华北石炭二叠纪煤田受底板奥灰水威胁,特别是大部分矿井转入深部开采或开采下组煤后[1],威胁与日俱增。邯邢、开滦、山东甚至两淮矿区,绝大部分矿井进入深部带压开采区域,按《煤矿安全规程》[2]已达到突水系数允许开采的上限,大量资源面临呆滞。部分矿井为解放优质资源,采取了传统的浅部底板加固技术[3]甚至区域治理技术[4],虽大大降低了突水风险,但已不能完全消除底板突(涌)水。因此,针对深部底板水[5-6],需要突破传统观念,摈弃浅部防治水理念,提出全新的深部底板奥灰岩溶水防治理念、思路和技术对策。
已有采矿实践表明[3-7],深部底板水害与浅部差异很大,深部以大面积分散出水为主要特征,非集中通道出水,采用传统井下底板注浆技术封堵治理,有效果但不能完全控制。深部突水出水点多面广,底板钻孔注浆就需要将工作面底板全部加固改造,甚至要扩展到工作面外侧,工程量巨大,且不能切断水源;只针对出水区域注浆,由于源头并未切断,注浆区域出水封堵了,但注浆点周围又会突破形成新的出水点,水量从一个点转移到了另外一个点,这是水源源头未切断的后果,其治理不能解决根本问题。即便把防治区域从工作面扩大到采区甚至更大范围,实施超前区域治理,实际上也不能确保不再出水,梧桐庄和邢东等矿都已经发生过类似情况[8-9],在完成奥灰定向分支水平钻孔注浆治理后[10],工作面回采过程中仍然出现底板突水事故。
为此,笔者针对邯邢矿区深部底板奥灰及薄灰典型岩层结构及充水条件,为实现深部底板杜绝出大水、控制小型涌水的目标,以梧桐庄矿工程实践为基础,从防治思想理念、具体实施方案、技术质量控制流程等方面,进行了有益的尝试,以期为深部开采底板水防治提供理论支持和技术借鉴。
1 深部底板奥陶系及薄层灰岩水害
1.1 底板隔水层分类
为规范底板隔水层厚薄之分,本文依据隔水层厚度(M)、底板破坏带高度(hp)与奥灰导升带高度(hd)之和以及突水系数(T)将底板类型划分为极薄、薄、中、厚及巨厚5类隔水层。
(1)当隔水层厚度在20 m以内时,满足≤底板破坏带高度与奥灰导升带高度之和,突水系数>0时,称为极薄隔水层,即0<M≤hp+hd<20 m,T>0。煤层底板属于此类型时,只要带压开采,也就是具有承压水压力,即可发生底板涌(突)水。
(2)当隔水层厚度<60 m且大于底板破坏带高度与奥灰导升带高度之和,突水系数>0.06 MPa/m时,称为薄隔水层,即hp+hd<M≤60 m,且T>0.06 MPa/m。按照薄板理论以及突水系数统计规律[2],隔水层厚度在50～60 m以内,底板突水遵从薄板理论且突水系数适用于其突水危险性评价,故隔水层厚度采用60 m为临界值[2]。底板属于此类型时,突水危险性高。
(3)当隔水层厚度<60 m且大于底板破坏带高度与奥灰导升带高度之和,突水系数≤0.06 MPa/m时,称为中隔水层,即hp+hd<M≤60 m,且T≤0.06 MPa/m。底板属于此类型时,突水危险性低。
(4)当隔水层厚度>60 m且满足大于底板破坏带高度与奥灰导升带高度之和,且突水系数>0.1 MPa/m时,称为厚隔水层,即60 m<M(hp+hd<M),且T>0.1 MPa/m。底板属于此类型时,虽然具有较高突水危险性,但实际发生突水的几率并不高,除非底板中存在大型构造。
(5)当隔水层厚度>60 m且满足大于底板破坏带高度与奥灰导升带高度之和,且突水系数≤0.1 MPa/m时,称为巨厚隔水层,即60 m<M(hp+hd<M),且T≤0.1 MPa/m。底板属于此类型时,突水危险性及实际发生突水的几率很低,除非底板中存在大型导水构造。
1.2 深部底板奥陶系及薄层灰岩水害概念及突水模式
奥陶系灰岩+厚隔水层夹薄层灰岩+煤层的岩层结构模式是我国石炭二叠系煤田带压开采的典型存在形式。尽管部分区域隔水层巨厚,由于其中夹有薄层灰岩含水层,导致深部开采时突水灾害仍然频发[11-12]。
以邯邢矿区地层为典型代表[8-9,13],构建了厚或巨厚隔水层夹薄层灰岩含水层底板奥灰水害地层结构模式(图1),即巨厚奥灰承压含水层(>600 m)之上覆盖巨厚(>140 m)隔水层岩组,作为主采煤层(2煤)底板,其中巨厚隔水层中包含大青、小青、山伏青和野青等数层间距不等的薄层灰岩含水层(厚度<10 m),形成巨厚隔水层将煤层与基底奥灰分隔的典型煤岩三元结构模式,而薄层灰岩又将奥灰与煤层串连的涌(突)水形式。在此基础上,提出了深部底板奥陶系灰岩及薄层灰岩水害概念及突水模式,即:① 开采煤层埋藏深,已经进入深部开采区域(梧桐庄-500 m水平以下即进入深部,埋深在650 m以上);② 煤层到奥灰之间岩层厚度大,满足厚或巨厚隔水层(60 m以上),且隔水层中存在薄层灰岩含水层;③ 煤层开采受奥灰及薄层灰岩水威胁,奥灰富水性强,水压高,薄层灰岩为奥灰进入煤层采掘空间的传导层和中间储运站,接受奥灰水补给;④ 采掘过程中经常涌(突)水,影响生产,充水水源源于奥灰,但一般经薄层灰岩中转呈面状散流涌(突)出。
图1 巨厚隔水层夹薄层灰岩含水层底板水地层结构模式及治理示意
Fig.1 Stratum structural model of Ordovician limestone and thin limestone under coal seam and control diagram of water inrush from bottom of coal seam
1.3 浅部及深部底板水害特征
通过大量华北型煤田底板突水资料分析对比[13-15],两类水害的主要特征如下。
1.3.1 浅部底板水害特征
(1)实现安全回采的采煤工作面,底板承压水水压在3.0～4.0 MPa以下,底板隔水层厚度一般在35 m以上;或底板厚度在20 m以上,承压在1.5 MPa以下。
(2)发生底板突水最突出的特点,一般隔水层厚度在35 m以下,大部分在30 m 以下,承受水压在3.0～4.0 MPa以下。
(3)浅部底板奥灰突水通道主要为陷落柱、断层等大中型构造形成的集中过水通道。
(4)在浅部和中等采深的开采条件下,突水系数法评价带压开采危险性的适用性很好。
1.3.2 深部底板水害特征
从充水水源、通道、强度、时间、水质五维度总结了深部底板水害特征,概括为充水水源的总源递进、充水通道的面状分散、充水强度的台阶增长、充水时间的滞后出水、充水水源水质的交换吸附,即“中转递进、面状分散、台阶增长、滞后出水、交换吸附”的深部水害特征。
(1)充水水源。夹存于底板隔水层中的薄层灰岩,由于厚度有限,其储水能力有限,但奥灰作为总充水水源,可以源源不断补充薄层灰岩,通过薄灰自下而上逐级中转,渗透扩容递进导升,最终达到采掘空间形成涌(突)水。奥灰水是深部水害的总源头,也是渗透扩容递进导升的总驱动发动机,在高水压作用下,奥灰水压裂扩容,汇集于最底部第1层薄灰中,在其中储集水量能量,继续导升进入第2、第3薄灰中,直至突破煤层底板形成涌(突)水。简言之,即奥灰充水总源头经薄灰“中转递进”形成水害。
(2)充水通道。一般为多点面状分散裂隙带出水,随出水时间推移,会逐渐演变为集中管道式爆发型突水。在无大断层或者陷落柱等大型构造的条件下,仍可导通薄层灰岩水引发奥灰突水。突水多出现在小断层或者断层交叉带、褶曲轴附近以及地应力集中带。即奥灰水总发动机自下而上压裂扩容呈“面状分散”裂隙带出水。
(3)充水强度。出水初期水量由小缓慢增大,由于分散裂隙通道扩展合并连通,涌水量呈阶梯(台阶)状增长,直至形成突水灾害(图2)。最初的出水沿单一裂隙分散涌出,随着采动应力释放,出水点不断增多,涌水冲刷不断加剧,裂隙加宽,多条裂隙连通,逐渐集中形成小型通道,出水呈现首次及前期峰值;通道畅通导致涌水流速增大,冲刷扩容作用不断强化,通道增大,流量加大,流速降低,呈现再一次水量台阶;之后,冲刷扩容循环往复,小型通道逐渐变大,甚至合并,达到含水层极限水压和流量平衡,形成出水的最高峰值点;过了峰值点,视含水层补给条件,可分为保持平稳型和水量下降型,补给不足,涌水量下降,补给充沛,水量将保持峰值一段时间不变。伴随奥灰水对通道不断压裂扩容、冲刷合并,涌(突)水量呈“台阶增长”态势形成水害。
图2 梧桐庄矿“7·25”底板突水涌水量
Fig.2 Dynamic diagram of water inrush volume,“7·25”,Wutongzhuang Mine
(4)充水时间。一般为滞后涌(突)水[3-4],常发生在采掘一段时间(或者推进距离)后,采空区后方底板底臌变形,伴随底板破坏带逐渐出现渗水、滴水、淋水、涌水到突水,多发生在初次或者周期来压期间、工作面回采见方,特别是停采时间较长,或者周期来压期间停采,容易造成应力集中,形成“滞后突水”。
(5)充水水源水质。邯邢矿区深部奥灰水质特征很特别:① 深部岩溶不发育,水动力循环条件迟滞,奥灰含水层水质较差,矿化度高,可达3～4 g/L,甚至5～7 g/L;② 奥灰水质与一般灰岩水不同,以Na或Na·Ca 以及SO4·Cl或Cl·SO4为主,而非Ca或Ca·Na以及HCO3。而在突水过程中,Na或Na·Ca逐渐转变为Ca或Ca·Na,SO4·Cl或Cl·SO4逐渐转变为HCO3,这是由于深部地下水处于还原环境,交换吸附和脱碳酸作用使Ca和HCO3沉淀析出,而Na和SO4或Cl交换进入水中。因此,深部还原环境中奥灰水源“交换吸附”铸就了矿化度高、阳离子以Na或Na·Ca为主的水质特征。
1.4 深部底板奥陶系及薄层灰岩水害致灾机理和评价方法
(1)深部底板奥灰及薄灰水害突水机理(图3)。开采之前,由于围岩应力与水压力平衡,水在裂隙中导升一定高度后处于平衡静止状态;当工作面开采后,上覆岩层的垂向地应力解除,使工作面底板岩层几乎处于二维应力状态,在高承压水压力作用,奥灰水沿裂隙渗透、扩容、压裂,不断向上导升,入侵第1层薄层灰岩后,驱替转换为奥灰中转站,继续向上导升,依次在第2，3，……薄层灰岩中转,直至与煤层底板扰动带及破坏带沟通,形成大面积散流突水。
图3 深部底板奥陶系及薄层灰岩水害致灾机理示意
Fig.3 Schematic diagram of mechanism of water inrush from Ordovician limestone and thin limestone in deep mines
(2)深部底板奥灰及薄灰水害突水危险性评价方法。底板突水都能统一归结为厚板微观压裂导升、薄板(关键层)宏观整体破断导水两种最基本的突水机理。后者的判据为极限弯矩:Mp≥Ms(Mp为实际弯矩; Ms为临界弯矩);前者为力学判据[16-17]:P0>3σ3-σ1-Pp+Rm(P0为岩层水力破裂时的起裂压力;σ3,σ1分别为围岩最小和最大主应力;Pp 为孔隙水压力;Rm为岩石抗拉强度)。依据突水机理及突水案例统计经验,突水系数评价方法适用于“薄板理论”[2]。针对典型奥灰-厚隔水层夹薄层灰岩-煤层的岩层结构模式,隔水层厚度远远超出60 m,突水系数已不适用于此岩层结构模式底板突水危险性评价。对于厚、巨厚隔水层,从理论上讲,厚板整体破断方式不可能发生,在无直通式构造通道的前提下,奥灰水向上输运的方式只有沿裂隙水力压裂导升。因此,深部底板奥灰及薄灰水害突水危险性评价可以采用P0>3σ3-σ1-Pp+Rm。
1.5 深部底板奥陶系及薄层灰岩水害防治关键技术
总结提出了“四位一体”立体网状全时空深部底板奥灰及薄灰水害防治方法,在梧桐庄井田示范实施,效果良好。
(1)“全时空”展现了全时域与全空域四维度奥灰及薄灰水害综合防治的思想理念。“全时域”为防治体系时间链条上,条件评估、探治验补、检验评价、监测保障“四位一体”的技术质量控制流程;“全空域”则是在三维立体空间上,形成了井上和井下立体施工、多层段多层次立体交叉网状地面超前区域治理、井下双目标层段探验补的探、治、验、补防治模式,真正实现了空域上全方位立体交叉网状治理。
(2)全时域“四位一体”技术质量控制流程(图4),在时间轴上全覆盖,从条件预测评估开始,到全方位立体网状探治,再到效果检验评价,直至回采监测保障,形成条件评估、探治验补、检验评价、监测保障“四位一体”完整技术质量流程控制。
图4 深部底板水多层次立体区域治理模式流程
Fig.4 Flow chart of multi-level and three-dimensional regional treatment mode of water inrush from coal floor in deep mining
(3)全空域立体交叉网络探查、治理、验证、补充防治模式(图1，5),“全空域立体”表现在:① 井上和井下立体施工,井上即地面开展区域探查治理,施工顺层分支定向钻孔完成区域探治任务,井下即开展工作面传统底板加固改造,施工传统钻孔检验区域治理效果、探查异常及重点部位补充注浆治理;② 地面区域治理,将单一层位探治扩展为多层段立体交叉探治,例如,针对梧桐庄岩层结构模式,实施了奥灰中双层段(奥灰顶面下40～60 m和20～30 m)顺层分支定向钻探探查和注浆,再加对中间传导指示作用的薄层灰岩进行顺层分支定向钻探探查和注浆,形成立体网状交叉截流奥灰总补给源;③ 传统井下直孔验证探查注浆,顺应井田岩层结构特点,由单一目标层段升级为双层段探验,即在野青和山伏青两个薄层灰岩中进行。总之,该技术针对厚隔水层夹薄层灰岩的深部底板奥灰水害,真正实现了空域上全方位立体交叉网状治理,确保了采掘工作面的安全生产。
2 案 例
2.1 案例概况及技术思路的形成
(1)梧桐庄矿采区及工作面概况。六采区位于梧桐庄井田南翼,有2601,2602,2603,2604等工作面,其中2602为位于六采区中部的首采工作面,走向长度834 m,倾向长度256 m,工作面煤层底板标高为-704.3 ～-775.5 m,煤层厚度为3.7 m,煤层单斜倾角8°～20°,平均14°,工作面内断层较发育,上运输巷及开切眼共揭露断层5条,断层落差H=0.7～4.2 m,均为正断层。采用综合机械化一次采全高工艺采煤。
图5 梧桐庄矿2602工作面区域探查治理示意
Fig.5 Schematic diagram of exploration and regional treatment in,2602 working face,Wutongzhuang Mine
(2)技术思路的形成。2014年梧桐庄矿2306工作面发生“7·25”突水淹井事故,突水量峰值达到11 264 m3/h,分析认为导水通道为隐伏陷落柱(陷落柱顶部距煤层底板100多米)。该工作面回采前已经按照井下底板加固思路,实施了大量钻孔探查并注浆改造底板工程,钻孔几乎覆盖了整个工作面底板,密度之高工程量之大前所未有,但不幸的是仍然发生了底板突水事故。事后原因分析表明,现有的工作面底板加固技术无法探查到底板治理范围以下的大型导水构造[18],需要创新防治水思想,从源头根部探查并治理大型构造才能杜绝突水事故。超前区域治理适逢其时[4],被引进梧桐庄并推广应用,先后选择完成了六采区和八采区治理。经过治理后再未出现大的突水事件,但仍然出现了掘进巷道出水、回采工作面出水,达不到杜绝出大水、控制小型涌水的目标,说明仅针对大型构造探查治理的区域治理方法仍存在缺陷。完成区域治理后,在圈定的回采工作面内,对野青、山伏青进行井下钻探探查验证,结果发现出水量较大钻孔不在少数,表明区域治理拦截底部奥灰水源的效果并未完全实现。为此,为实现拦截奥灰水对上部薄层灰岩的大部分补给量,设计补充区域治理工作量。在奥灰中第1次治理层段(奥灰顶面下40～60 m)之上,选择第2次治理层段20～30 m补充治理,鉴于大青灰岩、山伏青灰岩具有一定厚度(5～6 m)、富水性较强,第3治理层段选择在此薄层灰岩中。由于薄灰位于奥灰与煤层之间,为奥灰水进入煤层的中转储运关键层,因此,对薄灰区域治理是拦截奥灰水向上导升的关键工程。第2，3层段注浆治理后,不同方向的顺层定向分支钻孔形成了多层次立体网状交叉探查治理模式,探查的精度大大提高,陷落柱和大中型断层可以完全控制,采掘工程出大水淹面淹采区淹井隐患基本排除;由于治理为区域性质,中间段大青、山伏青灰岩富水段得到有效封堵改造,也就基本杜绝了奥灰水导升及绕流的可能。3层段区域治理完成后,在工作面再次开展物探和钻探探查验证,出水钻孔数量及涌水量均明显减少,对少量物探异常、出水异常点,重新补充注浆治理,直至完全消除异常。经过工作面安全评价[19-20],即可回采。回采过程中,加强底板监测预警、排水及其他必要配套措施,这样就基本杜绝了底板水患威胁(图4)。
2.2 实施过程
2.2.1 水文地质条件预测评估
分析区域奥灰径流条件、奥灰“三组八段”的富水性特征以及奥灰顶面三带分布情况[5],确定区域治理的范围、目标层位,为区域治理工程方案设计参数选择提供依据。
奥陶系中统石灰岩层可分为“三组八段”,第3含水组位于顶部,埋藏相对较浅,含水丰富,厚度一般103 m,经探查评估,奥灰顶面以下40～60 m和20～30 m两个层段富水性较强,为区域治理施工的理想层段。
薄层灰岩含水层富水性不均匀,局部富水性强;从上到下厚度逐渐增大,水静储量亦增加,野青灰岩平均厚度2.5 m,最大5.4 m,山伏青总厚度平均5.5 m,大青平均厚度5～6 m,最大可达10 m;经评估,3个含水层均可作为顺层钻孔施工层位,野青和山伏青可作为井下验证和补充注浆的理想层位。
2.2.2 全方位立体网状探治(图5)
(1)奥灰顶面以下40～60 m层段超前区域探查治理。按照设计方案对六采区实施超前区域治理,共施工2个主孔,25个奥灰水平分支孔,采用钻孔“羽”状布置,分支孔间距50～60 m,钻孔层位控制在奥灰顶面下40～60 m,完成钻探工程量21 437 m,施工过程中共漏失24次,累计注水泥34 845 t。
(2)井下施工野青、山伏青灰岩钻孔验证区域治理效果。针对物探圈定2602工作面8处野青和山伏青异常区,以及区域治理工程主要泥浆漏失点、注浆量明显增大区域,构造破坏区域,设计了区域治理效果验证孔17孔/2 337 m。实际共施工钻孔106个,完成钻探进尺12 671 m,累计注浆998.77 t。
由于工作面条件复杂,井下钻探异常,对超前区域治理及井下探治工程的效果进行再检验。设计施工70个钻孔穿过野青终孔于山伏青,揭露含水层时,大部分钻孔水量及水温异常,具有奥灰水特征。综合分析验证孔水文数据和放水试验数据,该工作面底板山伏青含水层仍接受奥灰水补给,超前区域治理加井下探治工程未完全切断奥灰垂向补给,需进一步补充地面区域治理工程。
(3)奥灰顶面以下20～30 m层段以及大青、山伏青薄层灰岩层段补充区域探查治理。经优化,奥灰水平分支孔治理层位提高到了奥灰顶面以下20～30 m层段,呈“羽”状或“带”状与原40～60 m层段治理网成斜交交叉布置,大青、山伏青水平分支孔呈“带”状布置,形成空间立体交叉网状加密探查及治理体系。补充工程共施工6个主孔21个分支孔,包括16个奥灰分支孔、1个大青分支孔和4个山伏青分支孔,共完成钻探工程量23 000.9 m,注水泥7 066.5 t,出现漏失20次,最大漏失点1处,注浆量为1 126 t,其余漏失点注浆量均在1 000 t以下。
2.2.3 治理效果检验评价
(1)工作面底板奥陶系灰岩含水层钻探及注浆治理评价。2602工作面开采范围内底板奥灰探查与注浆治理分两期施工,在奥灰顶面以下40～60 m层段“羽”状或“带”状治理的基础上,奥灰顶面以下20～30 m层段作为补充,交叉网状布置,奥灰含水层顶部岩溶裂隙及隐伏导水通道得到了有效封堵,基本改造为相对隔水层,增加了煤层底板有效隔水层厚度,突水系数由工程前的0.072 MPa/m减小为0.053 6 MPa/m,小于临界值0.06 MPa/m,达到了安全带压开采的条件。
(2)工作面底板下伏石炭系薄层灰岩含水层探查与治理评价。① 野青:2602工作面共有106个钻孔揭露野青灰岩含水层,钻孔揭露该含水层时,有74个钻孔出水,占钻孔总数的69.8%,单孔出水量为0.1～50 m3/h,压力为0.35～7.10 MPa,水位为-731.5～-50.7 m,温度为33.0～43.5 ℃。其中单孔出水量>10 m3/h的钻孔26孔;经对野青富水地段(单孔出水量大于10 m3/h)注浆后效果验证,单孔水量均小于10 m3/h,含水层裂隙得到填充,富水性及水力联系进一步弱化。② 山伏青:共有92个钻孔揭露山伏青灰岩含水层,其中有85个钻孔出水,占钻孔总数的92.4%,单孔出水量为1～80 m3/h,压力为2.6～8.8 MPa,水位为-766.5～+113.5 m,温度为36.5～45.2 ℃,其中单孔出水量大于10 m3/h的钻孔15孔;另有地面4支水平分支孔揭露山伏青,共有5处漏失点,总注浆量466 t;对富水段(单孔出水量>10 m3/h)注浆治理后,验证孔水量均<10 m3/h,含水层裂隙得到填充,富水性及水力联系进一步弱化。③ 大青:工作面共有4个钻孔揭露大青灰岩含水层,单孔出水量为10～50 m3/h,压力为7.75～8.90 MPa,水位为-76.4～+123.5 m,温度为39.5～44.8 ℃;经过地面顺层分支孔的注浆治理,富水性及水力联系进一步弱化。
(3)工作面底板物探异常区钻探验证评价。工程完成后,采用瞬变电磁法、并行网格直流电法、电测深、电透视等物探方法进行了综合探测,共圈定8处低阻异常区,各物探低阻异常区均通过井下钻孔验证后排除,其中一处物探异常区验证孔水量较大;回采前,采用简易放水实验评价,共放水33 m3/h,观测孔水压由放水前6.45 MPa降至1.25 MPa。表明野青灰岩含水层补给条件弱,各薄层含水层之间水力联系得到有效控制。
(4)工作面底板隔水层的完整性和稳定性。2号煤底板下距野青37～42 m,距山伏青71～76 m,距大青107 m,距奥灰148 m,隔水层原始状态下岩层完整性较好,通过注浆加固,隔水层强度和稳定性得到提高。
工作面掘进过程中共揭露5条断层,均为正断层,断距0.7～4.2 m。5条断层均由7～9个不等的验证孔揭露并对断层两盘探查和注浆治理,钻孔穿过各断层带期间均未出现掉钻、卡钻现象,也未发现冲洗液漏失,表明断层带原始裂隙不发育,无导水性。经过注浆断层隔水性能得到加强。
(5)突水危险性评价。引用《煤矿防治水细则》中突水系数的计算公式,评价2煤层带压开采突水危险性。治理前,工作面底板与奥灰顶间距148 m,突水系数0.072 MPa/m,<0.1 MPa/m临界值;区域治理后,奥灰顶60 m可以视为隔水层,突水系数0.053 6 MPa/m小于0.06 MPa/m临界值,符合《煤矿防治水细则》有关规定。
(6)工作面外围治理评价。工作面开采范围外围60 m井下钻探表明,运输巷外侧野青灰岩含水层相对富水,经注浆治理及效果检验,检验孔水量均小于10 m3/h;运输巷与开切眼交叉地段外侧山伏青灰岩含水层相对富水,经注浆治理及效果检验,检验孔水量均小于10 m3/h;终采线60 m以外两处山伏青灰岩水温高水压异常,区域治理时注浆7 391 t,已治理完毕。工作面开采范围及外围200 m地段,地面区域治理在奥灰及山伏青灰岩层位未发现大的漏失点,且注浆量均不大。
(7)工作面涌水量预测。2602工作面回采期间,2号煤顶板砂岩水和底板野青及山伏青灰岩水将进入工作面采空区。采用面积比拟法、放水试验水文地质解析法分别预计,顶板正常涌水量为26.5 m3/h,底板野青涌水量为60 m3/h,山伏青为35 m3/h,正常涌水量共计121.5 m3/h,最大涌水量按2倍预计,即240 m3/h。
(8)工作面及六采区排水能力。六采区共有3套排水系统,分别为2602放水巷泵房、六采辅助胶带泵房、六采区泵房。经检验校核,泵房内水仓、水泵、管路及配电最大排水能力600 m3/h,2.5倍于最大涌水量,排水能力完全满足要求。
2.2.4 回采监测保障
(1)由于存在薄层灰岩含水层作为中转指示层,所以在野青和山伏青灰岩含水层中预留钻孔,安装传感器监测水压、水温等参数,配合奥灰及其他薄层灰岩长观孔水文监测,形成水文动态监测系统。运输巷和回风巷各装备3个钻孔观测点、3个长观孔以及排水系统监测点,在回采过程中,均未出现异常。
(2)采用微震系统对底板破坏情况进行动态监测。工作面运输巷和回风巷及开切眼布置微震监测系统监测点12个、监测分站2台,数据传输至调度室,进行分析研判;在回采过程中,出现异常2次,非水文异常。
(3)回采过程中,利用原有矿压观测系统,密切关注初次来压、周期来压及工作面推进到见方时回采工作面及周边涌水点涌水量变化,作为辅助系统监测底板水情变化。
3 结 论
(1)依据隔水层厚度、底板破坏带高度与奥灰导升带高度之和以及突水系数将底板类型划分为极薄、薄、中、厚及巨厚5类隔水层,极薄隔水层0<M≤hp+hd<20 m,T>0;薄隔水层hp+hd< M≤60 m,且T>0.06 MPa/m;中隔水层hp+hd< M≤60 m,且T≤0.06 MPa/m;厚隔水层60 m<M(hp+hd<M),且T>0.1 MPa/m;巨厚隔水层,即60 m<M(hp+hd<M),且T≤0.1 MPa/m。
(2)总结了“深部”底板奥灰水害与“浅部”的差异,建立了奥陶系灰岩+厚隔水层夹薄层灰岩+煤层的岩层结构模式,薄层灰岩为奥灰进入煤层采掘空间的传导指示层和中间储运站,定义了深部底板奥灰及薄层灰岩水害概念及突水模式。
(3)从充水水源、通道、强度、时间、水质五维度总结了深部底板奥灰及薄灰水害特征,概括为充水水源的总源递进、充水通道的面状分散、充水强度的台阶增长、充水时间的滞后出水、充水水源水质的交换吸附,即“中转递进、面状分散、台阶增长、滞后出水、交换吸附”的深部水害特征。
(4)总结提出了深部底板奥灰及薄灰水害突水机理。当工作面开采后,垂向地应力解除使底板呈二维应力状态,奥灰水沿裂隙渗透、扩容、压裂,不断向上导升,入侵第1层薄层灰岩后,驱替转换为奥灰中转储能站,继续向上导升,依次在第2，3，……薄层灰岩中转,直至与煤层底板扰动带及破坏带沟通,形成大面积散流突水;分析认为厚隔水层已不适用于突水系数法,其突水危险性评价可以采用P0>3σ3-σ1-Pp+Rm。
(5)创新了全时域与全空域四维度奥灰及薄灰水害的“全时空”综合防治理念,实现了空域上井上下相结合、奥灰及薄灰多层次区域治理与井下薄灰钻孔探治验相结合的全空间多层次立体网状防控布局,建立了条件评估、探治验补、检验评价、监测保障的全时域“四位一体”技术质量控制流程,形成了“四位一体”立体网状全时空深部底板奥灰及薄灰水害防治方法,邯邢矿区梧桐庄井田的实践表明,治理效果良好。
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