新义井田基于奥灰厚强含水层条件下疏水降压关键技术研究应用

于文博

新义煤业有限公司河南洛阳471000

摘 要：针对奥灰水防治，为切实避免突水灾害发生，新安煤田矿井在掘进期间，主要采取连续超前物钻探措施，做到“有掘必探”；采煤之前，则对工作面煤层底板实施全覆盖注浆改造，使得底板隔水层加固加厚，做到“先注后采”。经统计，新安煤田矿井奥灰水防治费用平均20元/吨以上，5对矿井合计每年超过1.2亿元。其中，新义煤矿多年平均为22.5元/吨，每年底板水防治费用约2700万元。工作面煤层底板全覆盖注浆改造（加固），难免“百密一疏”，仍难以彻底消除突水风险。奥灰水防治费用高、工程周期长、影响采掘生产效率是造成新义煤矿和新安煤田其他矿井亏损的主要原因之一。

新安煤田奥灰含水层富水呈条带状、脉管状分布，在平面上和垂向上均呈现一定的规律，存在较大的空间差异性。根据岩溶含水层的溶裂隙发育规律、富水性空间差异以及补径排条件，如果找出岩溶水的弱富水、径流不畅或者补给不足等区域，就可以改用以疏为主、辅以其他技术措施的疏水降压开采技术路线。既能提高奥灰含水层水害防治安全可靠程度，又能降低防治费用，实现矿井扭亏脱困与可持续安全健康发展。疏水降压是高承压含水层水害防治的治本之策，是源头治理措施，也是大区域治理措施，能够实现矿井底板水害防治本质安全。

关键词：疏水降压；底板奥灰水突水机理；煤矿水害防治；

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齐庆新等：煤矿冲击地压应力控制理论与实践 ****年第**期

0引 言

新安煤田位于河南省西部，地跨洛阳市孟津区、新安县，面积超过700km2，主采煤层为古生界二叠系山西组二1煤，煤炭资源超过30亿t，是河南能源化工集团有限公司重点开发煤田之一，现有新安、新义、义安、孟津和云顶等5对生产矿井，井田面积合计约200km2，煤炭储量约8亿t，合计生产能力620万t/a。新安煤田生产矿井水文地质条件复杂，受底板高承压岩溶水、浅部废弃小煤矿老空水、地表水库水以及煤层顶板砂岩裂隙水等多重水害威胁。其中，奥陶系灰岩溶裂隙承压含水层单位涌水量q=0.00061～5.65 L/s·m，渗透系数K=0.00045～9.02m/d，依据《煤矿防治水细则》含水层富水性划分标准，为极强富水含水层，是当地的主要含水层。奥陶系灰岩与下伏寒武系灰岩整合接触，累计厚度数百米，在宏观上二者存在水力联系、具有统一水位。巨厚高承压岩溶水是新安煤田矿井面临的主要水害，是矿井防治水工作的重点和难点。

1煤层底板突水机理研究

突水系数法主要考虑了底板承受的水压和隔水层厚度两个主要因素，计算简单，现场应用方便，在煤矿被广泛使用，被编入有关规定、规程和细则，并经过多次变化。突水系数法产生、发展、演变过程如下：

1964年焦作水文地质会战，首次提出水压及隔水层厚度的综合均衡与突水的关系以及矿山压力破坏底板深度及底部导水岩层与突水的关系。由煤炭科学研究院西安煤田地质勘探研究所，提出了煤层底板突水系数这一概念，并定义煤层底板突水系数TS＝P/M，即单位隔水层厚度上的静水压力。煤层底板突水系数理论综合了其他因素的综合影响，它从统计规律上阐述了煤层底板突水的原因。

2煤层底板突水防治技术现状

随着我国煤炭工业的快速发展，矿井防治水技术也得到了极大提高和进步，防治水技术进步同时也促进防治水法规的健全完善。2018年版《煤矿防治水细则》就很好地反映了我国当前的防治水技术水平，同时也促进了矿井防治水技术的持续进步和发展。

突水危险区井下探查，物探与钻探并用，优势互补，包括掘进工作面超前物钻探和采煤工作面采前底板富水区物钻探。一般采取“物探先行，钻探跟进”的方法，以确保既不误报，也不漏报。电法物探主要包括直流电、瞬变电磁、音频电穿透和无线电波坑透等，前三者用于探查含（富）水区；震法物探主要包括瑞利波及槽波等，震法物探以及无线电波坑透主要用于探查掘进头前方和工作面内部或侧向邻近的断层、陷落柱、岩浆岩侵入等。

3主要研究内容

收集研究区域地质与水文地质资料，划定新安水文地质单元，分析地下水原始补径排条件（小浪底水库蓄水前）；

收集小浪底水库设计参数、运行规律以及淹没煤田情况，研究小浪底水库后区域地下水补、径、排条件演化规律。

研究新安水文地质单元的空间差异性，在水平方向上进行“五区”划分，将岩溶地下水系统划分为露头补给区、顺层径流区、折向汇流区、缓流滞流区和交替排补区；在垂直方向上，研究奥灰含水层含富水变化规律。

收集新安煤田5对矿井井上下水文地质观测孔、水源井（孔）、探查孔等奥灰水位动态变化资料，研究地下水系统的“分裂”趋势。

研究矿井水文地质条件，分析高承压含水层在底板注浆改造（加固）前后的突水风险，提出底板注浆改造（加固）技术仍然存在的不足和风险。

对比分析相关水文地质资料，确定新义井田在新安水文地质单元“五区”中的位置，研究其疏水降压可能存在的多种优势。

设计并开展井下单群孔放水试验，收集分析研究放水试验资料，进行疏水降压效果评价。

分析疏水降压的技术可行性、经济合理性、现实必要性和安全可靠性。

制定奥灰水以疏为主，疏、排、查、截、保、供、监“七位一体”的绿色综合防治水技术方案。

分析项目的推广应用价值和安全经济效益。

4主要成果与创新点

对新安水文地质单元的补径排条件进行了“五区”划分。收集井上下地质钻孔、水文地质孔以及相关地质报告等，分析研究了新安水文地质单元的边界条件、补径排条件，将其精细划分为露头补给区、顺层径流区、折向汇流区、缓流滞流区和天然排泄区等。

研究了小浪底水库蓄水后区域水文地质条件的演化规律，分析了水库水位升降对对水文地质单元补径排条件的影响。研究认为随着水库水位升降，新安水文地质单元天然排泄区由单一排泄转向补排交替，成为交替补排区；但地下水的天然流向没有改变，岩溶地下水最终仍然排入黄河（水库）。

分析了人工开采条件下岩溶地下水流场的变化趋势。受人工疏水影响，统一的岩溶地下水流场已呈现“分裂”趋势，形成了若干以采空区为中心的人工漏斗，除天然径流外，岩溶水向漏斗区径流并排泄。

研究了新安水文地质单元的水文地质条件差异，分析了岩溶含水层在平面上和垂向上变化规律。

研判新义井田具备疏水降压开采条件。研究认为新义井田位于新安水文地质单元的缓流滞流区，岩溶地下水径流不畅、补给不足，具有较好的疏水降压（试验）条件，新义煤矿可以开展疏水降压开采。

基于支持向量机技术对矿井水进行了分源识别、对定水位疏水量进行了回归预测。收集建井以来矿井涌水量和水质分析资料，利用支持向量机技术，对历年来的矿井水进行了分源识别，计算了底板岩溶水含量；应用Q-s曲线外推法和大井法回归预测了-68m水位条件下的奥灰含水层疏水量为412m3/h。

5效益分析

（1）安全效益

疏水降压，将奥灰承压含水层水位控制在-68m以下，底板突水系数即可降至设计的突水阈值0.05MPa/m以下，明显低于全国经验临界值0.06MPa/m，可以实现安全带压开采。疏水降压是矿井岩溶水防治的治本之策，可以实现矿井岩溶水防治本质安全。通过疏水降压，实现岩溶水害防治本质安全，矿井就可以腾出更多职工、更多时间、更多精力用于瓦斯治理，专心防突工作，促进矿井整体安全。

（2）经济效益

疏、排、查、截、保、供、监“七位一体”绿色降碳综合防治水技术经济效益显著，预计每年创造经济效益3413万元（表12-1）。如果考虑安全带压开采后，采掘工作面水害防治工作减少以及防治水队伍人员减少、瓦斯治理进度加快，生产效率提高等因素，效益更加明显。

作者简介：

于文博（1990-），男，河南义马人，工程师，现任义煤集团新义矿业有限公司地测副科长，本科。

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