峰峰矿区深部煤层开采水害问题及防治对策

2020-07-27王铁记王子龙

煤矿安全 2020年7期

王铁记，王子龙

（1.冀中能源峰峰集团有限公司，河北邯郸056107；2.煤炭科学技术研究院有限公司，北京100013）

峰峰矿区地质和水文地质条件极其复杂[1]，是全国有名的大水矿区，奥灰突水一直是困扰和威胁煤矿安全生产的突出问题。经过多年开采，矿区浅部煤炭资源逐步枯竭，目前多对矿井的煤层开采进入了深部，部分矿井开采深度已达千米。深部煤层开采条件更加复杂，煤岩体处于高地应力、高地温、高岩溶水压和强烈开采扰动的复杂地质力学环境中，煤层开采受底板奥灰突水威胁更为严峻，浅部煤层开采时传统的防治水技术方法已经不能适应深部开采的需要。10 年来，峰峰矿区发生了多起深部矿井煤层开采奥灰突水事故，其中淹没矿井4 对，造成了巨大的经济损失。因此，研究深部煤层开采面临的水害问题并制定防治对策就显得十分必要。

1 矿区地质和水文地质条件

峰峰矿区煤系地层为石炭二叠系，主采煤层为二叠系2 号煤和石炭系4 号煤，两煤层分别距离煤系基底奥灰强含水层140、100 m。矿区奥灰含水层是威胁矿井开采的主要含水层，具有厚度大（500～600 m）、补给面积大、弹性储水量大、水位高、富水性不均一等特点。矿区内断层发育，褶皱以单斜构造为主，个别矿井背向斜发育，煤层底板较破碎。截止到2019 年底，矿区内各矿共揭露陷落柱100 多个，陷落柱大小悬殊、形状各异、发育高度差异明显，大部分发育到开采煤层以上，极个别隐伏于煤层底板以下，长轴直径最小仅几米，最大可达500 m，一般数十米，形状多为近圆形和椭圆形，少数呈长方形或不规则形状，多数不导（含）水。由于矿区构造发育，煤系基底的奥灰水常常沿构造突入矿井采掘工作面，严重威胁着矿井的安全开采。

2 深部煤层开采面临的水害问题

随着矿井煤层开采逐步向深部延伸，面临越来越显著的与浅部开采不同的各类安全问题，主要表现在原岩应力与构造应力不断升高、围岩体塑性增大，在开采过程中导致矿山压力不断增加，产生较为剧烈的压力变化,巷道底鼓严重，回采工程中初次来压和周期来压的步距变小，来压显现程度明显。与此同时，深部煤层开采水文地质条件日趋复杂，煤层底板承受的奥灰水压在7.0 MPa 以上，个别矿井甚至达到11.0 MPa，开采时煤层底板变形严重，底板破坏深度异常增大，如果煤层底板存在隐伏的陷落柱、断层等构造，就容易发生特大突水事故。矿压显现明显时，出现煤层底板裂隙面状分散性突（涌）水，上述情况随矿井延深将不断加重。

2.1 底板奥灰突水的途径和特点

1）陷落柱突水。峰峰矿区陷落柱普遍发育，且多数分布在浅部矿井，在浅部煤层开采时，揭露了大量的陷落柱，但揭露的陷落柱均充填密实，不导（含）水。陷落柱在深部矿井成零星分布，但深部矿井开采发生的4 起奥灰突水淹井事故中的3 起事故，是由发育于煤层底板以下的小型隐伏陷落柱（陷落柱长轴直径不超过20 m）造成的，九龙矿陷落柱突水示意图如图1。小型隐伏陷落柱发育层位低，位于开采煤层以下，直径小，在原始状态下甚至可能不含（导）水，目前的钻探、三维地震和其他物探技术提前探知难度大，但在深部采动影响下，由于煤层底板破坏深度大，再加上陷落柱本身就是薄弱面，在高矿压和高水压的联合作用下，极易成为导水通道而发生奥灰突水。

图1 九龙矿陷落柱突水示意图Fig.1 Schematic diagram of water inrush from collapse column of Jiulong Mine

2）断层突水。峰峰矿区矿井断层发育，对生产的影响较大，断层也是潜在的突水通道。在深部开采条件下，由于矿压大，在高矿压的作用下断层极易活化造成滞后突水。1995 年，峰峰矿区在建的深部矿井梧桐庄矿掘进井底大巷时揭露1 条落差7 m的小断层，过断层数天后发生了34 000 m3/h 的奥灰水特大突水事故，造成17 人工亡。

3）煤层底板裂隙突水。除陷落柱突水和断层突水外，峰峰矿区深部煤层开采的梧桐庄矿和九龙矿发生了多起奥灰水通过煤层底板裂隙突出事故，尤其是工作面开采的推进长度与工作面斜长大致相等时，煤层底板容易突水。突水事故的发生是由于深部煤层开采底板岩层产生的超深破坏带与奥灰承压水导升带沟通造成的，奥灰突水后虽然没有造成淹井事故，但对工作面的开采造成了一定的影响。裂隙突水示意图如图2。

图2 裂隙突水示意图Fig.2 Schematic diagram of fissure water inrush

2.2 深部煤层开采存在的防治水问题

1）突水系数安全评价方法在深部存在局限性。目前煤矿防治水采用的突水系数[2]安全评价方法是20 世纪80 年代初提出的，也是《煤矿防治水细则》中煤层回采工作面安全评价采用的主要方法。该方法是通过统计、分析多次突水资料而得出的，在浅部矿井防治水安全评价中起到很好的作用，是浅部矿井煤层开采防治水方面最有效的评价方法。但是突水系数安全评价方法也有一定的缺陷，该方法只采用水压和隔水层2 个因素进行安全评价，在浅部矿井简单的开采环境下适用性很好，但在深部矿井围岩的地质力学环境、围岩应力条件、高矿压条件和高水压条件下开采破坏与浅部开采有很大的不同，突水系数法安全评价方法难以适应深部开采。在深部煤层回采工作面发生的多起突水事故中，突水系数并没有超出评价的安全范围仍发生了突水，说明突水系数安全评价方法在深部开采中具有局限性。

2）存在厚隔水层无构造突水问题。峰峰矿区目前开采的2 号和4 号煤层距离奥灰含水层较远，属于厚隔水层上带压开采。在浅部煤层开采中，在煤层底板完整条件下一般不会发生突水事故，发生突水的部位往往存在断层等构造。但在深部煤层开采中，由于煤层底板的超深破坏再加上奥灰高水压的作用，发生了多起煤层底板无构造突水。峰峰矿区九龙矿自4 号煤开采以来，所有工作面都发生了煤层底板奥灰突水事故，大部分突水部位煤层底板完整，不存在陷落柱、断层构造，煤层底板出水前，工作面底鼓，回采支架被压死，随后煤层底板出现裂隙出水并达到峰值，然后逐步衰减。出水的频率与周期来压具有同步性。

3）构造活化突水问题突出。峰峰矿区陷落柱发育，在浅部开采中，所揭露的陷落柱均不含（导）水，甚至在开采过程中为了工作面连续推进，直接在陷落柱中推采。峰峰矿区深部矿井陷落柱不发育，偶尔揭露，但发生了3 起位于开采煤层底板以下、陷落柱顶部距离煤层底板43～60 m 的隐伏小型陷落柱突水事故。这些陷落柱在开采前都进行了探查，由于采前陷落柱不含水并没有提前发现，但开采到陷落柱位置后，在采动影响、高矿压和高水压的联合作用下，陷落柱发生活化发生了滞后突水淹井事故。如峰峰矿区梧桐庄矿182306 工作面在开采前进行的煤层底板探查和注浆加固工程中，未发现陷落柱和水文地质异常，但工作面开采时发生了特大奥灰突水事故，后经堵水钻探工程证实，隐伏陷落柱顶部距离煤层底板60 m 左右，为1 个隐伏的小型陷落柱。

4）传统的煤层底板注浆加固方法无法避免煤层底板突水。煤层底板注浆加固及改造方法在浅部煤层底板防治水中得到了成功的应用，是煤层底板水害防治最有效的方法之一，但该方法在深部煤层开采中实用性大大降低，在采取了煤层底板注浆加固的多个工作面仍不能避免奥灰突水事故的发生。

3 深部煤层开采突水机理

1）裂隙突水机理。正常岩层煤层底板突水不外乎薄隔水层的整体破坏和厚隔水层的水压裂导升破坏2 种模式。由于峰峰矿区开采的2 号和4 号煤层距离奥灰含水层较远，薄隔水层突水模式在峰峰矿区深部煤层开采中不存在。对于浅部隔水层厚度较大且完整的煤层底板，一般具有足够的强度以克服承压水对煤层底板的剪切破坏，不会发生突水。但是对于深部岩体所处的应力场而言，随着埋深的增加，地应力场发生变化，垂向和水平主应力相应变大，当主应力作用于底板岩层时，会在横（纵）向产生破坏，尤其在煤层开采后，煤层底板岩层的原始应力平衡遭到破坏，形成煤层底板采动破坏带，泄压后上部垂向应力解除，导致原岩三向应力状态不平衡，岩体的有效应力降低，形成剪切破坏产生裂隙。当奥灰水的压力大于岩层的最小主应力时，裂隙带扩张，当和上部煤层底板破坏带沟通时，就会形成管涌，使奥灰水向上导升而突水。

2）陷落柱、断层突水机理。陷落柱、断层本身就是薄弱带，在高矿压、高水压的联合作用下，煤层底板产生超深破坏、构造容易活化而突水。

4 防治对策

1）全面探查。包括地面探查和井下超前探查[3-9]。地面探查主要利用钻探（区域治理探查是其中的一部分）和三维地震等手段对陷落柱、较大落差的断层等构造进行超前探查，为采区和工作面设计、井下防治水工作提供依据；井下探查分工作面掘进阶段和回采前阶段，没有进行区域治理的地段，掘进时利用钻探结合物探手段对工作面掘进前方的地质构造和水文异常区进行超前探查，进行了区域治理的地段，采用超前物探手段（对区域治理发现的异常区域进行钻探验证）进行探查，工作面形成后开采前，利用瞬变、坑透、音频电透视等手段对工作面内部及其周边煤层底板的富水情况进行探查，对探查出的异常区进行钻探验证，必要时进行注浆治理。井上下超前探查的目的之一是寻找导水通道并进行治理，切断奥灰水通过构造突入采掘工作面的通道，消除突水三要素中的突水通道因素。

2）在奥灰顶部通过区域探查和治理切断导水通道。区域超前探查与治理技术是煤矿防治水治理新技术，最早于2012 年应用在峰峰矿区煤层底板水害治理中，经过多年的实践探索，目前基本成熟。区域治理的主导思想是从过去在井下采掘工作面进行防治水工作转向工作面采掘以前进行地面打钻注浆治水，从过去和水害的“短兵相接”变成“远距离打击”，从过去的一面一治理转向多个工作面甚至水平开拓和采区准备开始前的治理，达到采掘工作面不发生大的突水事故的目的。在深部开采厚隔水层条件下，当存在陷落柱、断层等构造时，高承压的奥灰水就有可能突入采掘工作面造成重大突水灾害。这些构造往往从奥灰中向上发育到开采煤层底板或超越煤层，因此，进行区域治理的目的之一就是在奥灰顶部地段施工水平孔时发现这些导水构造并进行超前治理。通过在奥灰中注浆封堵导水构造，切断导水通道，消除突水3 要素中的突水通道因素，从而保证采掘工作面不突大水，不出现淹井事故。峰峰矿区目前进行区域治理的3 对矿井在区域治理中共发现5 个陷落柱，并提前进行陷落柱注浆治理，峰峰矿区开展区域治理工作以后成功地避免奥灰突水事故的发生。区域治理钻孔布置图如图3。

图3 区域治理钻孔布置图Fig.3 Layout of boreholes for regional treatment

3）井下工作面煤层底板注浆加固与改造。当煤层底板裂隙发育，煤层底板存在陷落柱、断层等导水构造时，可进行煤层底板注浆改造与加固，使煤层底板含水层变成弱含水层或相对隔水层，增强煤层底板隔水层的阻水能力，从而阻断奥灰水突入采掘工作面的通道，消除突水3 要素中的突水通道因素。此方法在浅部煤层矿井开采时，是一种十分成熟和有效的手段，但在大采深、高承压水上开采条件下是不能完全保证安全开采的，仅作为补充手段使用。

4）切断水源和减少含水层的富水性。对峰峰矿区深部矿井开采威胁大的奥灰水是防范和治理的对象，目前切断水源的方法就是利用地面区域治理技术在奥灰顶界面以下40 m 范围内对奥灰进行注浆改造，即含水层治理铺底，把奥灰顶部一定范围内的含水层变成弱含水层或相对隔水层，减弱奥灰水突水的3 大因素中的突水水源和突水量2 大因素。奥灰顶部经注浆治理后，即使发生奥灰突水，不至于发生淹没矿井事故。

5）分区隔离开采。切断通道是防止突水淹井最有效的手段，切断水源和减弱含水层的富水性是辅助手段，采取上述手段后，可大大减少矿井突水事故的发生。但为进一步保证安全生产，还需要采取除上述手段外的其他一些手段。分区隔离开采就是辅助手段之一[10]。矿井分区隔离或预隔离工作就是在矿井大巷中选择有利地段建立防水闸墙或建好水闸墙基础、防水闸门等隔离设施，将开采区域人为隔离开来，一旦发生不可控的突水事故，立即进行区域隔离，把突水灾害限定在一定范围内，避免整个矿井被淹。区域隔离分2 种情况：①奥灰水压低于5 MPa的区域，采用水闸门隔离；②奥灰水压高压5 MPa的区域，由于承压高于5 MPa 的水闸门国内还没有定型产品，采用先施工水闸墙基础、并在水闸墙附近备好建墙的石子、片石等措施，一旦发生不可控的奥灰突水快速建墙，把突水灾害控制在一定范围内。2010 年，峰峰矿区黄沙矿发生特大突水灾害后，及时构建了水闸墙，把突水灾害控制到了-500 m 水平，避免全矿井被淹。目前峰峰矿区梧桐庄矿、羊东矿、辛安矿、九龙矿等均建立水平或采区隔离工程，并在隔离工程附近备足了建墙所需物料及配件。

6）增大矿井排水能力，提高矿井抗灾水平。排水能力是矿井防治水工作的最后1 道防线[11]，一旦这道防线被突破，就会造成淹井。因此峰峰矿区深部矿井都十分重视矿井排水能力建设，提出了“突水不淹井，淹井不伤人”的大安全观，建立了强大的排水能力，除建有卧泵排水系统外还增建了潜水泵排水系统[9]。对水文地质条件极复杂的深部矿井，在矿井原排水能力的基础上，成倍地增加矿井排水能力，如梧桐庄矿为提高矿井的抗灾能力并适应梧桐庄矿防治水工作的实际需要，增建了潜水泵排水系统，使矿井排水能力达到9 600 m3/h，九龙矿、羊东矿羊东区的矿井排水能力达到了5 400 m3/h。