峰峰礦區深部煤層開采水害問題及防治對策

王鐵記，王子龍

（1.冀中能源峰峰集團有限公司，河北 邯鄲056107；2.煤炭科學技術研究院有限公司，北京100013）

峰峰礦區地質和水文地質條件極其復雜[1]，是全國有名的大水礦區，奧灰突水一直是困擾和威脅煤礦安全生產的突出問題。經過多年開采，礦區淺部煤炭資源逐步枯竭，目前多對礦井的煤層開采進入了深部，部分礦井開采深度已達千米。深部煤層開采條件更加復雜，煤巖體處于高地應力、高地溫、高巖溶水壓和強烈開采擾動的復雜地質力學環境中，煤層開采受底板奧灰突水威脅更為嚴峻，淺部煤層開采時傳統的防治水技術方法已經不能適應深部開采的需要。10 年來，峰峰礦區發生了多起深部礦井煤層開采奧灰突水事故，其中淹沒礦井4 對，造成了巨大的經濟損失。因此，研究深部煤層開采面臨的水害問題并制定防治對策就顯得十分必要。

1 礦區地質和水文地質條件

峰峰礦區煤系地層為石炭二疊系，主采煤層為二疊系2 號煤和石炭系4 號煤，兩煤層分別距離煤系基底奧灰強含水層140、100 m。礦區奧灰含水層是威脅礦井開采的主要含水層，具有厚度大（500～600 m）、補給面積大、彈性儲水量大、水位高、富水性不均一等特點。礦區內斷層發育，褶皺以單斜構造為主，個別礦井背向斜發育，煤層底板較破碎。截止到2019 年底，礦區內各礦共揭露陷落柱100 多個，陷落柱大小懸殊、形狀各異、發育高度差異明顯，大部分發育到開采煤層以上，極個別隱伏于煤層底板以下，長軸直徑最小僅幾米，最大可達500 m，一般數十米，形狀多為近圓形和橢圓形，少數呈長方形或不規則形狀，多數不導（含）水。由于礦區構造發育，煤系基底的奧灰水常常沿構造突入礦井采掘工作面，嚴重威脅著礦井的安全開采。

2 深部煤層開采面臨的水害問題

隨著礦井煤層開采逐步向深部延伸，面臨越來越顯著的與淺部開采不同的各類安全問題，主要表現在原巖應力與構造應力不斷升高、圍巖體塑性增大，在開采過程中導致礦山壓力不斷增加，產生較為劇烈的壓力變化,巷道底鼓嚴重，回采工程中初次來壓和周期來壓的步距變小，來壓顯現程度明顯。與此同時，深部煤層開采水文地質條件日趨復雜，煤層底板承受的奧灰水壓在7.0 MPa 以上，個別礦井甚至達到11.0 MPa，開采時煤層底板變形嚴重，底板破壞深度異常增大，如果煤層底板存在隱伏的陷落柱、斷層等構造，就容易發生特大突水事故。礦壓顯現明顯時，出現煤層底板裂隙面狀分散性突（涌）水，上述情況隨礦井延深將不斷加重。

2.1 底板奧灰突水的途徑和特點

1）陷落柱突水。峰峰礦區陷落柱普遍發育，且多數分布在淺部礦井，在淺部煤層開采時，揭露了大量的陷落柱，但揭露的陷落柱均充填密實，不導（含）水。陷落柱在深部礦井成零星分布，但深部礦井開采發生的4 起奧灰突水淹井事故中的3 起事故，是由發育于煤層底板以下的小型隱伏陷落柱（陷落柱長軸直徑不超過20 m）造成的，九龍礦陷落柱突水示意圖如圖1。小型隱伏陷落柱發育層位低，位于開采煤層以下，直徑小，在原始狀態下甚至可能不含（導）水，目前的鉆探、三維地震和其他物探技術提前探知難度大，但在深部采動影響下，由于煤層底板破壞深度大，再加上陷落柱本身就是薄弱面，在高礦壓和高水壓的聯合作用下，極易成為導水通道而發生奧灰突水。

圖1 九龍礦陷落柱突水示意圖Fig.1 Schematic diagram of water inrush from collapse column of Jiulong Mine

2）斷層突水。峰峰礦區礦井斷層發育，對生產的影響較大，斷層也是潛在的突水通道。在深部開采條件下，由于礦壓大，在高礦壓的作用下斷層極易活化造成滯后突水。1995 年，峰峰礦區在建的深部礦井梧桐莊礦掘進井底大巷時揭露1 條落差7 m的小斷層，過斷層數天后發生了34 000 m3/h 的奧灰水特大突水事故，造成17 人工亡。

3）煤層底板裂隙突水。除陷落柱突水和斷層突水外，峰峰礦區深部煤層開采的梧桐莊礦和九龍礦發生了多起奧灰水通過煤層底板裂隙突出事故，尤其是工作面開采的推進長度與工作面斜長大致相等時，煤層底板容易突水。突水事故的發生是由于深部煤層開采底板巖層產生的超深破壞帶與奧灰承壓水導升帶溝通造成的，奧灰突水后雖然沒有造成淹井事故，但對工作面的開采造成了一定的影響。裂隙突水示意圖如圖2。

圖2 裂隙突水示意圖Fig.2 Schematic diagram of fissure water inrush

2.2 深部煤層開采存在的防治水問題

1）突水系數安全評價方法在深部存在局限性。目前煤礦防治水采用的突水系數[2]安全評價方法是20 世紀80 年代初提出的，也是《煤礦防治水細則》中煤層回采工作面安全評價采用的主要方法。該方法是通過統計、分析多次突水資料而得出的，在淺部礦井防治水安全評價中起到很好的作用，是淺部礦井煤層開采防治水方面最有效的評價方法。但是突水系數安全評價方法也有一定的缺陷，該方法只采用水壓和隔水層2 個因素進行安全評價，在淺部礦井簡單的開采環境下適用性很好，但在深部礦井圍巖的地質力學環境、圍巖應力條件、高礦壓條件和高水壓條件下開采破壞與淺部開采有很大的不同，突水系數法安全評價方法難以適應深部開采。在深部煤層回采工作面發生的多起突水事故中，突水系數并沒有超出評價的安全范圍仍發生了突水，說明突水系數安全評價方法在深部開采中具有局限性。

2）存在厚隔水層無構造突水問題。峰峰礦區目前開采的2 號和4 號煤層距離奧灰含水層較遠，屬于厚隔水層上帶壓開采。在淺部煤層開采中，在煤層底板完整條件下一般不會發生突水事故，發生突水的部位往往存在斷層等構造。但在深部煤層開采中，由于煤層底板的超深破壞再加上奧灰高水壓的作用，發生了多起煤層底板無構造突水。峰峰礦區九龍礦自4 號煤開采以來，所有工作面都發生了煤層底板奧灰突水事故，大部分突水部位煤層底板完整，不存在陷落柱、斷層構造，煤層底板出水前，工作面底鼓，回采支架被壓死，隨后煤層底板出現裂隙出水并達到峰值，然后逐步衰減。出水的頻率與周期來壓具有同步性。

3）構造活化突水問題突出。峰峰礦區陷落柱發育，在淺部開采中，所揭露的陷落柱均不含（導）水，甚至在開采過程中為了工作面連續推進，直接在陷落柱中推采。峰峰礦區深部礦井陷落柱不發育，偶爾揭露，但發生了3 起位于開采煤層底板以下、陷落柱頂部距離煤層底板43～60 m 的隱伏小型陷落柱突水事故。這些陷落柱在開采前都進行了探查，由于采前陷落柱不含水并沒有提前發現，但開采到陷落柱位置后，在采動影響、高礦壓和高水壓的聯合作用下，陷落柱發生活化發生了滯后突水淹井事故。如峰峰礦區梧桐莊礦182306 工作面在開采前進行的煤層底板探查和注漿加固工程中，未發現陷落柱和水文地質異常，但工作面開采時發生了特大奧灰突水事故，后經堵水鉆探工程證實，隱伏陷落柱頂部距離煤層底板60 m 左右，為1 個隱伏的小型陷落柱。

4）傳統的煤層底板注漿加固方法無法避免煤層底板突水。煤層底板注漿加固及改造方法在淺部煤層底板防治水中得到了成功的應用，是煤層底板水害防治最有效的方法之一，但該方法在深部煤層開采中實用性大大降低，在采取了煤層底板注漿加固的多個工作面仍不能避免奧灰突水事故的發生。

3 深部煤層開采突水機理

1）裂隙突水機理。正常巖層煤層底板突水不外乎薄隔水層的整體破壞和厚隔水層的水壓裂導升破壞2 種模式。由于峰峰礦區開采的2 號和4 號煤層距離奧灰含水層較遠，薄隔水層突水模式在峰峰礦區深部煤層開采中不存在。對于淺部隔水層厚度較大且完整的煤層底板，一般具有足夠的強度以克服承壓水對煤層底板的剪切破壞，不會發生突水。但是對于深部巖體所處的應力場而言，隨著埋深的增加，地應力場發生變化，垂向和水平主應力相應變大，當主應力作用于底板巖層時，會在橫（縱）向產生破壞，尤其在煤層開采后，煤層底板巖層的原始應力平衡遭到破壞，形成煤層底板采動破壞帶，泄壓后上部垂向應力解除，導致原巖三向應力狀態不平衡，巖體的有效應力降低，形成剪切破壞產生裂隙。當奧灰水的壓力大于巖層的最小主應力時，裂隙帶擴張，當和上部煤層底板破壞帶溝通時，就會形成管涌，使奧灰水向上導升而突水。

2）陷落柱、斷層突水機理。陷落柱、斷層本身就是薄弱帶，在高礦壓、高水壓的聯合作用下，煤層底板產生超深破壞、構造容易活化而突水。

4 防治對策

1）全面探查。包括地面探查和井下超前探查[3-9]。地面探查主要利用鉆探（區域治理探查是其中的一部分）和三維地震等手段對陷落柱、較大落差的斷層等構造進行超前探查，為采區和工作面設計、井下防治水工作提供依據；井下探查分工作面掘進階段和回采前階段，沒有進行區域治理的地段，掘進時利用鉆探結合物探手段對工作面掘進前方的地質構造和水文異常區進行超前探查，進行了區域治理的地段，采用超前物探手段（對區域治理發現的異常區域進行鉆探驗證）進行探查，工作面形成后開采前，利用瞬變、坑透、音頻電透視等手段對工作面內部及其周邊煤層底板的富水情況進行探查，對探查出的異常區進行鉆探驗證，必要時進行注漿治理。井上下超前探查的目的之一是尋找導水通道并進行治理，切斷奧灰水通過構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）在奧灰頂部通過區域探查和治理切斷導水通道。區域超前探查與治理技術是煤礦防治水治理新技術，最早于2012 年應用在峰峰礦區煤層底板水害治理中，經過多年的實踐探索，目前基本成熟。區域治理的主導思想是從過去在井下采掘工作面進行防治水工作轉向工作面采掘以前進行地面打鉆注漿治水，從過去和水害的“短兵相接”變成“遠距離打擊”，從過去的一面一治理轉向多個工作面甚至水平開拓和采區準備開始前的治理，達到采掘工作面不發生大的突水事故的目的。在深部開采厚隔水層條件下，當存在陷落柱、斷層等構造時，高承壓的奧灰水就有可能突入采掘工作面造成重大突水災害。這些構造往往從奧灰中向上發育到開采煤層底板或超越煤層，因此，進行區域治理的目的之一就是在奧灰頂部地段施工水平孔時發現這些導水構造并進行超前治理。通過在奧灰中注漿封堵導水構造，切斷導水通道，消除突水3 要素中的突水通道因素，從而保證采掘工作面不突大水，不出現淹井事故。峰峰礦區目前進行區域治理的3 對礦井在區域治理中共發現5 個陷落柱，并提前進行陷落柱注漿治理，峰峰礦區開展區域治理工作以后成功地避免奧灰突水事故的發生。區域治理鉆孔布置圖如圖3。

圖3 區域治理鉆孔布置圖Fig.3 Layout of boreholes for regional treatment

3）井下工作面煤層底板注漿加固與改造。當煤層底板裂隙發育，煤層底板存在陷落柱、斷層等導水構造時，可進行煤層底板注漿改造與加固，使煤層底板含水層變成弱含水層或相對隔水層，增強煤層底板隔水層的阻水能力，從而阻斷奧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。此方法在淺部煤層礦井開采時，是一種十分成熟和有效的手段，但在大采深、高承壓水上開采條件下是不能完全保證安全開采的，僅作為補充手段使用。

4）切斷水源和減少含水層的富水性。對峰峰礦區深部礦井開采威脅大的奧灰水是防范和治理的對象，目前切斷水源的方法就是利用地面區域治理技術在奧灰頂界面以下40 m 范圍內對奧灰進行注漿改造，即含水層治理鋪底，把奧灰頂部一定范圍內的含水層變成弱含水層或相對隔水層，減弱奧灰水突水的3 大因素中的突水水源和突水量2 大因素。奧灰頂部經注漿治理后，即使發生奧灰突水，不至于發生淹沒礦井事故。

5）分區隔離開采。切斷通道是防止突水淹井最有效的手段，切斷水源和減弱含水層的富水性是輔助手段，采取上述手段后，可大大減少礦井突水事故的發生。但為進一步保證安全生產，還需要采取除上述手段外的其他一些手段。分區隔離開采就是輔助手段之一[10]。礦井分區隔離或預隔離工作就是在礦井大巷中選擇有利地段建立防水閘墻或建好水閘墻基礎、防水閘門等隔離設施，將開采區域人為隔離開來，一旦發生不可控的突水事故，立即進行區域隔離，把突水災害限定在一定范圍內，避免整個礦井被淹。區域隔離分2 種情況：①奧灰水壓低于5 MPa的區域，采用水閘門隔離；②奧灰水壓高壓5 MPa的區域，由于承壓高于5 MPa 的水閘門國內還沒有定型產品，采用先施工水閘墻基礎、并在水閘墻附近備好建墻的石子、片石等措施，一旦發生不可控的奧灰突水快速建墻，把突水災害控制在一定范圍內。2010 年，峰峰礦區黃沙礦發生特大突水災害后，及時構建了水閘墻，把突水災害控制到了-500 m 水平，避免全礦井被淹。目前峰峰礦區梧桐莊礦、羊東礦、辛安礦、九龍礦等均建立水平或采區隔離工程，并在隔離工程附近備足了建墻所需物料及配件。

6）增大礦井排水能力，提高礦井抗災水平。排水能力是礦井防治水工作的最后1 道防線[11]，一旦這道防線被突破，就會造成淹井。因此峰峰礦區深部礦井都十分重視礦井排水能力建設，提出了“突水不淹井，淹井不傷人”的大安全觀，建立了強大的排水能力，除建有臥泵排水系統外還增建了潛水泵排水系統[9]。對水文地質條件極復雜的深部礦井，在礦井原排水能力的基礎上，成倍地增加礦井排水能力，如梧桐莊礦為提高礦井的抗災能力并適應梧桐莊礦防治水工作的實際需要，增建了潛水泵排水系統，使礦井排水能力達到9 600 m3/h，九龍礦、羊東礦羊東區的礦井排水能力達到了5 400 m3/h。

5 結 語

深部煤層開采防治水工作不同于淺部，深部煤層開采在高礦壓和高水壓的聯合作用下極易發生突水事故，但目前淺部礦井傳統的防治水技術已經不能滿足深部煤層開采的需要，因此，必須有新的防治水技術解決深部煤層開采突水問題。在揭示深部礦

井突水機理的基礎上，采取區域治理切斷奧灰突水通道、弱化奧灰含水層頂部的富水性，是深部煤層開采防治突水最有效的途徑之一。做好區域治理工作，再輔之于其它手段，深部煤層開采防治水安全是有保證的, 峰峰礦區深部煤層開采利用區域治理技術就實現了多年的防治水安全生產。