下部施工了6个定向钻孔，13个常规补充加固孔，9个检查孔。定向钻探进尺累计3053m，常规补充孔进尺1363m，检查孔进尺907m。注入水泥3182t。11005工作面施工6个定向钻孔，定向工程钻探量6573m，注入水泥10941t；常规钻探进尺1913m，注入水泥705t。共注入水泥11646t。11004工作面实现安全回采，回采过程中底板未见出水。治理前后的音频电透成果见图1、图2。图1 治理前工作面底板下4060m音频电透成果图图2 治理后工作面底板下4060m音频电透成果图6.结论（1）通过注浆治理的技术，实现了K2灰岩的帷幕截流，减小了顶板得滴淋水，达到了井巷的高效掘进。实现了11004工作面的安全，达到了矿井的安全回采。（2）对奥灰上部815m的探查与改造，降低了奥灰的突水威胁，减小了矿井的排水量，实现了对环境的保护。（3）实现了矿井的安全、高效开采、地下水的原位保护、环境的保护，为类似条件的矿井防治水工作提供了重要的借鉴。 -全文完-
