矿井水害一直以来是两淮煤田的重大灾害之一，严重威胁着矿井的安全生产[1-2]。虽然浅部煤炭资源逐渐枯竭，但深部煤炭资源储量丰富、煤质较好，因此，煤矿逐步向深部水平延伸开采，不得不面临灰岩水害的威胁。近年来，两淮矿区发生过较大的灰岩突水事故，如2013年2月3日淮北矿业集团桃园煤矿发生一起奥灰陷落柱突水，事故造成1人死亡，矿井被淹；2017年潘二煤矿“5·12”灰岩突水事故，最大突水量为14 520 m3/h，事故造成矿井被淹 [3-4]。深部灰岩水一旦通过导水通道涌入工作面，就会造成难以估计的经济损失和恶劣的社会影响。笔者以淮南矿区顾北煤矿南-1煤采区为研究对象，系统分析了深部灰岩水害探查治理技术方法[5-7]，论证了防治水工程治理效果。

1 研究区水文地质条件

淮南矿区根据断层分布及富水性特征将水文地质单元划分为南、中、北三大类，而中部和南部单元又分别有3～4个亚类，即中-1～中-3和南-1～南-4。淮南矿区水文地质划分如图1所示。顾北煤矿南-1煤采区含水层自上而下有新生界松散含水层、二叠系煤层砂岩裂隙含水层及深部灰岩岩溶裂隙承压含水层。

在井下实际生产期间，松散含水层不会造成威胁，而在煤岩巷掘进期间，煤系砂岩水常以淋、滴水为主，通常也不会造成突水威胁。研究区内A组煤层底部太原组灰岩岩溶裂隙承压含水层由于水压较高，且隔水层间距较小，对工作面开采构成的威胁较大。

采区内太原组灰岩含水层12～13层，即含水层。根据岩性岩相和含水层富水性特征，将其分为3个含水组：灰岩为C3Ⅰ组灰岩含水组灰岩为C3Ⅱ灰岩含水组灰岩为C3Ⅲ灰岩含水组。C3Ⅰ组灰岩含水层作为1煤层底板直接充水含水层，厚度为29.6～35.0 m，单位涌水量q为0.000 43～0.002 30 L/(s·m)、渗透系数K为0.001 20～0.009 72 m/d，上距1煤层底板14.6～25.4 m。太灰含水层富水性整体较弱，以静储量为主，补给较差。

同时区内奥灰钻孔揭露资料显示，奥灰厚度65.4～68.9 m，区内补勘钻孔抽水试验资料显示，单位涌水量q为0.000 46～0.000 70 L/(s·m)、渗透系数K为0.000 63～0.000 97 m/d，富水性弱。通常在没有垂向导水通道或陷落柱发育区域内，奥灰水与上部太灰水之间的水力联系较弱。

2 研究区灰岩疏放性试验

为查明南-1煤采区C3Ⅰ组灰岩含水层岩溶发育、富水性、渗透性等特征及其空间变化规律，查明C3Ⅰ组灰岩含水层与下部相邻含水层C3Ⅱ组、C3Ⅲ组灰岩含水层以及奥陶系和寒武系灰岩含水层之间水力联系，确保受灰岩水影响矿区A组煤层安全开采，顾北煤矿先后在南-1煤采区对C3Ⅰ组灰岩含水层实施两期多阶段井下灰岩群孔放水试验工程[8]。

第一期放水试验于2020年3月、12月分两阶段在13121运输巷底抽巷开展井下C3Ⅰ组灰岩群孔放水试验。试验实施期间(2020年3月20日-29日、2020年12月7-23日)利用地面27个水位观测孔、129个灰岩钻孔对C3Ⅰ组灰岩含水层的疏放情况进行研究分析。

通过收集放水试验过程中水位、水压及水温变化资料，表明浅部灰岩含水层与试验区域深部灰岩含水层之间水力联系不密切，采区A组煤底板灰岩含水层以静储量为主，岩溶裂隙不发育，C3Ⅰ 组含水层与下部灰岩含水层之间的补给和径流条件较差，C3Ⅰ 组含水层具有“衰减快、易疏放”的特点。

2021年4-5月开展了顾北煤矿南-1煤采区第二期群孔放水试验，本次放水试验选取37个试验孔，其中井下放水及测压孔24个，包含13121运输巷底抽巷C3Ⅰ组灰岩疏放水孔1个，地面灰岩水位观测孔13个。地面观测孔的位置分布如图2所示。

在对井下灰岩钻孔进行疏放试验期间，通过动态监测地面灰岩观测孔水位变化情况，如图3～图5所示，井下灰岩疏放水体主要为C3Ⅰ组灰岩水体，在疏放及恢复过程中，采区内C3Ⅲ组、奥陶系、寒武系灰岩组水体水位未有明显变化。此现象分析认为：采区内C3Ⅰ组灰岩水体与深部奥陶系、寒武系灰岩水体之间未存在水力联系，同时反映采区地面区域探查治理工程效果显著，成功封堵了C3Ⅰ组灰岩水体与深部C3Ⅲ组、奥灰含水层水体之间的垂向裂隙通道。

3 研究区地面区域探查治理

前期通过地面三维地震和瞬变电磁探查南-1煤采区内断层发育概况及底板灰岩富水性异常区分布特征，地面探查共发现15处底板低阻异常区，11处灰岩低阻异常区及11处低阻异常区。在详细调查的基础上，系统开展了地面区域注浆治理工程。南-1煤采区内共实施5个主孔、72个分支钻孔，钻孔终孔层位于灰岩，累计实际钻孔量50 195 m，注浆水泥总量28.036万t。钻探期间出现漏失异常及其他非地质条件造成的事故均得到有效处理，注浆质量达到设计要求。

从注浆设计原则中钻孔间距的合理性角度进行研究分析，运用COMSOL Multiphysic数值模拟不同注浆参数下水泥浆液在灰岩地层中的扩散规律[9-10]。本次研究注浆参数以注浆压力7 MPa，粘度系数0.008 Pa·s，水灰比1.9为基准，通过修改注浆压力P、粘度系数μ和水灰比R等参数，罗列出4种工况进行注浆模拟分析，具体情况见表1。不同工况条件下浆液扩散模拟如图6所示。

图6中棕色区域为浆液充填完全密实区，其范围外有一层半密实区浆液扩散圈层，再往外延伸至无压区。当浆液扩散至半密实区边缘时，注浆压力显著降低，注浆效果较差，在密实区范围时，注浆压力较大，岩层中的裂隙被浆液完全充填，注浆效果较好。

通过对以上4种工况条件进行模拟分析，探究出注浆参数与浆液有效扩散半径之间的关系，为实际地面区域治理工程中注浆参数选择提供一定的理论指导。本次研究的各种工况条件下浆液有效扩散半径见表2。

由注浆工程质量分析结果可知，采区内所有注浆孔压力均在7.0 MPa以上，注浆孔间距为60 m。浆液扩散范围数值模拟结果显示，注浆压力为7.0 MPa时，岩体浆液有效扩散半径为30 m以上，并且随着注浆压力的增大，浆液扩散半径呈现明显的增大趋势；粘度系数与浆液扩散半径呈现负相关关系，即粘度系数越小，扩散半径越大；水灰比与浆液扩散半径呈现正相关关系。综合以上4种工况分析：注浆压力对注浆扩散半径的影响最为明显，粘度系数次之，水灰比影响最小。

由于地面区域治理期间实际注浆参数标准要高于以上4种工况条件的标准，因此能够满足13521工作面底板探查治理工程中注浆钻孔间距60 m的要求，其钻孔设计方案是合理可行的。

4 研究区井下综合验证

地面区域探查及注浆治理结束后，利用井下钻探和物探相结合的方法对采区底板灰岩治理效果进行验证评价。

4.1 井下综合物探

采区内工作面回采前煤矿开展了多种物探工程，如三维电法、音频电透视法及瞬变电磁法综合探查煤层底板以下60 m范围内的相对低阻异常区分布情况，综合分析后共发现11处低阻异常区，分别为13121工作面D-YC1～D-YC4、13321工作面D-DZ1～D-DZ6及13521工作面D-DZ1。富水异常区具体位置如图7所示。

4.2 井下钻孔验证

工作面相关物探施工结束后，通过施工井下定向长钻孔方式对地面区域注浆治理效果及物探富水异常区情况进行验证，钻孔终孔层位为C35灰岩含水层。钻孔施工至终孔层位后，部分钻孔无水，其余出水钻孔的出水量小，单孔最大出水量小于3.0 m3/h。

经过水质化验分析，出水钻孔水中含量等绝大多数指标与C3Ⅰ、C3Ⅱ组水质离子含量相近，含量与C3Ⅲ中离子含量较接近，但总体上更倾向于C3Ⅰ、C3Ⅱ组灰岩，与C3Ⅲ与O1+2水样差异较大。钻孔水压值与灰岩水压相比明显下降，最大水压值2.0 MPa。通过对矿井地质资料分析，矿井奥灰水水温通常超过39 ℃，但出水钻孔的水温均在30～37 ℃。从水质、水温、水压3方面论证了钻孔出水水源来自于浅部灰岩含水层。同时采区内综合物探探查出的11个相对低阻异常区均有2个以上定向长钻孔穿过，通过定向钻孔基础资料说明了异常区范围内富水性较弱。

5 结论

矿井以“先探查后治理，治理评价合格后开采”的原则，先后开展了地面和井下综合物探和钻探工程，对南-1煤采区底板灰岩水害进行治理，并得出以下结论：

(1)C3Ⅰ组灰岩含水层为A组煤开采的直接充水水源，通过井下疏放水试验表明浅部C3Ⅰ组灰岩含水层与下部灰岩含水层之间水力联系不密切，C3Ⅰ组灰岩含水层以静储量为主、补给差，具有可疏放性的特点。

(2)井下综合物探和钻探成果表明，井下出水验证钻孔的水源不是来自于深部C3Ⅲ组和奥灰含水层。地面区域治理后，有效阻隔深部C3Ⅲ组和奥灰含水层与上部灰岩含水层之间的水力联系，注浆效果较好。

(3)地面区域探查治理技术克服了井下水害治理空间局限的问题，地面多分支定向水平钻孔探查治理技术逐渐成熟并推广为我国煤矿深部灰岩水害防治提供技术支撑。

参考文献：

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Discussion of exploration and treatment technology of limestone water disaster in the first mining area of Group A coal seam in Gubei Coal Mine

CAI Youjing, DOU Chunyuan, WEI Jian

(Gubei Coal Mine, Huaizhe Coal and Electricity Co., Ltd., Huainan, Anhui 232001, China)

Abstract Based on the analysis of the actual production of Group A coal seam mining in Huainan mining area, it was found that the limestone water disaster in the coal seam floor was one of the main factors threatening the mine safety production. Taking the mining of Group A coal seam in Gubei Coal Mine as the background, the drainage performance of limestone water in the first mining area of Group A coal seam was analyzed and studied, which showed that the limestone aquifer of C3 I group was the direct water filling source for Group A coal mining, it had no close hydraulic connection with the lower limestone aquifer, and the limestone aquifer was dominated by static reserves with poor recharge and a certain drainage capacity. The effects of limestone water disaster treatment of the study area were verified and evaluated.

Key words limestone water disaster; drainage performance; ground regional treatment; underground comprehensive geophysical prospecting; Gubei Coal Mine

引用格式：蔡有京，窦春远，魏健.顾北煤矿A组煤首采区灰岩水害探查治理技术探讨[J].中国煤炭，2022,48(1)∶39-45. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.01.007

CAI Youjing, DOU Chunyuan, WEI Jian .Discussion of exploration and treatment technology of limestone water disaster in the first mining area of Group A coal seam in Gubei Coal Mine [J].China Coal,2022,48(1)∶39-45. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2022.01.007

作者简介：蔡有京(1994-)，男，安徽淮南人，助理工程师，硕士，从事煤矿防治水研究。E-mail:1598716541@qq.com

中图分类号 TD745

文献标志码 A

(责任编辑 张艳华)