董家河煤矿以往工作面主要受底板太原组K2和奥灰含水层水害威胁，区内多处矿井生产期间多次发生底板突水[1]。研究区奥灰含水层具有高水压、富水性强的特点[2-4],同时底板断层构造发育，使得5号煤层回采面临底板奥灰水害威胁[3],历史上最大奥灰突水量为887.9 m3/h。5号煤层底板K2含水层局部与奥灰水力联系密切也可以形成局部富水区，工作面底板出水水源判识较为困难，有必要对底板突水水源进行分析并进行水害防治技术研究[5-7]。5号煤层底板K2薄层灰岩含水层普遍相变为石英砂岩，以往注浆工艺不适应于相变后的砂岩含水层治理[8-10],且局部存在与下伏奥灰岩含水层的水力联系，水源判识不清导致水害防治措施的制定缺乏依据，严重影响工作面正常生产。

鉴于此，需对底板含水层出水水源及水害防治，从探查方法、治理设备、注浆工艺技术等方面开展系统研究[11-17],其对实现工作面安全带压高效带压开采有一定的指导意义。

1、研究意义

以董家河煤矿23502工作面为研究对象，旨在通过煤层底板出水水源以及水患防治技术与应用的探查研究，揭示直流电法及槽波地震勘探等物探手段对底板富水区及工作面地质构造探测的有效性，通过底板砂岩含水层注浆工程实践，提出砂岩含水层的有效注浆工艺及参数，对实现工作面安全高效带压开采，不仅具有重要的安全效益，也可创造一定的社会经济效益。

2、研究区概况

董家河煤矿煤层底板主要水害威胁含水层为煤层底板太原组K2含水层、奥陶系峰峰组二段含水层。底板含隔水层相对位置如图1所示。

图1 工作面底板岩性结构

K2含水层在井田北部部分钻孔有揭露，而井田北部其余地段均相变为石英砂岩。K2含水层厚度0.98～4.78 m, 平均2.93 m。K2灰岩岩溶裂隙发育不均。静水位标高+310 m, 单位涌水量0.000 047 1～0.570 L/s.m, 渗透系数0.001 4～0.133 m/d, 矿化度0.83～1.21 g/L。董家河煤矿井下该含水层出水频繁，属富水性弱-中等的含水岩组。

奥陶系灰岩岩溶水主要赋存在中奥陶统峰峰组二段(O2f2),该含水岩组厚度大，连通性好，水头压力大，具有统一的区域性水位标高+370 m。水质类型为HCO3·SO4-Na·Mg·Ca型及SO4·CL-Na·Ca·Mg型，矿化度0.87～1.43 g/L。单位涌水量0.000 294～1.490 L/s.m, 渗透系数0.000 812～0.224 m/d, 属富水性不均一的溶蚀裂隙强含水岩组。

3、充水因素分析

3.1 充水水源

5号煤层底板充水含水层主要为K2和奥灰，K2含水层顶部与5号煤层底板间距约10 m, 位于底板破坏范围内，为直接充水水源。

工作面切眼距离井田边界的F25断层仅相距不到150 m, 该正断层落差达120 m, 使得底部奥灰强含水层与5号煤层底板K2含水层直接对接，K2含水层直接接受奥灰含水层通过断层的侧向补给；同时由于5号煤层与奥灰含水层之间间距不足40 m, 断层附近底板裂隙较为发育，缺少较完整的隔水层，奥灰水也可通过底板裂隙的垂向补给23502工作面；如有导水构造，奥灰含水层水可通过侧向补给、垂向裂隙直接进入工作面，对工作面构成较大水害威胁。

3.2 充水通道

工作面主要涌水通道为底板裂隙和断层裂隙。由于西侧董家河煤矿断层导致奥灰水与K2对接，董家河煤矿F25断层导致的奥灰水侧向补给是23502工作面切眼附近大流量涌水的重要原因，底板断层等隐伏导水通道导致的奥灰水垂向就地补给也是重要的通道之一。F25断层侧向补给工作面如图2所示。

4、水源判识及水文地质探查研究

4.1 直流电法探查与分析

4.1.1 工作面水文地质条件电法探查及分析

为探究底板出水来源，采用井下直流电法物探对切眼底板出水区段进行探查，研究底板不同深度地层的物探富水异常区，为出水水源判识和工作面回采前防治水措施的制定提供科学依据。

图2 F25断层侧向补给工作面示意

本次探查使用WDJD-4多功能数字直流激电仪，对23502工作面采用三极测深法施工探查。采用在同一测点上逐次增大供电极距，使探测深度逐渐加大，从而得到观测点处ρs(视电阻率)沿垂直方向上的变化情况。

4.1.2 资料处理与解释

23502轨道巷等视电阻率断面图如图3所示。由图3可以看出，23502轨道巷垂直方向-50～0 m深度内岩层的视电阻值变化，其中有2处视电阻值小于70的异常。

G1异常范围较小，异常强度一般，疑似主要为底板太原组石英砂层、粗砂岩相对富水。G2异常范围一般，异常强度相对较高，疑似主要为底板K1灰岩、太原组石英砂层。

图3 23502轨道巷视电阻率-深度等值线

23502运输巷等视电阻率平面图如图4所示。由图4可以看出，23502运输巷垂直方向-50～0 m深度内岩层的视电阻值变化，其中有2处视电阻值小于70的异常。Y1异常范围较大，异常强度一般，疑似主要为底板太原组石英砂层及奥灰峰峰组灰岩相对富水。Y2异常范围一般，异常强度相对较高，疑似主要为底板太原组石英砂层及奥灰峰峰组相对富水。

图4 23502运输巷视电阻率-深度等值线

23502切眼等视电阻率平面图如图5所示。由图5可以看出，23502切眼垂直方向-50～0 m深度内岩层的视电阻值变化，其中有2处视电阻值小于60的异常。Q1异常范围一般，异常强度一般，疑似主要为底板太原组石英砂层及奥灰峰峰组灰岩相对富水。Q2异常范围较小，异常强度相对较高，疑似主要为底板K3灰岩层相对富水。

图5 23502切眼视电阻率-深度等值线

根据矿井直流电法底板物探结果，分别提取23502工作面煤层底板下15 m、25 m、35 m及45 m 附近4个不同标高段的视电阻率值，23502工作面底板下15～45 m发育均有1处低阻异常区，其中底板下45m处异常区的富水性较强，范围相对较大。

4.1.3 探查结论

通过直流电法探查结果，结合地质资料分析，23502工作面底板下25 m异常S1发育范围一般，幅值变化相对一般，该处太原组灰岩含水层富水性相对较好；23502工作面底板下45 m异常F1发育范围较大，异常幅值变化较大，异常可靠程度较高，该处底板峰峰组奥灰含水层富水性较强。

4.2 槽波探查及分析

4.2.1 槽波探测方法

槽波地震勘探是利用在煤层中激发和传播的导波，探查煤层不连续性的—种地球物理方法，具有精度高、波形特征易于识别以及最终成果直观的优点。其中槽波透射法、反射法是实际应用最多且最有效的方法。

4.2.2 资料解释

本次槽波探测沿轨道巷、切眼和运输巷布置激发点和接收点，依据透射槽波CACT成像结果，反射槽波CDM成像结果对探测区域进行解释。23502工作面槽波探测区域内共解释正断层3条(23502-F1、23502-F2和23502-F3),探测区域内未发现长轴直径大于20 m的陷落柱，解释了1个槽波能量异常区，推测为煤层相对变薄区或煤层顶板破碎区，如图6所示。

图6 23502-F1、23502-F2和23502-F3断层在槽波CACT图上的反映

4.2.3 探查结论

通过槽波物探，查明了工作面探测区域内落差大于1/2煤厚的断层发育情况，并对落差小于1/2煤厚的断层进行了解释，共解释正断层3条，落差小于煤厚且大于1/2煤厚的断层1条(23502-F2),落差小于1/2煤厚的断层2条(23502-F1和23502-F3)。探测区域内煤层中未发现长轴直径大于20 m陷落柱，探测区域内解释了一个槽波能量异常区，该异常区呈现椭圆形，大小约为30 m×60 m, 面积约为1 520 m2。推测该异常区为煤层相对变薄区或煤层顶板破碎区。

4.3 钻探探查

根据底板出水情况，在23502工作面切眼附近施工了系列钻孔，通过研究不同深度出水情况，查明钻孔主要出水层位为煤层底板K2含水层，局部钻孔在穿过K2含水层后水量有持续增加的情况。表明出水含水层主要为K2含水层，局部区域和奥灰含水层有水力联系。

4.4 地面钻探漏失及水位

为了有效探查底板水文地质特征，施工地面定向钻探进行探查和研究，如图7所示。地面定向钻孔施工目标层位为K2砂岩含水层，钻探期间井下出水点多次出现涌水变混和钻液漏失的情况，表明钻井液通过K2砂岩含水层与出水点发生了水力联系。钻井液水力连通试验表明出水含水层为K2含水层，补给水源来自奥灰含水层的近源补给，补给方向主要为工作面东侧边界断层附近，此结论和充水因素分析也较为吻合。地面定向钻孔漏失量及水位观测如图8所示。

4.5 水质检测

通过对井下出水点水样进行取样分析，对比主要水化学参数判别出水水源。井下出水点矿化度主要集中在700～900 mg/L,水化学类型多为HCO3·SO4-Ca·Na·Mg, 通过对比勘探期间奥灰和K2含水层水质类型，总体为奥灰和K2的混合水。

4.6 水源分析

结合23502工作面出水情况进行分析，该工作面切眼越靠近西侧的董家河煤矿F25大断层，工作面涌水强度越大；掌握了涌水水源以奥灰水和K2含水层水为主，奥灰水为主要补给来源，主要通道为董家河煤矿断层的侧向补给及垂向裂隙补给，这为董家河煤矿三采区接续采面底板水害防治指明了方向。

5、工作面底板注浆水害防治研究

5.1 底板注浆改造方案设计及实施

5.1.1 注浆改造工程方案设计

结合直流电法和槽波地震勘探成果，研究通过注水泥浆充填底板砂岩类裂隙，封堵奥灰含水层裂隙导水通道，变含水层为相对隔水层，以保证23502工作面安全开采。

图7 底板钻孔施工平面

图8 地面定向钻孔漏失量及水位观测

通过计算得出该工作面回采期间底板破坏深度为14.95 m。本次治理区域5号煤层底板距离K2顶界面距离11 m, 距离K2底界面26.97 m, 5号煤层底板距奥灰岩顶界面间距43 m, 铝土泥岩厚度2.1 m。因10号煤层及铝土泥岩为天然隔水层，钻孔深度结合该工作面地层产状等因素进行设计，钻孔终孔点设计深度以5号煤层底板下垂距25 m, 终孔层位为煤层底板下垂深25 m处，以不穿过10号煤层为基本参数进行设计。

5.1.2 注浆参数

根据以往在其他煤矿井下工作面的注浆经验，预计注浆有效扩散半径取30～50 m, (裂隙延展方向)注浆深度选在扰动破坏带及K2涌、含水层段以下3 m左右。

按地下水静水压力设计注浆压力。根据该区域水文地质情况，出水孔内的静水压力：最小为0.38 MPa, 最大为1.13 MPa。计算公式如下

P=Kp0(1)

式中，P为注浆压力，MPa;p0为静水压力，取1 MPa;K为系数，1.5～3.0,取2。

若选用的注浆压力为静水压力的2倍，则为1.5～4.0 MPa。故P可取为4.0 MPa。

单孔理论计算浆液注入量

Q=3.14AR2Hηβ(2)

式中，Q为浆液注入量，m3;A为浆液消耗系数，一般水泥类裂隙注浆A=1.2～1.5,取1.2;R为浆液的有效扩散半径，取平均值45 m;H为注浆段高度，取平均值45 m;η为浆液的有效扩散半径，取平均值45 m;β为浆液的充填系数，水泥类裂隙注浆β=0.7～1.0,取0.7。

从钻孔实际揭露的岩石情况看，K2含水层的厚度一般为4～11 m, 平均取值约为6 m。该段为注浆的主要岩层。实际注浆工作中，由于要考虑黏土浆、黏土-水泥浆的交替使用，所以，每个孔的实际注浆总量一般控制在不超过500 m3的范围内。其注浆方式采用自上向下对5号煤层底板K2砂岩含水层全段连续注浆方式进行。

5.1.3 注浆工程实施及效果检验

共施工注浆钻孔59个，均钻探至K2下段含水层，单孔涌水量0～35 m3/h, 平均15.9 m3/h。对K2下段含水层进行注浆加固，累计钻探进尺3 449.5 m, 注浆量7 118.65 m3,其中水泥811.5 t, 黏土2 062.7 t。

注浆加固工程完成后，对工作面进行了直流电法的验证。通过治理前后的对比，无明显富水异常区，注浆效果较好，达到了底板含水层注浆加固目的。

6、结论

(1)通过直流电法物探探查结果，结合地质资料分析，23502工作面底板下25 m存在1处低阻异常区，发育范围一般，幅值变化相对一般，该处太原组灰岩含水层富水性相对较好；23502工作面底板下45 m存在1处低阻异常区，发育范围较大，异常幅值变化较大，异常可靠程度较高，该处底板峰峰组奥灰含水层富水性较强。探测区中部发育的异常在垂向上具有一定的连通性，奥灰水含水层与太原组K2含水层具有一定的水力联系。

(2)董家河煤矿23502工作面槽波探测共解释断层3条，均为修正断层3条(23502-F1、23502-F2和23502-F3),落差小于煤厚且大于1/2煤厚的断层1条，落差小于1/2煤厚的断层2条；煤层中未发现长轴直径大于20 m陷落柱；解释了一个槽波能量异常区，推测该异常区为煤层相对变薄区或煤层顶板破碎区。

(3)依据直流电法、槽波地震勘探以及钻探、水质化验等研究结果，判断23502工作面切眼底板涌水主要水源为奥灰水，主要通道为董家河煤矿断层的侧向补给及垂向裂隙补给。通过对工作面底板进行注浆改造加固，经过直流电法进行治理前后的对比，无明显富水异常区，达到了底板含水层注浆加固目的，目前工作面已实现安全回采。

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文章来源:陈双伟.董家河煤矿23502工作面底板出水水源及水害防治技术研究[J].陕西煤炭,2024,43(12):65-70.