趙莊二號井3 號、15 號煤層底板水害評價與防治

周 璐

（晉能控股裝備制造集團趙莊二號井，山西 長治 046605）

0 引 言

根據統計數據，含有特殊地質構造的位置更容易出現工作面底板突水事故[1]。在斷層帶中，巖體強度及變形模量等都會明顯弱于非斷層帶，巖體滲透性也較非斷層帶巖體存在明顯差異，這主要受到巖體裂隙發育情況、膠結程度等因素的影響[2-4]。斷層帶內巖體的應力改變也會對巖體內孔隙水壓力造成影響，使該區域地下水壓力、流量發生變化，從而反饋在巖體的應力變化中，在礦壓及地下水水壓的共同影響下，采動斷層會發生一定錯動活化，同時伴生裂隙[5-7]，在這種含有斷層的區域進行開采作業時，往往更容易出現突水事故。

1.2.2 放棄社保。根據本次調查數據顯示，新房建造未完工的農戶中，未繳納社保的農戶占64.30%。調研訪談中，許多農戶直言社保對于他們來說負擔太重，他們更加愿意把繳納社保的錢花在新房建造、子女讀書上。同時，農戶放棄社保還有兩方面的影響。一是社保一次性繳納要求給農民帶來了一定壓力。根據農村養老保險一次性補繳規定，男滿45歲、女滿40歲的農民最高補繳10年，需交納6萬余元；而男滿60歲、女滿55歲的農民補繳15年，總共補繳9萬余元。二是政府對社保的宣傳不到位，農戶對社保了解片面，甚至認為社保是可有可無的。

趙莊二號井目前開采3 號煤層，預計剩余可采儲量不足5 年，為保持礦井可持續發展，需要盡早進行下組15 號煤層的開拓延伸工作。15 號煤層底板至奧灰頂界面之間的距離10.4～47.6 m，平均厚度23.52 m，回采過程中底板受采動破壞影響，有效隔水層厚度不足，直接回采發生奧灰突水的可能性較大。底板水害問題將給煤炭開采造成較大的困難。通過對3、15 號煤層水害威脅評價，涌水量預測，并提出可行的底板水害防治方案，為該煤層的水害防治提供幫助，并為施工流程的合理規劃提供參考。

1 工程概況

趙莊二號井位于趙莊煤礦東部刀把形區域內，井田范圍由13 個拐點圈定，井田面積15.431 km2，開采3 號煤層，生產能力為120 萬t/a。依據區域地質資料，區域內地層由老到新，從東至西包括：上元古界震旦系、古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、新生界第三系及第四系。井田大部分區域覆蓋第四系黃土，西部及東南部有少量地層露出，分別為二疊系上統上石盒子組上段（P2s3）地層、二疊系上統上石盒子組中段（P2s2）地層。含煤礦地層以主要包括：石炭系上統太原組、二疊系下統山西組。截止目前，井田共發現陷落柱69 個，其中井巷采掘頭面揭露陷落柱13 個，鉆探揭露的陷落柱有10 個，在采掘過程揭露的陷落柱個體大小差異較大，分布無規律，個別為導水陷落柱。該井田內含水層主要包括：松散層孔隙含水層，基巖風化帶裂隙含水層，二疊系上、下石盒子組及山西組含水層，石炭系上統太原組灰巖巖溶裂隙含水層，奧陶系碳酸鹽巖溶裂隙含水層。

在使用天然火的過程中，人們逐漸學會了把火種保存下來，使它常年不滅，這樣就能夠經常吃上烤熟的食物了。但是火種保存不善總會熄滅，而天火又不是經?？梢杂錾系?，在這種情況下，人們開始考慮，是否能夠自己來制造火或者取得火呢？燧人氏鉆木取火的傳說，就由此而來。

2 底板水害威脅程度評價

2.1 突水危險性評價方法

該煤田處于華北型煤田內部，井下15 號煤以帶壓開采為主要開采方法?，F階段，進行煤礦開采時的承壓安全評價主要通過突水系數進行[8]，該系數由目標煤層隔水底板的水壓同隔水底板厚度作比取得，即：T=P/M，其中，P表示目標煤層隔水底板的水壓大?。∕Pa），M表示隔水底板厚度（m）。

根據承壓開采理論，雖深部位置存在較高壓力的地下水，但受到隔水層的影響，可以承受一定量的水壓值。因此，在實際作業過程中，不需要將該區域水位將至煤層底板位置以下才進行開采[9-10]，從宏觀層面進行分析，在華北煤田中出現的底板奧灰突水的可能性分區問題，可以從以下方面進行考慮：

梔子苷對照品（批號：110749-201410，純度：≥100%）、芍藥苷對照品（批號：110736-201438，純度：≥96.4%）、丹皮酚對照品（批號：110708-201407，純度：≥99.9%）均購自中國食品藥品檢定研究院；甲醇、乙腈均為色譜純，其余試劑均為分析純，水為一級純化水。

Ⅱ區：位于奧灰承壓水面位置以下的區域，但該類型區域的突水系數處于T>0.06 MPa/m 范圍內，屬于較安全區域，在該區域進行開采作業時，應積極進行礦井防治水工作，達標后實施帶壓開采。

Ⅲ區：位于奧灰承壓水面位置以下的區域，突水系數T 處于0.06～0.1 MPa/m 之間，該類型區域為過渡區域，存在較大底板突水風險，一般只能在構造較為簡單的區域進行科學、合理的礦井防治水工作后才可實施帶壓開采。

克氏原螯蝦(Procambarus clarkii)俗稱克氏螯蝦、淡水龍蝦、小龍蝦，原產于美國中部和東部、墨西哥以及古巴，是最具食用價值的淡水龍蝦品種，年產量占整個淡水龍蝦產量的70%～80%。在我國，小龍蝦人工養殖和消費的數量很大。目前，在對蝦的加工中主要以凍蝦仁為主，在加工中產生大量的蝦頭、蝦殼等下腳料，約占蝦體質量的30%～40%[1]，如不及時處理，就會造成環境污染。

2.2 煤層突水系數計算

依據礦井勘探孔及其他鉆孔資料，將3、15 號煤層相關數據代入突水系數公式中，計算得到3 號煤層突水系數區間為0.013 0～0.029 9 MPa/m，15 號煤層突水系數區間0.063 7～0.269 7 MPa/m。通過計算可知，3 號煤層突水系數區間都處于0.06 MPa/m 以下，為較安全區域，可以進行安全開采。但需要注意的是，井田內斷層存在陷落柱較發育情況，礦井存在奧灰巖溶水潰入風險，3 號煤層突水系數由南向北有增大趨勢，井田范圍內東南部最低，西北部最高。15 號煤突水系數在0.063 7～0.269 7 MPa/m，總體上均大于構造發育地段的臨界值0.06 MPa/m。根據突水系數等計算結果對該煤層進行分區，15 號煤層的大多數區域，突水系數處于0.06～0.10 MPa/m 范圍內，為過渡區域，井田西北位置存在部分突水系數大于0.1 MPa/m 的區域，為高危區域；東部部分區域的突水系數小于0.06 MPa/m，為安全區域。

2.3 突水危險性綜合評價

對于3 號煤開采，突水系數均小于0.06 MPa/m，隔水層厚度較大，發生直通式突水的可能性較小，防治工作的開展主要針對構造、裂隙、陷落柱等發育密集的區域進行，在對煤層掘進回采作業前，應對通過多種方式對掘進頭周圍區域及作業面的含水性進行探查，應根據實際需求以注漿加預留隔水煤柱等方式，預防突水事故發生。3 號煤防治水難度總體較低，風險總體可控。

對于15 號煤層來說，其整體突水系數處于0.063 7～0.269 7 MPa/m 之間，煤層大部分區域突水系數大于0.10 MPa/m，即井田都為危險開采區域。當峰峰組頂部存在10 m 以上較厚相對隔水層時，煤層突水系數處于0.040～0.111 MPa/m 之間，大部分區域為過渡區域。煤層到奧灰頂界面厚度范圍為10.4～47.6 m，平均厚度為23.52 m，煤層底板主要包括：太原組底部砂巖、本溪組鋁土質泥巖，上奧陶系峰峰組頂部構成較復雜的相對隔水層，未來15 號煤層開采后，底板破壞帶的形成縮短了15 號煤層至奧灰水之間隔水層的厚度，使得奧灰突水事故的發生可能性進一步提高，同時根據放水試驗的結果，奧灰含水層表現為弱~強富水性，若出現突水事故，其將會對礦井的生產安全構成嚴重影響；另外根據目前礦井構造發育的情況，共推斷和揭露斷層261 條，陷落柱56 個，當斷裂構造或陷落柱出現含（導）水情況時對礦井的安全也會構成極大的威脅。

L-阿拉伯糖又稱L-樹膠醛糖、果膠糖，其形態為白色結晶，對熱和酸穩定，廣泛存在于植物中如玉米皮、甘蔗渣[1]。L-阿拉伯糖具有很強的非競爭性抑制蔗糖吸收的功能，能夠減少吸收蔗糖帶來的血清中葡萄糖濃度升高,其甜度是蔗糖的一半，可作為一種新型的低熱量功能型甜味劑[2]。已有研究表明，L-阿拉伯糖具有調節血糖吸收、降脂、促進腸道消化排毒、防止齲齒等功效[3]，近年來不斷被開發應用。

因此，15 號煤層底板奧灰水帶壓開采突水概率相對較高、突水危險性相對較大、煤層進入帶壓開采區時必須采取科學合理防治措施：包括對垂向導水構造的超前探測、注漿封堵加固及改造，底板薄弱帶的注漿加固和改造，并且進行水害實時監測及預警預報，配合足夠的防排水系統和合理的應急預案，同時必須嚴格按照《煤礦防治水細則》中第七十條，結合實際情況，通過實施地面治理、井下注漿、含水層改造、填充開采等方法，將突水系數值降到安全值以下，方可實現15 號煤層的安全帶壓開采，對危險區進行帶壓開采。

3 礦井涌水量預計

3.1 3 號煤涌水量預計

對于礦井的掘進階段來說，其主要開展的防治水技術工作包括：掘進頭前部位置的導水構造探測及對應的治理。步驟如圖1 所示。

式中：Q為預計涌水量；Q1為已知礦井的涌水量；礦井正常涌水量為97.9 m3/h，最大涌水量為175 m3/h；F0為預計礦井開采面積m2；預計2022 年底已回采面積為：193 097 5 m2；F為已知礦井開采面積m2；目前已回采面積為：1 555 000 m2；為同水平開采，為1；

3.重視法制環境的建設。健身休閑產業供給效率和質量的提升離不開體育、旅游、文化、教育、金融、稅務、國土等相關部門的聯動與監管。須完善健身休閑產業的市場準入和退出機制，制定行業規范和服務質量標準，全面提升供給主體的服務水平。還須加強對健身休閑企業的監管力度，特別是健身器械設備安全的監管，以及高危險性項目的安全保障。另外還要重視消費者權益保護，開通多種消費維權渠道，提高維權處置能力和行政效率。

對于巷道以及工作面掘進作業時的防治水工作不僅要對頂板含水層進行檢測及預疏放以外，還需要對掘進頭前方位置的導水構造實施探查，并進行治理；在開始工作面回采作業前，主要的防治水工作以作業面內部、頂部的含水地質異常體情況進行監測并實施治理；在進行工作面回采作業時，不僅要持續進行常規水文地質監測，還需要針對礦井內較為薄弱區域進行突水監測及情況預測。

未來3 年開采3 號煤層，水文地質條件相似，開拓方式、采煤方法和生產能力不變，通過計算結果可預測未來3 年內礦井正常涌水量大小為121.6 m3/h，最大涌水量為217.3 m3/h。

Ⅳ區：位于奧灰承壓水面位置以下區域的突水系數處于T>0.1 MPa/m 范圍內，該類型區域為危險區域，具有極高的底板突水事故發生概率，一般只能通過疏水降壓、底板加固等方式對該區域進行減壓處理，待突水系數T 降低至0.1 MPa/m 以下后，才能在具有充足安全措施的情況下進行帶壓開采。

3.2 15 號煤涌水量預計

開采15 號煤時，在上部3 號煤采空區積水提前疏干的前提下，礦井涌水量主要由兩部分組成，一是來自頂板的薄層灰巖含水層，二是底板奧灰水。本次涌水量預測僅針對頂板太灰水進行預測，底板奧灰水為突水水量具有不可預測性。

15 號煤位于K2 灰巖含水層下部，開采必定將疏干頂板灰巖水，假設以15 號煤首采工作面等面積的區域為研究區域，采用“大井法”對煤層頂板灰巖水進行預測，選用《煤礦防治水手冊》中承壓轉無壓完整井礦井涌水量計算公式，計算參數以太原組灰巖含水層水文孔抽水試驗時計算所得數據。

矩形大井概化：

式中：Q為預計礦井涌水量，m3/d；K為含水層滲透系數，m/d；M為煤層頂板以上導水裂隙帶高度范圍內含水層厚度，m；H為為含水層平均水位至含水層底板平均標高的距離；H為含水層的平均殘余水頭，疏降后取0m；S為為含水層水位平均降深，m。R0為礦井排水的引用影響半徑，R0=R+r0，m；R為影響半徑，m；r0為大井引用孔徑，m；a、b為矩形大井的長寬；η為系數，取1～1.18。

太灰灰巖含水層水位取目前長觀孔的水位平均值，即＋730 m，含水層底板標高取平均＋450 m，灰巖含水層厚度以平均值進行計算，即18.54 m（K2～K6），滲透系數K 使用田家莊、東風井、1、2、3 號孔太灰含水層抽（放）水試驗數據平均值（剔除個別異常數據）0.147 6 m/d，此時要把太灰水疏干，降深S＝+730 m-(+450 m)＝280 m。預測范圍暫定為井田西北翼所覆蓋的區域，面積約170 萬m2。15 號煤層頂板水疏降水量預測計算參數見表1。

Ⅰ區：位于奧灰承壓水面位置以上的區域，其為不帶壓區域，一般不會發生底板奧灰突水問題。

表1 15 號煤頂板灰巖含水層涌水量計算參數表

根據礦井涌水量計算公式，地下水水位降至含水層平均底板時，礦井正常涌水量為592 7.2 m3/d（247 m3/h），據3 號煤礦多年涌水量統計資料，3 號煤最大、最小涌水量之比可達1.79，預測15 號煤最大涌水量時，同樣采用該比值1.79，則15 號煤最大涌水量為106 09.7 m3/d（442.1 m3/h）。15 號煤尚未批準開采，暫無采掘規劃，待采掘規劃確定，采區邊界劃定之后，可利用太灰含水層的相關參數采用大井法預測目標區域的涌水量。

修訂后的PDCA量表，總量表的Cronbach’s α=0.77，其中，“使用象征有死后生活詞匯的傾向”分量表的Cronbach’s α=0.73， “使用描述逝者心理狀態詞匯的傾向”分量表的Cronbach’s α=0.88。

4 采掘期間防治水技術方案

可以說，評價理論幫助我們從詞語的角度分析人際意義，而篇章格律與評價理論的結合則幫助我們從篇章結構的角度分析人際意義。

4.1 掘進期間的防治水方案

結合趙莊二號井涌水資料分析，礦井涌水主要來自3 號煤層頂板之上K、K8、K10 砂巖含水層水及大氣降水和地表水滲透。礦井正常涌水量71.7～135.7m3/h，平均97.9 m3/h，礦井最大涌水量為175 m3/h。礦井3 號煤涌水量預測采用比擬法求解：

圖1 巷道防治水技術步驟框圖

現階段，對巷道掘進頭前部位置導水構造進行探測的方法主要以直流電法超前探測技術實現，并通過鉆探進行探測結果的驗證。在井下數據采集工作，主要通過點源三極裝置實現，其中無窮遠電極并不會對巷道內的測量電極造成較大影響，因此可以將此電池看做點電源電場。在進行探測時，供電電源需要置于巷道中，使得此電場分布呈現為全空間分布，故可通過全空間電場理論對探測所得的數據進行處理、分析、解釋。根據近年來的應用，超前探測距離在100 m 左右。

在開展巷道掘進作業時，需要嚴格遵守“有掘必探、先探后掘”的作業規范，需要對掘進頭前側約80 m 有效距離進行超前探測。在探測結果顯示無異常的情況下，開始掘進作業，但仍需要保留20 m 超前探測距離。在探測結果出現異常的情況下，需要對異常出現的原因進行全面分析，判斷對應的地質構造類型，并進行孔探，以確定地質構造具體的含水性、導水性及對作業的威脅程度等。在打鉆水孔探查時若發現煤巖松軟、片幫、來壓、鉆孔中水壓、水量突然增大，頂鉆等情況時，需立即停止作業，但不可直接將鉆桿拔出。在通過物探方法對異常構造區進行確定后，需要再使用打探水孔的方式對其進行二次探測及驗證。對于探水孔需要進行控水裝置的安裝，控水裝置需要適應區域水壓。在探放水量較大的情況下（大于10 m3/h），需要通過此潭水孔實施放水試驗，完成后進行注漿封堵，隨后開展掘進作業；在探放水量較小的情況下（小于10 m3/h），可以直接開展掘進作業，但需要對該探水孔的水壓和水量進行持續監測。

4.2 回采期間的防治水方案

工作面回采的水害防治主要為物探和鉆探結合，以超前物探的方式對前側情況進行探查，并輔以超前鉆探對物探結果進行二次驗證，根基探測結果對異常地質體施以科學、合理的防治方案。從作業時間方面劃分，回采階段的防治水工作主要劃分為作業前、作業中等階段，不同階段實施不同的防治方法。步驟如圖2 所示。

圖2 巷道及采掘工作面水害防治技術框圖

在開始工作面回采作業前半年內，應當通過多種類型的物理探測方法對工作面的內部、頂面、地面進行全面探測，對工作面圍巖的構造情況、富水性、異常構造體位置等進行了解；在開始工作面回采作業前，通過物探確定的富水區域、異常構造等都需要通過鉆探的方式進行驗證，若為富水區需要對鉆孔實施注漿封堵。對于水流較大的探水孔，需要在采動時特別注意防止其被進一步破壞，應積極實施注漿封堵、加固等措施進行處理。對于下組煤的開采，當底板隔水層厚度無法阻抗奧灰水壓時，應考慮對奧灰進行區域治理；在實施工作面回采作業時，需要對煤層底板的奧灰含水層水位情況進行持續監測，若出現異常信號，需要及時停止作業，對異常情況進行全面分析，在排除風險后再開始作業；對于作業過程中出現不影響正常作業的突水點位，僅實施排水措施即可繼續作業；若其對正常作業造成影響，需要對突水點出現的原因進行分析，并進行注漿封堵，以確?；夭勺鳂I的安全進行；工作面回采作業時，需要持續對物探過程中發現的異常位置進行監測，特別關注工作面回采作業區域內的異常位置；在進行工作面回采作業時，進行突水情況預測及預報是很關鍵的工作，一般情況下工作面出現突水前都會出現明顯的征兆，因此需要對作業過程中出現的各種異常情況予以高度重視，需要構建完善的異常情況匯報機制，若工人在施工過程中發現異常情況，需要及時向班長進行匯報，由班長初步確定情況后向技術部門匯報，提升異常情況處置效率。

第三，社會保障機制不健全。目前東營市農村社會保障體系和農業風險保障機制很不完善，不利于農村一、二、三產業的正常融合與發展。

5 結 語

1）通過對應數據計算出3 號煤層底板突水系數范圍為0.013 0～0.029 9 MPa/m，其整體低于構造發育地段臨界值0.06 MPa/m；15 號煤層突水系數范圍為0.063 7～0.269 7 MPa/m，其整體高于構造發育地段的臨界值0.06 MPa/m；由于峰峰組頂部存在相對隔水，因此15 號煤層突水系數變化范圍最終確定為0.040～0.111 MPa/m 之間，總體位于過渡區；15 號煤開采需采取專門的水害防治工程與配套技術措施；

2）預計未來3 年，3 號煤礦井中正常涌水量為121.6 m3/h，最大涌水量為217.3 m3/h；15 號煤（預計范圍為西北翼盤區）正常涌水量為247 m3/h，最大涌水量為442.1 m3/h。

3）隨著礦井采礦作業的持續進行，作業位置的地質條件復雜度將進一步提升。未來，趙莊二號井中，水害問題將會是影響礦井持續發展的關鍵性因素之一，會對巷道設計、采掘等作業造成嚴重影響。所以，對該礦井的水害治理刻不容緩，特別對于礦井底板水害問題進行的研究，根據研究結果結合實際情況給出科學、合理的水害防治辦法及依據，確保井下作業的安全和礦井的持續發展。