综合防治水法在刘店矿首采工作面的应用

刘店煤矿1044工作面为104采区10煤层首采工作面。根据勘探资料：1044工作面水文地质条件简单～中等、主要断层为非导水断层，其中工作面直接充水水源为10煤层顶底板砂岩裂隙水，以静储量为主，一般出水量很小，多以淋渗水形式进入工作面；而间接充水水源为10号煤底板太灰岩溶裂隙水，底板太原组灰岩含水层具有富水性不均一的特点。虽然水文地质条件简单，但是10煤层距离下伏第一层灰岩较近，平均铅垂距离33m、最浅部只有16m，并且灰岩含水层水压高、底板隔水层薄。因此，10煤层底板太原组1～4灰含水层是威胁该煤层开采安全的主要含水层，底板承受的静水压力在2.86～9.02mpa[1]，使得首采工作面处于承压水上“带压开采”状态，给工作面生产带来安全隐患。为此，该矿利用井下直流电法勘探法[2]对10号煤1044首采工作面底板灰岩水赋存情况进行井下勘探工作，根据勘察结论采取合理的技术措施，以避免灰岩突水灾害的发生、保证工作面的回采安全。
　　

1 探测原理与实施
　　1.1 原理与布点 根据《煤炭电法勘探规范》[4]和文献[2，3，5]方法，结合巷道所在煤层及围岩物性参数，针对1044工作面的实际情况，采用了井下高分辨电测深探测技术进行井下探测。
　　

1.2 探测的实施 1044工作面电测深探测工作分别在机巷和风巷中进行。探测实施过程严格按照规范[4]进行。为保证数据质量，实施过程中采取了如下技术措施：
　　a、高分辨电测深是顺槽内施工，20m一个测点，每5m一个极距；
　　b、采用电测深三级装置施工时，mn应布置在顺槽底板上，其连线与顺槽走向平行；
　　c、电极尽可能打在坚实层位上，并尽可能避开积水、淋水地段，以避免极化不稳定等现象发生；
　　d、电极离开金属道轨0.5m以上，同时应避免与顺槽内放置的金属物接触或距离过近；
　　e、采集数据时，应避免皮带或其它设备正常运行工作，特别当工作面斜长较大、增大供电电流受限时，更需注意避免影响其他设备运转工作。
　

　2 电法勘探结论及防治水措施
　　2.1 电法勘探结论 根据直流电法探查风巷和机巷收集的数据，抽取不同深度的视电阻率低阻异常值投放到平面图上形成某一深度的视电阻率低阻异常平面断面图。根据不同深度视电阻率断面图和数据分析可得1044工作面底部下80m以内岩层中含水性异常的位置，工作面的风巷和机巷共存在9个视电阻率异常区和4个富水异常条带。

　　2.2 防治水措施 根据井下直流电法探测结果，结合工作面地质构造情况，重点对ⅰ号、ⅱ号异常条带进行了钻探验证，同时也对iii～iv号异常条带作了相应的低密度探水工作以确保生产安全。工作面多数钻孔出水量较小，风巷及风巷联巷钻孔揭露一至三灰时无水，只在揭露四灰后有少量出水，单孔出水量一般为2～6m3/h；钻探证实，1～4灰岩性致密，岩溶裂隙不发育，局部有小裂隙，多呈封闭状态，裂隙均被泥质或方解石脉充填；机巷09水探4钻孔揭露二灰时出水，初始水量60m3/h，稳定水量53.0m3/h，水温34.5℃；风巷09水探6钻孔钻进到74m时出水，水量47.0m3/h。 为了确保注浆加固效果，工作面共施工了29个钻孔。其中放水孔与观测孔4个；15个底板专用注浆加固孔；6个探查孔兼作注浆加固孔；检查孔4个。累计施工探查及注浆加固孔21个，总工程量2274.3m。除探1、探6、探4和3个注浆加固孔外，其余的探查孔、检查孔和注浆加固孔，终孔层位均为六灰底板，部分钻孔达四灰底板，注浆孔同时起到了探查底板灰岩富水性的作用。在扫孔过程中对出现大于5m3/h涌水的孔进行了复注，并不得向下一注浆段钻进；对出水量大于10m3/h的第三注浆段，注浆后进行扫孔检查，不合格的进行了复注。当钻孔出现大于5m3/h的涌水时停止钻进，并记录出水段深度、测定涌水量和水压；当钻孔出水量大于30m3/h时关闭高压闸阀提前进行注浆。透孔检查孔或新施工的检查孔均采用注浆方式进行封孔，钻孔结束后均采用高标号硅酸盐水泥利用nbb260/7注浆泵进行了封孔处理，封孔注浆压力不小于7mpa。
　　

上述处理的目的是加固煤层底板破碎带和砂岩段、改造灰岩含水层为隔水层，提高底板岩体的抗压强度，确保回采时底板不破坏。因此，局部注浆加固工程施工中坚持采用分段下行注浆、单孔单注与间歇和连续注浆等相互结合基本原则，以确保实施效果。经现场实施完成工作面25个注浆孔、探查孔和检查孔共注水泥268.75吨，平均单孔注浆量10.75吨。
　　

2.3 治水效果 为了确保生产安全、检查防治水工程效果，对注浆后工作面里段进行了二次电测探查，根据注浆后工作面里段二次电法资料分析，里段注浆后底板异常区的幅值和范围及灰岩水导升趋势均有一定的减少，隔水层性能得到加强。只是在风巷的1～2号测点和6号探测点以及机巷的1～2号测点和4～6号探测点还存在极小范围的异常。工作面里段标高-538.9～-602m，换算为水压值为5.58～6.19mpa。工作面观测孔、放水孔、探查及注浆孔揭露灰岩时水量较小，且灰岩岩性致密，经注浆改造后可以作为等效隔水层，有效隔水层厚度为注浆控制最大垂深99.0m。工作面突水系数可用公式（1）计算：
　　ts=■（1）
　　式中：ts突水系数，mpa/m；p静水压力，5.58～6.19 mpa；m隔水层厚度，m。
　　则计算可得ts=0.054～0.061mpa/m。采用同样的方法计算其他地段突水系数，底板构造破碎带及物探查明的多数富水异常区突水系数小于0.05mp/m，个别异常区可通过局部注浆加固、改造提高底板强度后，突水系数均小于0.06mpa/m，满足回采要求。而工作面里段在0.054～0.061mpa/m范围内，工作面的局部地段突水系数ts略大于规定的0.06mpa/m的临界值。
　　

针对上述问题，后期通过地面长孔观测及疏水降压、补探及复注等工作，经多方面、多方法综合评价确定10煤层工作面的防治水达到工作面回采要求。但在回采生产期间严格仍按照规定要求，针对相对薄弱的地段加强了防治水管理工作。
　

　3 结语
　　该矿首先采用直流电测深法探测发现了首采工作面的底板异常区位置以及地质结构和富水性特点，进而采取了有目的钻探与探查，进一步探明异常区域的富水性特点以及出水段深度、测定涌水量和水压等基本参数，最后提出了科学合理的防治水措施并付诸于实施，保证了回采工作面顺利推进和生产工作安全。该途径在生产实践中得到较好地检验的同时也有力促进了矿井安全生产和经济效益的稳步提高。