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马家岩煤矿太原组煤层开采承压水害防治效果评价

2024-12-13 29 上传者：管理员

摘要：马家岩煤矿浅层煤炭资源已基本枯竭，太原组(下煤组)的深部煤层是目前主要的连续开采煤炭资源。但随着开采深度逐年增加，下煤组的开采受到高地应力、高水压、高温和强矿井扰动的影响，突水威胁尤为严重。为对太原组煤层开采承压水害进行有效防治，基于煤矿工作面底板含水层的注浆数据，提出煤层底板突水控制的评价新方法，将测试数据与矿山电测数据在ArcGIS中进行比较。结果表明，基于ArcGIS的水压阈值为注浆改造层水压的2倍时为最优解，研究结果可为马家岩煤矿太原组的突水防治提供参考。

关键词：
太原组煤层
山西地区
水害评价
突水
马家岩煤矿
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我国山西地区浅层煤炭资源已经基本枯竭，目前普遍采用深部开采模式，但深部煤层开采受高地应力、高水压、高温、强矿井扰动等因素影响，其中高压水害威胁尤为严重[1]。近年来，高压水害事故频发，对人民生命财产造成巨大损失[2]。

在煤层水害防治方面，由于我国含煤地质条件的复杂性，工程地质领域的学者和工程师们对煤层底板突水机理研究和安全评价预警的基础上，探索了各种类型的矿井控水方法[3-5]。到目前为止，中国煤层底板控水的主要方法有“承压疏水降压开采”、“帷幕截流”、“注浆改造”等[6]。近年来，随着开采深度的逐渐增加，大多数矿井已由“承压疏水降压开采”逐步过渡到控制煤层底板水害的“注浆改造”[7]。虽然煤层水害防治技术已逐步完善，但对于深部采煤底板控水效果的评价还没有系统的研究。

为此，以山西省马家岩煤矿为研究对象，以地面定向钻井注浆改造的40101工作面为研究对象，基于GIS系统、水害治理参数、现场调查和试验信息数据，建立水害治理评价模型，分析注浆改造后煤层底板的隔水效果。

1、研究区地质概况

马家岩煤矿隶属于山西焦煤集团，矿井面积3.867 km2,批采煤层为太原组4、7、9号煤层，目前开采4号煤层。4号煤层开采导水裂缝带最大高度为179.40 m, 依次穿过K4、K5、K6砂岩裂隙含水层，到达上石盒子组中部，山西组、上下石盒子组砂岩含水层富水性弱，属弱富水性含水层，因此4号煤层开采不受顶板含水层水的威胁。而奥陶系灰岩含水层位标高为+1 127.5～+1 130.5 m, 井田内4号煤层的最低底板标高为+960～+1 200 m, 在井田西南部煤层底板标高局部高于奥陶系灰岩含水层标高，属于大部带压开采煤层，存在较大安全风险，部分区域需采取预防措施。为保障矿井安全生产，降低工程经济风险，决定对4号煤层水害进行超前区域治理，在开采4号煤层前对底部防水层进行注浆加固[8]。

若采煤工作面底板承压含水层存在突水危险，可在采煤前对采煤工作面底板进行注浆，以增加防水层厚度，保证安全生产。目前，40101工作面底板已完成定向注浆改造[9]。

2、评价方案建立

目前为止，马家岩煤矿深部煤层开采底板水害威胁的主要来源于奥陶系灰岩含水层，而马家岩煤矿深部煤层位于石炭系太原组，太原组煤层相对靠近奥陶系灰岩含水层[10]。深部煤层开采引起的扰动可导致煤层与灰岩含水层之间的隔水层被破坏，从而形成导水通道，产生突水，造成煤矿灾害。

目前最常见的防治措施是通过注浆加固底板隔水层或在工作面开采前对奥陶系灰岩顶部进行改造，从而增加煤层底板隔水层的厚度和强度。注浆效果决定了采煤工作面底板水害的防治。

注浆效果与注浆压力直接相关，如果注浆压力太小，则无法完全密封底板岩层中的裂缝和溶蚀裂隙；如果注浆压力过高，则会扩大原有岩石裂隙或使整个岩层破裂，形成新的导水通道[10]。因此，注浆压力的大小直接影响注浆改造的效果，注浆压力的科学分类和评价结果可有效评价水害风险程度。

马家岩煤矿深部开采数据表明，注浆压力一般设置在2～2.5倍水压左右时，注浆密封效果最佳。研究模型基于马家岩煤矿实际案例，将3种方案的注浆压力均设定在水压的2.5倍左右。在这3类研究方案的基础上，将不同情况下的分类结果与实测值进行对比分析，得出评价注浆效果的最优方案。

假设各注浆点的注浆效果由采煤工作面底板涌水风险评价来确定，见式(1)。

V=f(x,y) (1)

式中，V为煤层底部水破坏风险指数；f(x,y)为GIS系统计算的注浆压力函数；x,y为地理经纬度坐标。

根据定向钻孔注浆原理，在水平段钻孔完成后进行注浆，注浆间隔200 m。根据现场施工经验，注浆压力与注浆效果有很强的相关性。因此，可以用注浆压力来评价注浆效果。40101工作面底板注浆改造资料见表1。奥陶系灰岩含水层与9号煤层的距离为34.73 m, 根据以往的注浆经验，奥陶系灰岩含水层的水压为4.25 MPa, 注浆的最终压力一般为评价注浆效果所用水压的1.5～2.5倍。

表1 注浆数据集样本

研究设置了3种方案进行讨论，每次试验的最终注浆压力分别为水压力的1.5倍、2倍和2.5倍；对40101工作面矿井物探结果进行了对比分析，确定了最佳终压的评价标准。

3、注浆改造效果评价

3.1 基于GIS的分类结果

地理信息系统(GIS)作为采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述相关信息的技术系统，广泛应用于建筑、煤矿和农业等多种领域，也成为开采承压水害防治的重要手段，运用GIS能够动态精准掌握承压水的压力变化规律，实现对矿区水文地质环境的精准识别，进而采取相对应的治理措施。利用GIS并根据每个注浆点的坐标和对应的注浆压力值生成图像，然后根据设置的3种实验方案进行分类，得到不同的结果。现场注浆的原始数据见表1,工作面底板注浆效果评价如图1～3所示。

方案一为最终注浆压力设为水压力的1.5倍，将奥陶系灰岩含水层的注浆效果按压力划分为标准区(≥7.875 MPa)、合格区(6.375～7.875 MPa)和较弱区(<6.375 MPa)3个等级，如图1所示。

图1 方案一工作面底板注浆效果评价

方案二为最终注浆压力设为水压力的2倍，并根据压力值将奥陶系灰岩含水层的注浆效果分为标准区(≥10 MPa)、合格区(8.5～10 MPa)和相对弱区(<8.5 MPa)3个等级，如图2所示。

方案三为最终注浆压力设为水压力的2.5倍，并根据压力值将奥陶系灰岩含水层的注浆效果分为标准区(≥12.125 MPa)、合格区(10.625～12.125 MPa)和相对薄弱区(<10.625 MPa)3个等级，如图3所示。

3.2 矿井电法勘探验证

40101工作面地层的主要岩性为粉砂岩、砂岩、泥岩、煤层和石灰岩等。泥岩的电阻率约为10～50 Ω·m, 各种砂岩的电阻率约为100～200 Ω·m。当石灰岩致密完整时，其电阻率可高达n×100甚至n×1 000 Ω·m。岩溶裂缝、断裂带和充水部位的发育极大增强了导电性，电阻率可降低一个数量级[11]。这种明显的电性对比为矿井中应用电法探测含水构造和富水区提供了良好的地球物理依据。

图2 方案二工作面底板注浆效果评价

图3 方案三工作面底板注浆效果评价

为对注浆改造效果进行评价，累计在40101工作面完成了90次电测，经质量检验，各项技术指标均达到设计和规范要求。探测结果与现有地质和钻探资料基本一致，可作为地质水文分析和地下水防治设计的依据[12]。根据探测结果，在40101工作面底板探测范围内识别出8个异常低阻带，命名为D1～D8,异常带中存在富水的可能性相对较高，如图4所示。

3.3 矿井电法结果验证分析

3种评价方案采用不同的注浆压力标准进行试验，得到的结果也不同，为此，采用实测数据验证3种不同结果的准确性，例如矿井电法和钻孔法，以判断哪种方案可提供最优解决方案。

图4 奥陶系灰岩含水层电法勘探

奥陶系灰岩含水层电法勘探如图4所示，矿井电法的结果与图2所示的分类评价结果非常相似。矿井电法测得D1、D6异常点与图2中40101工作面中部和南部异常区相似；矿井电法中出现的D4、D8异常点与图2中40101工作面北侧切眼异常区域位置一致；矿井电法测得的D7位置与图2中40101工作面南停采线附近异常区一致。综上，将ArcGIS评价测试数据与矿井电法数据进行对比发现，方案二的ArcGIS评价数据与矿井电法数据非常匹配，方案一和方案三的ArcGIS评价数据与矿井电法数据存在显著差异。

因此，在方案二(将评价注入压力设定为水压的2倍)条件下，奥陶系灰岩含水层注浆效果可根据注入压力值分为3个级别：标准区域(≥10 MPa),合格区域(10～8.5 MPa)和相对较弱区域(<8.5 MPa)。基于40101工作面底板的定向钻孔注浆数据，使用ArcGIS进行区域评价的结果更好。由于矿山电测方法探测结果和ArcGIS评价数据的准确性都有限，故可以综合两者的结果，并进行地下钻孔验证，以提高评价结果的准确性。

3.4 GIS分类评价与地下钻探验证评价的对比分析

基于注浆压力的地理信息系统(GIS)分类评价能够以“煤矿工作面”的形式对预开采煤矿工作面的整体风险进行评价，工作量较小，速度更快，可操作性强，相对准确度较高。然而，基于地下钻探的验证和评价需要科学的钻孔位置设计模型，因为单孔探测的覆盖面积相对较小。如果一座煤矿工作面在施工过程中需要大量钻孔，那么预开采建设的场地将受限，工作量大，速度慢，虽然具有一定的可操作性，但准确度较高。

基于注浆压力的GIS分类评价需要大量注浆监测数据，精度要求较高。但未考虑底板破坏深度、注浆量、区域断裂构造及隐伏陷落柱活化等因素，仍存在一定的隐患。因此，建议采用基于注浆压力的GIS评价方法，在开采前通过地下钻孔进一步验证隐患区域，钻孔验证评价可以识别注浆较多的区域和地质构造较好的区域。

钻井验证评估将对整个岩层造成破坏。如果钻孔没有正确密封，可能会导致巨大的潜在危险。因此，在评估钻井验证方法的设计时，有必要考虑适当的数量，而不是假设越多的钻井越好。

基于上述问题，灌浆压力的GIS分类评估结果可以与地下勘探钻探协调验证评估相结合，可以提高评估的准确性并减少勘探钻探的工作量。因此，目前可以同时使用GIS分类评估方法和地下钻探验证评估方法来提高灌浆效果评估的准确性。

4、工作面注浆改造效果评价方法优化

4.1 注浆压力与注浆量的耦合

注浆量反映了改造岩层中断层、裂隙、溶蚀空隙等蓄水空间的发育情况，注浆量不能直接反映注浆效果的好坏。因此，可以先进行基于注浆压力的GIS分类评价。其次，根据注浆量进行GIS分类评价，根据2个因素对注浆效果的贡献度划分不合格注浆区域。最后，结合2种分类方法的结果，可以进一步提高评价的准确性。

4.2 GIS评价及与物探、密集钻探的协作

为了提高评价结果的准确性，在注浆压力和注浆量的GIS分类评价结果的基础上，采用矿井电法进行了地球物理验证，并将2种方法的评价结果进行了结合；通过地下钻探进行地下验证，以2种方法的结果作为它们的交集，对注浆效果进行了科学准确的评价。

5、结论

(1)根据40101工作面底板注浆加固数据，提出利用ArcGIS确定煤矿工作面地下水灾害处理效果的评估方法。

(2)比较和分析ArcGIS评估试验数据和矿井电法勘探得出的数据，结果表明，基于GIS系统的水压阈值是注浆改造层的2倍为最优解。

(3)通过地球物理勘探和钻探数据与模型实验结果的比较分析，验证了基于GIS的注浆压力数据评估注浆效果的可行性和准确性。