1021工作面底板灰岩水治理效果评价明证开采安全性论证.docx
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1021工作面底板灰岩水治理效果评价明证开采安全性论证
一、工作面基本情况
１、工作面采掘工程设计基本概况
1021工作面是袁店一井煤矿首采面，位于102采区下部靠近F4断层，南部为1022工作面（未掘进），东与102采区-470三条水平大巷相邻，西以EF61断层、F4断层与采区边界相邻。
工作面标高-455～-380.2m，工作面走向长610m，倾斜宽140m。
于2010年11月开始施工煤巷，2011年3月24日贯通，采用综合机械化采煤方式开采，顶板采用自由垮落方式管理。
2011年5月31日试生产。
2、工作面地质概况
工作面煤厚1.60～5.92米，平均厚4.4米，属较稳定煤层。
倾角
0°～20°,平均6°。
预计工业储量51.47万吨，可采储量47.87万吨，直接顶为砂质泥岩，厚0～4.0米，平均2.0米，灰黑色，泥质结构，块状构造，有滑面，局部有层理清晰，含砂质较多。
灰白色,细～中粒结构，波状层理，成分以石英为主，硅质胶结。
老顶为砂岩，厚3.0～5.1米，平均4.0米，灰白色，层状块状，性硬，成分以石英为主，长石、白云母碎片及暗色矿物次之，裂隙发育，方解石半充填。
伪底为砂质泥岩，灰黑色，泥质结构，含砂质，局部有层理，厚0～1.6米，平均0.8米。
直接底为泥岩，厚5～12.9米，平均8.9米，深灰色，粉砂质结构为主，含灰白色细砂质条带状，呈水平层理，致密，块状，碎块状。
。
老底为砂岩，厚8.4～10.8米，平均9.6米，深灰色，质细而均一，含细碎云母片，平面凹凸不平。
1021工作面内地质构造复杂，断层发育，目前机风巷、切眼揭露断层21个，均为正断层，其中大于2.0米的断层有6条断层，落差大于5.0m的断层，有风巷EF88断层、机巷EF63断层，对回采影响较大。
区内未发现陷落柱，无火成岩侵入。
二、工作面水文地质情况及充水因素分析
1、工作面含隔水层水文地质条件
1021工作面水文地质条件属中等类型，对将来工作面安全回采可能构成影响的充水含水层有：
10煤层顶底板砂岩裂隙含水层、10煤层底板太原组灰岩含水层。
⑴10煤顶底板砂岩裂隙含水层
10煤顶底板岩性以灰白色中、细砂岩为主，夹灰色粉砂岩及泥岩。
砂岩厚度0～55.68m，平均20m左右。
砂岩裂隙发育不均，局部多发育垂直裂隙。
钻探揭露时没有发生漏水现象。
据本矿井04-67、检3孔抽水试验资料，静止水位标高4.613m，q=0.009741～0.0099L/s.m，K=0.03434～0.03596m/d，富水性弱。
水质类型为HCO3.Cl～Na或HCO3～Na型，总硬度5.63～5.1德国度，矿化度0.712～0.794g/l，PH值7.7～8.5。
该含水层以静储量为主，顶、底板砂岩裂隙水通过滴、淋、渗水形式进入工作面，是工作面回采的直接充水水源，一般对生产影响较小。
⑵10煤层底板太原组灰岩含水层
袁店一井共有62个钻孔揭露太原组地层，最大揭露厚度52.06m（06-26孔），多数钻孔仅揭露一～二层灰岩，少数钻孔揭露下部灰岩。
据相邻五沟矿资料太原组地层厚度132.40m，有石灰岩12层，总厚75m，占全组总厚的60%。
本矿一灰厚度0.33～3.29m，平均1.77m左右，二灰厚度1.53～3.55m，平均2.89m左右。
三灰厚度4.18～10.83m，平均8.31m左右，四灰厚度2.46～25.26m，平均13.79m。
1-4灰累计平均厚度26.76m。
太原组岩性由石灰岩、泥岩、粉砂岩及薄煤层组成，以石灰岩为主。
地下水主要储存和运移在石灰岩岩溶裂隙网络之中，富水性主要取决于岩溶裂隙发育的程度。
岩溶裂隙发育具有不均一性，因此富水性也不均一。
石灰岩岩溶裂隙在浅部较发育，向深部逐渐减弱。
当岩溶裂隙发育时富水性较强，反之就弱。
第一、二层石灰岩厚度小，第三、四层石灰岩厚度较大。
一～四灰通常视为一个统一的含水层（段），并作为10煤开采时防治水的主要对象。
五灰～十三灰埋藏较深，距主采煤层较远，岩溶裂隙不太发育，水动力条件相对较差，通常视为间接含水层段。
据06-26、04-46孔对太原组一～四灰抽水试验：
静止水位标高+15.412～+22.325m，q=0.009792～0.04521l/s.m，K=0.03767～0.1537m/d，富水性弱～中等，水化学类型为HCO3-Na或HCO3·Cl·SO4-Na型，矿化度为1.273～1.182g/l,总硬度16.89德国度。
根据2010年设计施工的101、102采区太灰水综合勘探工程和1021工作面已施工的注浆钻孔情况，井下施工的水文钻孔情况：
在101采区施工的10个水文孔资料（终孔层位四灰），涌水量0.5～2.5m3/h，水压在5.5～6.5MPa;102采区施工4个水文孔资料（终孔层位四灰），涌水量5～22.5m3/h，水压在4～4.6MPa；1021工作施工的注浆钻孔资料（终孔层位二灰），涌水量1.0～18.6m3/h，水压在3.1～3.9MPa。
10煤层底板距“一灰”间距40～53米平均间距49m。
太灰水位标高采用06-26孔、09-观3观测孔资料水位标高-16.39m、-33.10m。
⑶工作面回采将过06-6钻孔，06-6钻孔封孔资料：
封孔段距为205.00～476.65m，水泥:
2750kg,砂子:
5500kg,砂浆面:
205.0m。
回采过程中，应注意预防钻孔水。
⑷10煤底板隔水层岩性组合情况
工作面内有06-6钻孔，附近有67-25钻孔，根据钻孔及井下102采区施工的太灰综合勘探钻孔情况，10煤下距“一灰”的距离平均为49米，岩性上部为砂泥岩互层，下部为粉砂质泥岩、粉砂岩，间夹少量中、细粒砂岩，岩性致密，岩芯完好，具有良好的阻水性。
2、断层水文地质特性分析
工作面为单斜构造，倾向总体为NE方向，位于F4断层下盘，地质构造较复杂。
目前机风巷、切眼揭露断层21个，均为正断层，其中大于2.0米的断层有6条断层，落差大于5.0m的断层，有风巷EF88断层、机巷EF63断层，对回采影响较大；其余断层落差为0.4～2.2m，均不导水。
３、水文地质条件评价
太灰含水层富水性不均一，水压高，富水异常区容易通过构造薄弱带导放工作面，因此，太灰水是该工作面主要水害，对工作面的回采存在威胁，是本次治理的主要对象。
工作面正常区段突水系数计算
p
Ts＝────
M
Ts─突水系数,MPa/m；
M─隔水岩柱厚度,m；
P─底板隔水层承受的水压，MPa。
根据井下102采区水文孔，实测太灰水（一至四灰）4～4.4MPa，水量2～20m3/h。
一灰突水系数：
工作面标高-455～-380.2m，本工作面一灰水压计算为3.49～4.22MPa。
10煤至一灰隔水层厚度为49m,经计算突水系数为0.071～0.086MPa/m。
按实测一至四灰水压最大值4.4MPa，计算需要安全岩柱为62.8米。
综上分析认为，1021工作面突水系数超过0.07，根据物探异常区回采前对10煤底板进行注浆加固改造，将一、二灰改造成有效隔水层。
三、工作面防治水工程施工情况及成果
1、钻探工程施工情况及主要成果
⑴钻探工程设计基本情况
根据物探结果将对工作面底板异常区进行注浆（回采收作线以内范围）加固，终孔层位为二灰底板，浆液扩散半径按35m,共设计26个钻孔进行底板探查及注浆加固，其中风巷4个钻场共设计注浆钻孔16个，设计钻进工程量1836m；机巷3个钻场共设计注浆钻孔10个，设计钻进工程量898m。
工作面内施工26个孔合计钻进工程量为2734m。
由于1021工作面防治水量较大，为确保我矿5月20日联合试运转要求，把防治水工程分两期实施，第一期工程为工作面里段19个注浆钻孔和2个放水孔。
第二期工程为7个注浆钻孔。
工程注浆结束后，对单孔出水量大于20m3/h注浆孔进行效果检验，同时二次物探验证。
根据顶板瞬变电磁法勘探结果，工作面内存在五个异常区，富水较强区在顶板上35m以上层位，利用机、风巷水文钻场，以及高位钻场对工作面顶板异常区进行施工钻孔放水。
⑵钻探工程施工基本情况
本次主要实施一期工程，钻探工程自2011年4月1日至2011年5月1日结束，共完成底板探查、放水、注浆钻孔28个2940m，顶板放水孔10个1207m。
钻孔完成情况见表1、表2、表3
钻孔完成情况统计表表1
钻场
孔号
方位角
（°）
倾角
（°）
终孔层位
终孔深度
（m）
出水量（m3/h）
注浆量
（吨）
终孔压力（MPa）
备注
JZ1
JZ1-1
43
-66
二灰底板
79
3.0
14
10.6
砂岩段注浆
JZ1-1
343.5
-46
105
3.0
10
10.2
JZ2
JZ2-1
47.5
-47
108
2.3
20
9
JZ2-2
313.5
-66.5
76
2.1
10.8
9
JZ2-3
263.5
-41
100
2.3
14
9
JZ3
JZ3-1
43
-66
79
2.98
14
9
JZ3-2
343
-42
105
2.3
6
9
JZ3-3
305
-32
116
18.6
35.5
9
JZ3-4
269
-62
78
2.5
7.5
9
JZ3-5
253
-36
111
4.9
20
9
FZ2
FZ2-1
156
-76
83
22.8
23.5
分段两次注
FZ2-2
187
-40
106
2.1
23+6.2
10
FZ2-3
233
-45
99
3.2
19+6.2
12
FZ3
FZ3-1
120
-33
120
3.5
注19m3注不进
FZ3-2
189
-31
105
3.0
9
FZ3-3
202
-62
75
2.4
14.3
10
FZ4
FZ4-1
91.5
-41.5
95
2.8
6.8
6.0
FZ4-2
156
-65
70
2.2
0.8
5.5
FZ4-3
164
-36
100
7.0
31.3+13.2
6
两次注
FZ4-4
196
-35
105
5.0
54
6
FZ4-5
225
-46
90
3.6
27.9+14
5
两次注
FZ4-6
154
-30
121
9.0
29.1+4.8
5
先放水后注
FZ4-7
183
-39
三灰
113
5.8
15+4.5
5.5
合计
21个孔
2239
406.9
1021工作面顶板放水孔工程表表2
钻场
孔号
方位角
（°）
倾角
（°）
套管长度
（m）
钻孔长度
（m）
备注
FZ1
DZ1
204
28
138
钻孔出水量较小，基本上无水，个别孔出水量小于0.5m3/h
FZ2
DZ4
218
22
160
FZ3
DZ6
274
30
100
FZ4
DZ8
265
21
120
JZ2
DZ3
282
27
120
DZ4
265
21
140
JZ3
DZ5
306
33
92
DZ6
274
30
90
JZ1
DZ1
290
22
107
DZ2
265
23.5
140
合计
10个孔
1207
1021放水孔成果表3
钻场
孔号
方位角
（°）
倾角
（°）
钻孔长度
（m）
水压（MPa）
出水量（m3/h）
备注
1021
风巷
车场
FS-1
217
-44
119
1.1
破碎带打不过去，未施工到设计深进行封孔
FS-2
242
-39
98
0.8
FZ2
FZ2-1
156
-76
83
2.6
22..8
FZ1
FZ1-1
75
-60
138
2.8
5.7
终孔四灰层位
FZ1-2
102
-48
158
2.7
4.9
FZ1-3
113
-73
105
2.9
5.2
合计
6孔
484
15.8
⑶钻孔工程成果
根据钻孔资料统计，10煤至一灰间距为45.5～52.5m,10煤至二灰间距为55～70m，平均60m,煤层直接顶板为砂质泥岩，厚度4.0m左右，回采时受单体支撑压力和地应力共同作用该层完整性被破坏。
其下伏为稳定的砂泥岩互层和细砂岩，厚度27.5-35.0m，平均33.0m，该层砂岩厚度大，岩层稳定，抗承载能力强，能够保护下面的黑色泥岩隔水层不被破坏从而对防止地板突水起到积极作用。
根据钻孔揭露情况看，1021工作面里段施工26个钻孔，一灰无水，二灰钻孔均有水，JZ-4、FZ2-1孔水量较大，分别为18.6m³/h、22.8m³/h,其余钻孔水量在2.2-7.0m³/h，说明一灰不含水，灰岩水无原始导高，灰岩赋水性极不均一，局部赋水性强。
顶板放水孔施工10个出水量均小于0.5m³/h，各孔出水情况见钻探成果一览表（表1）。
10煤底板岩性组合情况，10煤底板岩性自上而下为：
1砂质泥岩：
厚度3.0-5.5m，平均4.0m，灰黑色-黑色，富含植物根茎化石。
2砂泥岩互层与细砂岩：
厚度27.5-35.0m，平均33.0m，以石英、长石为主，钙质胶结，硬度较大。
3海相泥岩：
厚度8.0-15.0m，平均12m，灰黑色，致密块状，无层理，质细均一，是10煤-一灰间良好的隔水层。
4一灰：
厚度1.8-3.5m，平均2.40m：
岩溶相对不发育，灰白色块状，致密，质不纯，富含泥质。
5粉砂岩:
厚度6.0-10.0m，平均8.0m，灰黑色，具水平层理，层面含白云母碎片及黄铁矿晶体。
6二灰：
厚度2.5-9.0m，平均5.0m，灰白-浅灰色，致密块状，坚硬，底部含燧石结核，局部岩溶裂隙发育。
2、疏水降压情况及主要成果
对101、102采区太灰水综合勘探时在102采区施工了四个水文钻孔（见表4）。
针对这四个孔进行了放水试验，通过井下钻孔的放水，目前放水量为13.2m3/h。
同时在1021工作面风巷FZ1和FZ2钻场内共有四个钻孔留作放水孔，目前放水量为15.8m3/h（见表3）。
合计放水量为29m3/h。
目前地面灰岩观测孔06-26、09-观3孔水位分别为-42.6m、-130.5m，放水前水位分别为11.19m、13.12m。
说明太灰水具有可疏性。
102采区放水孔成果表表4
钻场
孔号
方位角
（°）
倾角
（°）
钻孔长度
（m）
终孔
层位
出水量（m3/h）
初始水压（MPa）
放水后稳定水压（MPa）
放水后稳定出水量（m3/h）
-470
回风
大巷
7-1
268
85
107
三灰
21.3
4.2
3.0
6.0
7-2
276
86
155
五灰
8.4
3.2
2.8
2.2
-470轨道大巷
7-3
156
75
131
四灰
12.4
4.4
3.22
4.5
7-4
191
75
133
四灰
2.2
3.4
2.4
0.5
合计
4孔
526
44.3
13.2
3、注浆工程施工情况及主要成果
⑴注浆工程施工设计基本情况
注浆材料：
选用425#普通硅酸盐水泥。
注浆参数：
①浆液浓度：
底板注浆加固工程，为使浆液扩散的较远，浆液浓度不宜太大，一般水泥浆液比重应控制在1.2～1.6左右，先期注稀浆，后期逐渐增大浆液浓度。
②注浆终止标准：
注浆压力达到钻孔静水压力1.5～2倍，且单位时间吸浆量小于40L/min，且稳定10min即可结束注浆。
③注浆段：
注浆加固孔如砂岩段出水大于5m3/h或压水试验在5MPa以下，分段注浆，否则，至终孔全段注浆。
④注浆压力：
压力一般为静水压力的1.5～2倍不超过9MPa。
⑤注浆量：
注浆量不做限制，以达到设计目的为准，单孔注浆量超过600m3，可增加浆液浓度间歇注浆，间歇时间一般不少于4小时。
⑵注浆工程施工基本情况
本次采取每个孔一次完成注浆，注浆后在每个注浆钻场均进行一个透孔检查。
。
在钻场FZ4、FZ3施工分别施工两个注浆效果检查孔，共计透孔4次。
注浆材料：
注浆加固孔选用425#普通硅酸盐水泥作为注浆材料。
注浆设备：
本次主要采用地面注浆站注浆，注浆设备为浙江杭钻机械股份机械有限公司3ZB15/12-45型注浆泵，该泵注浆压力大，泵量易于控制，最小泵量可调至35L/min；连续照浆，自动下料，自动记录，对提高注浆加固效果起到了积极作用。
注浆方法和施工工艺：
本次注浆采用水泥单浆液。
为使浆液扩散较远，浆液比重控制在1.1～1.6，先期注稀浆，后期逐渐增大浆液浓度，最大不超过1.3。
注浆压力、注浆终压、终量：
为提高注浆效果，增大浆液扩散半径，初始压力多稳定在3～6MPa，注浆时先采用3档，当注浆压力达到7MPa后改为2档，连续注浆。
实际注浆过程中为达到更好效果，2档注浆压力大于7.5MPa后结束注浆，大于静水压力的2倍。
最大不超过9MPa，终量不大于40L/min.
⑶注浆工程完成情况
1021工作面里段内注浆20钻孔，共注水泥406.9吨，单孔最大注浆量为35.5吨。
3、效果检验工程完成情况及结论
该工作面共施工检查孔4个，分别为FZ4-6、FZ4-7、FZ3-1、FZ3-2工程量459m,其中FZ4-6、FZ4-7主要验证FZ4钻场的注浆效果，孔内出水，注浆效果不好，采取以疏水降压为主，把FZ4-6、FZ4-7当作放水孔，这两个钻孔经过一周的时间水量衰减至小于1m3/，进行注浆封孔。
放水效果显著。
地面太灰观测孔水位下降明显。
FZ3-1、FZ3-2检查孔一二灰均无水，每个检查孔单孔吸水量小于20L/min,可以看出FZ3钻场注浆效果良好。
4、工作面排水系统
工作面预计正常涌水量小于35m3/h，机、风沿煤层伪倾向上山进，工作面俯采，机巷能形成自流排水，风巷里段有一个低洼点，已建立临时水仓，安装两台排水能力为110m3/h的排水泵，一台使用一台备用。
四、工作面开采安全评价
1、防治水工程效果评价
⑴钻探工程效果
1021工作面里段共施工钻孔28个，工程量2055m,工作面面积0.085km2，钻孔密度329孔/km2，满足《煤矿防治水规定》要求。
⑵注浆加固工程效果
1021工作面里段共施工钻孔28个，20个进行了注浆，注水泥406.9t，平均单孔注浆20.3t。
本次主要采用地面注浆站注浆，注浆设备为浙江杭钻机械股份机械有限公司3ZB15/12-45型注浆泵，该泵注浆压力大，泵量易于控制，最小泵量可调至35L/min；连续照浆，自动下料，自动记录，对提高注浆加固效果起到了积极作用。
本次注浆采用水泥单浆液，标号为灌装425#普通硅酸盐水泥。
为使浆液扩散较远，浆液比重控制在1.2-1.6左右，先期注稀浆，后期逐渐增大浆液浓度。
为提高注浆效果，增大浆液扩散半径，注浆时均采用抵挡连续注浆。
初始压力多稳定在3-6MPa，根据静水压力大小，终压满足静水压力的1.5-2.0倍，最大不超过9MPa，终量不大于40L/min。
注浆结束后进行了透孔检查，本次施工了4个检查孔。
⑶井下二次物探成果
2011年6月14日，与安徽惠洲地下灾害研究设计院合作对1021工作面进行了并行电法探测，对注浆的底板电性情况和注浆加固效果进行检验。
具体结论如下：
探测的并行电法异常区主要受较大落差的断层控制影响，影响深度大。
工作面探测区域的底板下80m范围内存在5个低阻异常区域，电阻率值均在16Ω·m以下，分别定义为DZ1～DZ5并行电法低阻异常区，部分区域可能与灰岩水有直接联系。
分述如下，
1）低阻区：
贯穿两个巷道之间位于X=20～140m之间，对应工作面机巷位于测点J7～J18段，位于风巷F13～F16段，朝底板下延伸至55m，进入灰岩地层，在不考虑受1021F1（∠70°H=0-10m）及F4-4（∠70°H=0-15m）断层造成岩性变化的前提下，可能与灰岩水有较强的水力联系，为本次探测重点防患区域之一。
2）DZ2低阻区：
在工作面内位于X=300～360m之间，对应机巷位于J25～J26测点之间，朝底板下延伸在30m以内，在不考虑岩性变化的前提下，可能与底板砂岩裂隙水有关。
3）DZ3低阻区：
靠近风巷位于风巷X=360～610m之间，对应工作面巷道位于风巷F22测点～F31测点之间、朝工作面内延伸60m，朝底板下延伸达55m，进入灰岩顶界面，在不考虑受1021F5（190°∠60°H=2.0m）、1021F6（163°∠45°H=4.0m）等多组断层造成岩性变化的前提下，可能与灰岩水有一定的水力联系，为本次探测重点防患区域之一。
3）DZ4低阻区：
靠近机巷位于机巷X=580～620m之间，对应工作面巷道位于机巷J33测点～J34测点之间，朝底板下延伸在30m以内，在不考虑岩性变化的前提下，可能与底板砂岩裂隙水有关。
3）DZ5低阻区：
靠近工作面内位于X=600～650m之间，对应工作面巷道位于风巷F31测点～F32测点之间，朝底板下延伸在30m以内，在不考虑岩性变化的前提下，可能与底板砂岩裂隙水有关。
根据二次电法结果显示，五个小异常区其中DZ2、DZ4、DZ5三个低阻区为底板砂岩裂隙含水层，DZ1、DZ3低阻区到一灰层位，根据井下实际钻探情况多数钻孔一灰无水，个别孔出水量也小于1m3/h。
另外整个工作面底板下65m、80m的切面图无低阻区，说明一灰和二灰等灰岩含水层已无水力联系。
具体见附图。
⑷疏水降压效果
102采区大巷施工了四个水文钻孔，在1021工作面风巷钻场内施工5注浆钻孔用来先放后注，目前有七个钻孔全部打开进行放水。
地面灰岩观测孔06-26、09-观3孔放水前水位分别为11.19m、13.12m。
经过放水目前水位分别为-42.6m、-130.5m，疏水压降压效果显著。
2、开采安全评价
影响该工作面开采的主要含水层有10煤顶底板砂岩裂隙含水层、太原组灰岩含水层。
其中10煤顶底板砂岩裂隙含水层q=0.009741～0.0099L/s.m，K=0.03434～0.03596m/d，富水性弱。
太原组灰岩含水层，q=0.009792～0.04521l/s.m，K=0.03767～0.1537m/d，富水性弱～中等。
据钻探资料分析，10煤主要隔水层为10煤底板砂泥岩互层、细砂岩以及海相泥岩，总厚度45.5～52.5m，均为有效隔水层。
通过钻探取得的资料，已查明了1021工作面水文地质条件，现对开采安全性分一灰、二灰别进行评价。
根据《矿井防治水规定》和2010年6月集团公司（股份公司）下发的《煤矿防治水技术管理规定》，底板不受构造破坏，当300.07，不具备安全开采条件；当M>60（一灰做为隔水层）时，T<0.1时可安全回采，二灰和三灰具备安全开采条件。
底板受构造破坏，当30
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