王菲

（河南平禹煤电有限责任公司一矿，河南 禹州 461670）

1 概况

1.1 工作面概况

平禹一矿二3-13170采面位于三采区东翼，北临二3-15040采空区和二1-15040采空区，东部为五采区回风下山，西临三采区皮带下山，南部为未开采区域。采面对应地面为庄稼地。采面标高-370～-480 m，地面标高+128～+138 m，埋深498～618 m。采面可采走向长1 070 m，平均斜长167 m，面积164 780 m2。煤层倾角平均29°，煤厚平均1.8 m，预计可采储量0.354 Mt，采面煤层赋存相对稳定，煤层结构简单。工作面风巷西段460 m采用锚杆+锚索支护，其余为U型钢支护，机巷采用锚杆、锚索支护，采煤方法为走向长壁后退式，综采工艺回采，全部跨落法管理顶板。

1.2 煤层底板含水层情况

煤层底板主要含水层有三层，由上至下分别为：寒武系上统灰岩含水层、太原组下段灰岩含水层以及太原组上段灰岩含水层。

（1）寒武系上统灰岩岩溶裂隙含水层

寒武系上统（包含固山组、长山组、凤山组）岩性为灰白色白云质灰岩和白云岩夹薄层泥岩，平均厚度192 m。该层上距二l煤80 m左右，岩溶裂隙发育，为含水丰富但不均一的强含水层，为二l煤层底板间接充水含水层。

（2）石炭系上统太原组下段灰岩岩溶裂隙含水层

由四层深灰色灰岩（L1-4）组成，L4上距二l煤层42 m，是二l煤层底板间接充水含水层，本段厚度10.88～27.40，平均为13.00 m。

（3）石炭系上统太原组上段灰岩岩溶裂隙含水层

主要由L5～L11七层深灰色隐晶质石灰岩组成，夹砂质泥岩和细粒砂岩，该段厚20～37 m，一般厚度27 m，该层上距二l煤层一般12～16 m，富水性弱，导水性弱～中等，是二l煤层底板直接充水含水层。

1.3 工作面不安全因素

目前，机巷和风巷已经贯通，切眼尚在掘进之中。影响工作面安全生产的水文地质问题主要是：

（1）工作面最低点运输联巷处标高-480 m，二3-13170采面附近泄水巷1#钻场实测寒灰水位-200 m，作用在工作面煤层底板的寒灰岩溶承压水的水压为2.8 MPa，带压开采存在底板岩溶水突水问题。

（2）二3-13170工 作 面 风 巷 布 置 于 原 二1-15040工作面机巷下侧，且二1-15040机巷呈下山布置，经分析采空区内存在积水，积水上限标高-357.19 m，下限标高-394.37 m，积水量约13 770 m3，对二3-13170工作面安全生产有很大威胁。

工作面安全生产的潜在水害问题是：带压开采条件下，煤层底板寒灰水通过底板采动破坏裂隙和隐伏导水通道向矿井充水，以及存在老空水害威胁，所以有必要对工作面水害采取综合治理技术，以确保工作面的安全生产。

2 水害综合治理技术介绍

二3-13170工作面水害综合治理技术主要包括：先对工作面进行物探探测，然后根据物探情况，进行底板注浆加固，注浆加固工程结束后采用物探及钻探验证检验底板注浆效果；同时对相邻工作面老空水害通过施工探放水钻孔及验证孔对老空水进行疏放；最后在该采面建立微震监测系统，通过微震监测系统实现水害实时监测预警，确保采面安全回采［1-2］。

3 具体实施步骤

3.1 水害治理技术

（1）物探探测技术［3］

为查明二3-13170工作面煤层底板太灰和寒灰的富水性，于2022年2月12日～17日，委托平禹煤电公司物探队对工作面底板含水层进行了瞬变电磁物探。探测时机、风巷均停电，探测条件满足要求。共取得测线11条，130个点位，共计42 900组物探数据，数量和质量满足探测要求。物探结果确认，二3-13170工作面煤层底板太灰L7-8灰岩、L1-3灰岩和探测深度内的寒灰整体富水性弱，仅局部存在富水性略强的相对富水区。

（2）注浆加固技术实施［4］

①注浆加固工程的原则。对二3-13170工作面采取“前期全面布孔超前疏放，中期物探检验，后期重点加固”的原则，即在二3-13170机巷掘进期间，每隔150 m施工一个疏放水钻场，通过疏放水，降低该工作面承压水水头高度，待工作面贯通前再对有水钻孔进行注浆加固封孔；工作面贯通后立即对工作面底板进行全面物探探测；后期再针对物探异常区进行重点加固；异常区加固完成后，首先进行物探验证，然后施工钻探检验孔，对异常区域进行验证。验证钻孔数量应根据异常区大小确定，但不得少于2个，且终孔间距不得大于30 m，待异常区全部消除后，方可进行回采。

②注浆层位。

一般太原组下段灰岩富水性弱，寒武系灰岩富水性强，L1-3灰岩位于太原组下段的下界面，所以选择该层位作为注浆加固终孔层位。通过对底板注浆加固改造，减弱含水层富水性，增加底板隔水层厚度，并对裂隙进行有效充填，进一步降低水害威胁。

寒灰水位按照2022年2月28日各观测孔的实测水位值以及绘制的水位等值线图加以确定，二3-13170工作面寒灰水位为-200 m，工作面最低点位于设计停采线的机巷处，标高为-480 m，则作用在煤层底板的水压为2.8 MPa。二3煤底板至太灰下段灰岩（L3顶界面）间隔水层平均值为67.7 m，至寒灰（顶界面）之间隔水层度平均值为87.7 m。在未对工作面底板地层进行预注浆加固改造前，寒灰虽然是区域上的强含水层，但L1-3灰也是煤层底板的含水层，并与寒灰有较为密切的水力联系。故隔水层按照二3煤底板至太灰下段灰岩（L3顶界面）间地层厚度计算，其厚度为67.7 m。因此，突水系数为：

故对二3-13170工作面底板地层进行预注浆加固改造。

根据二3-13170工作面底板地层注浆加固设计、实际工程布置及工程量、注浆加固效果检验等因素，注浆钻孔设计深度及加固层位重点是L1-3灰，也包括L5灰和L7-8灰，一些进入寒灰的钻孔，对出水段或漏水段也进行了注浆。对工作面煤层底板下的太原组灰岩含水段或漏水段普遍进行了注浆加固改造。在完成二3-13170工作面底板地层注浆加固工程后，二3煤底板下的地层已普遍成为隔水层，寒灰是未来影响安全生产的关键水源，二3煤至寒灰顶界面上的地层能起到阻隔寒灰水进入矿井、工作面的作用，隔水层厚度可按87.7 m取值，寒灰水位仍取-200 m。突水系数为：

通过底板注浆加固改造后，底板隔水层厚度增加了20 m，降低了底板突水系数，确保了采面能够安全回采。

③注浆加固范围

根据二1-15040、二3-15040工作面采动影响范围，并参考二1-15010工作面微震监测数据分析，工作面底板受采动影响范围为工作面风巷、机巷向外约10 m以内。根据《河南省煤矿防治水管理办法》，要求煤层底板注浆加固及改造含水层的范围必须超过回采工作面采动影响范围外30 m，所以将二3-13170工作面底板注浆加固范围确定为工作面风巷、机巷向外40 m。

④注浆孔参数

注浆加固钻孔参数根据“前期全面布孔、超前疏放，中期物探检验，后期重点加固”的原则进行设计，钻孔按照先施工巷道中间的，再施工两边的顺序进行施工，若遇地质构造区或富水区，对钻孔参数进行适当调整。

⑤注浆方式

一般采用全段连续注浆方式，分孔分次序连续灌注，直至达到终孔压力为止，以最大量进浆，最大范围扩散，最大限度地充填岩溶裂隙为目的。对初始水量大于100 m3/h的钻孔，采取分段注浆，穿透含水层或构造破碎带，最终达到注浆终孔标准。相邻钻孔在含水层段间距小于50 m时，不得同时穿透含水层，以免串浆。若发现井下跑浆时可采取间歇注浆，间歇时间一般为24小时。

⑥单孔注浆结束标准及注浆效果检验

⑦注浆工程量

截至2022年3月27日，在二3-13170工作面机巷和风巷已施工注浆孔55个，钻孔工程量6 248 m，注浆量747 t。

单孔注浆结束标准：实践证明，黏土水泥浆注浆压力越大，扩散的范围越大，对裂隙充填越饱满，形成的结实体强度也就越高，但压力超过一定限度时，容易造成巷道底鼓、跑浆。单孔注浆结束标准为泵量40 L/min以下，孔口压力不得低于水压的2.5倍（7.8 MPa），持续时间为30 min以上。但当发现巷道底鼓或大量跑浆时，采用间歇法或调整浆液比重和注浆参数进行封堵。

施工钻孔注浆结束达到要求后，施工检查孔进行检查，也可利用物探手段进行检测。

3.2 探放相邻工作面老空水措施［5-6］

对与二3-13170工作面相邻的二1-15040采面老空积水通过施工探放水钻孔来消除老空水害的威胁。共施工24个探放水孔，钻探工程量7 550.5 m，累计放水量15 524 m3，大于预计积水量13 000 m3。在风巷西段施工的2个验证孔，水量仅为1 m3/h。在二3-13170工作面回采期间，一直用排放二1-15040老空区的动水作为工作面补给水。

3.3 回采期间的水害预测预警措施

在二3-13170工作面回采期间，除继续对寒灰水位和太灰水位继续观测外，还将安装微震监测系统。根据二3-13170工作面微震监测设计，在风巷、机巷各布置单轴检波器12个，共布置24个检波器，24通道。布置监测分站2台，风巷、机巷各1台（如图1所示）。检波器采用包围方式布置，间距100 m。

图1 二3-13170工作面微震监控点及分站布置

通过微震监测系统，精确地计算出微裂隙的破坏位置、能量以及可能影响的区域，实时监测采动过程中工作面底板含水层破裂引起的微震信号，分析微震事件的空间展布，实现水害实时监测预警，为工作面安全回采和防范水害提供依据。

4 实施效果

1）对二3-13170工作面煤层底板地层进行了预注浆加固，截至2022年3月27日，在二3-13170工作面机巷和风巷已经施工55个注浆孔，钻探工程量6 248 m，注浆量747 t。揭露L7-8灰岩时出水钻孔12个，单孔水量一般小于5 m3/h，最大出水量为10 m3/h。揭露L1-3灰岩时出水钻孔10个，单孔水量一般小于5 m3/h，最大出水量为15 m3/h。揭露寒灰钻孔19个，最大水量仅8 m3/h。从单孔注浆量、单孔出水量、总注浆量等指标来看，二3-13170工作面底板太灰和寒灰富水性均较差，与物探结论基本一致。另外通过采用瞬变电磁物探和钻探两种手段检查验证了注浆效果。因此，在正常条件下，寒灰水不会进入工作面，不会对矿井的安全构成威胁。

（2）对二3-13170工作面北邻的二1-15040已采面的老空积水进行了彻底探放，总放水量为15 524 m3，超出预计的13 000 m3积水量，消除了相邻采面的老空积水的影响。

5 结语

通过对二3-13170工作面进行物探，然后实施底板注浆加固以及对相邻工作面老空水进行探放、疏排，最后建立微震观测系统的水害综合治理技术，彻底消除底板水害及老空水害对工作面安全生产的威胁。该项目的成功应用，使矿井在受底板水害及老空水害威胁的区域能顺利布置采面，并做到安全生产，避免因治理措施不当而造成水害事故的发生。同时该项目主要采用底板注浆加固以及建立微震观测系统来确保采面安全回采，可为制定底板水害治理技术标准提供参考。