0 引 言
河北省南部的邯邢矿区属典型的华北型石炭二叠系煤田大水老矿区，煤系基底存在巨厚奥陶系岩溶强含水层，水文地质条件极其复杂。冀中能源集团在该地区有10处采深超过800 m的深井，其中4处超1 000 m，这些大采深矿井面临着“三高一扰动”开采条件，即高地应力、高地温、高水压和底板采动破坏扰动大[1]，深部2号煤开采面临奥灰突水威胁。另有5处开采下组煤9号煤层的矿井，受奥灰强岩溶水及底板薄层灰岩水威胁严重。
围绕深部煤层开采的底板突水预测及灾害控制，国内相关专家学者进行了大量的科学研究，取得了丰富的学术成果。董书宁等[2]在现有奥灰顶部地质及水文地质条件认识的基础上，提出了部分矿区奥灰顶部存在阻水性能较好的风化充填带可作为隔水层利用的理念，为奥灰顶部含水层改造提供了依据。赵家巍等[3]研究了大采深、高水压条件下含不同隐伏构造类型底板高承压水的始渗条件和渗流路径扩展规律，确定了矿井底板突水条件及重点治理区域。尹尚先等[4]系统研究了华北型煤田岩溶陷落柱的发育特征、成因机制、发育规律及预测、突水模式及机理、探查治理等基本理论及技术体系。为解决邯邢矿区上组煤大采深矿井及下组煤9号煤层安全开采防治水难题，自2008年以来，冀中能源集团积极开展了华北型煤田深部煤层开采区域防治水理论与成套技术研究[1]，首次提出了“区域超前治理”奥灰岩溶水害理念和“超前主动、区域治理、全面改造、带压开采”的防治水指导原则[5]；建立了煤层底板突水岩石力学和流体力学模型，首次提出了煤层底板突水“多时段分带突破”突水机理[6-8]；开展了裂隙含水层水平孔注浆原理研究，从理论上提出了裂隙含水层水平孔注浆“三时段”浆液扩散机理[9]，为区域注浆治理裂隙含水层和复杂地质构造条件下的浆液控制及治理钻孔的合理布置提供了理论指导，填补了水平孔注浆扩散机理的研究空白；提出了以地面区域治理为主的“先治后掘、先治后采”治理模式[10]；形成了采用地面多分支定向钻进技术对煤系地层基底奥灰纪灰岩或煤层底板薄层灰岩进行地面区域治理关键配套技术[11-15]。张党育[16]对矿井水害区域治理关键技术与研究方向进行了探讨，提出了在钻探及注浆工艺等方面亟待解决的问题，针对深部奥灰岩溶发育特征及治理模式、浆液扩散机理及可控注浆、最小安全治理范围及水文地质信息综合判识等技术开展系统性研究。
目前，冀中能源集团邯邢矿区地面水害区域治理技术已经推广应用到11处矿井，大规模突水事故得到有效遏制，区域治理关键技术不断取得突破，通过多年的实践，形成了一套水害区域治理技术体系，但在奥灰区域治理层位选择、治理模式和工作面安全治理范围等方面研究不够深入，致使区域治理效果不够理想。笔者就近几年冀中能源集团在这些关键技术方面的新进展进行系统研究，以期为其他类似矿区水害区域治理提供技术参考。
1 邯邢矿区主采煤层及主要含水层概述
邯邢矿区煤系地层为石炭二叠系，煤层主要分为上组煤和下组煤，上组煤指华北型煤田二叠系山西组1、2、2下煤层、石炭系太原组4、5、6号煤层。下组煤指华北型煤田石炭系太原组7、8、9号煤层。上组煤主采2号和4号煤，下组煤主采9号煤。
2号煤下伏主要含水层自上而下为野青灰岩含水层、山伏青灰岩含水层、大青灰岩含水层、本溪灰岩含水层和奥灰含水层。2号煤下距奥灰150～180 m，4号煤下距大青灰岩约70 m，下距奥灰约110 m左右。上组煤开采一般只受砂岩裂隙水和薄层灰岩水影响，存在垂向导水通道时，奥灰水成为直接威胁。9号煤下距奥灰30～40 m，间夹1层本溪灰岩含水层(厚1.0～9.0 m，仅在邢台矿区葛泉矿东井较厚)，直接受奥灰水威胁。
2 奥灰区域治理层位选择
邯邢矿区煤系基地奥灰岩溶含水层厚度480～690 m，主要岩性由灰色纯灰岩、白云岩、白云质灰岩组成，根据岩性变化和沉积特征，可划分为三组八段。按其裂隙发育程度和富水特征，自下而上，二、四、五、七段为强含水层，一、三、六、八段为弱含水层。奥灰的富水性具有随着埋藏深度的增加而减弱的特征，奥灰顶部的峰峰组是威胁煤层开采的最主要的含水段，其顶部八段一般为30 m左右。在其顶部一般存在着一定厚度的古风化壳，厚度一般为5～15 m，多被黏土质充填[1]。充分利用奥灰顶部存在的相对隔水段并对其进行注浆改造，消除奥灰顶部的溶蚀溶洞、断层构造及裂隙等薄弱地质缺陷，将其改造为相对隔水层，增加隔水层有效厚度，解决大采深矿井深部开采及下组煤开采过程中所面临的突水威胁，是上组煤大采深矿井及下组煤安全开采的一条有效途径。因此，以往奥灰区域治理的目标层选择一般选在八段底部、七段顶部。
邢台矿区邢东矿对埋深1 000 m以深的2号煤层进行了地面区域探查治理，奥灰八段较厚为70 m，治理层位最初选择在奥灰顶面以下70～90 m。治理工程实施后，区域治理范围内的2125、2126、2228工作面回采时相继发生了奥灰出水事故。经分析，主要原因是邢东矿奥灰八段层厚比其他矿井厚一倍以上，区域治理层位选择太深，浆液向上扩散有限，奥灰顶部裂隙未得到有效治理；同时奥灰水压高达12 MPa以上，奥灰水原始导升高度未得到消除，加之采深大，工作面采动底板破坏深度大，致使奥灰浅层裂隙水沿裂隙破碎带涌出。随后及时将治理层位调整为奥灰顶面以下10～50 m进行了二次区域治理，对奥灰上层段裂隙进行了注浆封堵，消除奥灰原始导升高度，隔断向上补给通道，治理后的2129工作面实现了安全生产。
通过上述实例可以看出，根据目标层的岩溶发育程度及可注性，合理选择钻孔目标层位是区域治理工程设计的关键。对于奥灰顶部改造治理而言，应遵循以下原则：根据具体带压开采条件，按治理后突水系数不大于0.1 MPa/m，确定奥灰顶面下合理治理厚度，一次性改造厚度一般不超过40 m，超过40 m时应自上而下选择双层或多层治理。
3 底板岩溶水害多层“三维立体”区域综合治理新模式
根据近几年防治水实践，采用地面区域治理或井下底板注浆加固单一的治理模式难以取得良好的治理效果，必须研究和探索井上下相结合的综合治理模式，方可保证区域治理的有效性和安全性，分2种情况加以介绍。
3.1 下组煤9号煤层开采水害区域治理模式
邢台矿区葛泉矿东井开采下组煤9号煤层，赋存较浅，由于9号煤层至奥灰顶面的隔水层厚达35～55 m，一般在40 m以上，9号煤层下23 m的本溪灰岩含水层平均厚7 m，富水性中等。目前开采区域突水系数均不超过0.1 MPa/m，以往一直采用工作面井下底板全面注浆加固改造本溪灰岩含水层的治理模式，实现了安全生产。
1293工作面是该矿第17个工作面，9号煤层底板标高在-70—-125 m，奥灰突水系数为0.039～0.053 MPa/m。通过实施井下底板全面注浆加固改造本溪灰岩含水层，工作面及外围60 m共施工钻孔308个，注入水泥18 926.3 t水泥，检查孔水量全部小于10 m3/h。该工作面在回采过程中，发生了水量293 m3/h的奥灰出水事故。此次出水事故表明，仅采用单一的井下底板全面注浆加固改造本溪灰岩含水层的治理模式，已不能保证9号煤层安全开采。
为此，调整9号煤层安全开采治理模式为：采用地面区域治理奥陶系灰岩与井下底板注浆加固改造奥灰顶部相结合、顺层治理与穿层治理相结合、奥灰顶部与本溪灰岩同时治理的“三维立体”综合治理模式，如图1所示。
图1 9号煤“三维立体”综合治理模式示意
Fig.1 "Three-dimensional " comprehensive treatment model for No.9 coal seam
3.2 深部2号煤层受多层底板岩溶水害威胁区域治理模式
峰峰矿区梧桐庄矿182602工作面为2号煤六采区首采工作面，工作面标高为-704.3—-800.0 m，埋深达950 m，走向长度834 m，倾向长度264 m，煤层厚度为3.13 m。野青灰岩含水层平均厚度2.5 m，上距2号煤37 m，富水性较弱，原始突水系数为0.18 MPa/m；山伏青灰岩含水层厚度5.5 m，上距2号煤平均72 m，富水性不均一，局部相对富水，原始突水系数为0.13 MPa/m；大青灰岩含水层厚度5～6 m，上距2号煤底板平均115 m，富水性中等、不均一，原始突水系数为0.094 MPa/m；奥陶系灰岩含水层上距2号煤平均150 m，强富水，原始突水系数0.072 MPa/m。工作面外存在F3-1断层，落差170 m，断层下盘奥陶系灰岩含水层水侧向补给上盘(工作面侧)野青灰岩、山伏青灰岩和大青灰岩，因此，该工作面受多层底板岩溶水害威胁。针对该工作面复杂的水文地质条件，治理目标层除奥陶系灰岩含水层外，还需对上部野青灰岩、山伏青灰岩和大青灰岩3个薄层灰岩含水层进行“三维立体”综合治理，治理模式如图2所示。
图2 2号煤“三维立体”综合治理模式示意
Fig.2 "Three-dimensional " comprehensive treatment model for No.2 coal seam
3.2.1 工作面水害地面区域治理工程实施
该工作面地面区域治理工程共施工8个主孔，41个奥灰水平分支孔，1个大青水平分支孔，4个山伏青水平分支孔，共完成钻探工程量44 437.9 m，累计注浆41 911.5 t。工作面安全治理范围为回风巷外围174.5 m、运输巷外围180.3 m、工作面开切眼外围174.5 m、设计终采线外围178.5 m。182602工作面地面区域治理工程成果如图3所示。
图3 182602工作面地面区域治理工程平面图
Fig.3 Plan view of ground area improvement project of No.182602 working face
3.2.2 工作面井下底板注浆加固治理工程实施
在井下施工穿层钻孔进一步对多层薄层灰岩进行注浆加固，共施工钻孔288个，钻探进尺22 486.5 m，注浆2 613.89 t。工作面井下底板注浆加固治理工程成果如图4所示。
图4 182602工作面井下底板注浆加固治理工程平面图
Fig.4 Plan of underground floor grouting reinforcement treatment project of No.182602 working face
182602工作面经过多层位、井上下相结合的水害三维立体综合治理，底板多层灰岩水害得到根治，最终实现了工作面安全回采，为类似水文地质复杂条件工作面水害治理积累了宝贵经验。
4 工作面安全治理范围
峰峰矿区九龙矿15252工作面是开采上组煤2号煤层工作面，采深最深达990 m，采前按照冀中能源集团原水害地面区域治理标准对15252工作面及外围34 m范围奥陶系灰岩含水层进行了地面区域治理，但在回采时发生了最大水量300 m3/h的奥灰突水事故。通过地面定向孔治水工程探明突水通道在工作面外87 m处，位于原地面区域治理范围以外，最终导致工作面出水。15252工作面地面区域治理钻孔布置及出水通道如图5所示。
图5 15252工作面地面区域治理钻孔布置及出水通道平面图
Fig.5 Plan of drilling layout in ground regional control and water outlet channel of No.15252 working face
此次事故的教训表明，区域治理范围应以采区或大的构造、水文地质单元为单位，但在实施过程中，由于采掘接替紧张，有可能在完成一个工作面的治理工程之后就开始采掘工作，此时区域治理工程仅覆盖工作面范围内底板含水层，周边未治理区域奥灰水仍威胁采掘工程安全。因此，合理确定地面治理工作面最小安全范围非常重要。
4.1 工作面最小安全治理范围计算方法
地面区域治理的主要目的是从奥灰含水层根源上封堵隐伏陷落柱和断层等垂向导水构造，工作面最小安全治理范围应考虑其外围存在垂向导水构造的情况下，工作面侧向与垂向导水构造之间应留有足够的安全距离。分以下3种情况确定。
1)工作面外围无断层构造时，工作面最小安全治理范围按照上平巷、下平巷、开切眼及边眼煤层底板最低标高分别计算顺煤层方向防水煤柱宽度，上平巷外治理范围按防水煤柱宽度L沿岩层法线方向交到奥灰顶面的范围确定，下平巷外治理范围按防水煤柱宽度L′铅垂投影到奥灰顶面的范围确定，如图6所示。
按L=0.5KM和L=P/Ts分别计算，取较大值。其中：K为安全系数，取5；M为煤层厚度或采高，m；P为煤层底板最低标高承受的水压(突水系数法按奥灰顶面计算水压)，水位标高按近3年奥灰含水层最高水位，MPa；Ts为突水系数，取0.06 MPa/m。
2)按前述确定的奥灰治理范围至开采煤层之间存在断层时，由奥灰顶面与断层巷道外侧一盘交线外推平距50 m范围与前述确定的奥灰治理范围L进行对比，取较大的范围作为工作面外围最小安全治理范围，如图7—图10所示。
图6 工作面外围无构造时外围最小治理范围计算示意
Fig.6 Calculation of the minimum peripheral control range when there is no structure around the working face
图7 工作面回风巷外侧存在正断层且工作面位于上盘时外围最小治理范围计算示意
Fig.7 Calculation of minimum peripheral treatment area when there is a normal fault on outside of lane on working face and the working face is on the upper wall
图8 工作面回风巷外侧存在正断层且工作面位于下盘时外围最小治理范围计算示意
Fig.8 Calculation of the minimum peripheral treatment area when there is a normal fault outside the lane on the working face and the working face is located in the lower wall
3)若工作面沿采空区布置，应考虑重复叠加采动破坏，工作面采空区一侧最小安全治理范围不得小于1.5倍的区域治理分支孔孔间距。
图9 工作面下平巷外侧存在正断层且工作面位于下盘时外围最小治理范围计算示意
Fig.9 Calculation of the minimum peripheral treatment area when there is a normal fault outside the lower lane of the working face and the working face is located in the lower face
图10 工作面下平巷外侧存在正断层且工作面位于上盘时外围最小治理范围计算示意
Fig.10 Calculation of the minimum peripheral treatment area when there is a normal fault outside the lower lane of the working face and the working face is located on the upper wall
5 结 论
1)区域治理工程设计的关键是合理选择目标层位，对于奥灰顶部改造治理而言，应遵循以下原则：根据具体带压开采条件，按治理后突水系数不大于0.1 MPa/m确定奥灰顶面下合理的治理厚度，一次性改造厚度一般不超过40 m，超过40 m时应自上而下选择双层或多层治理。
2)针对底板存在多层岩溶水害威胁复杂水文地质条件，单一的治理模式难以保证治理效果，须采用多层“三维立体”综合治理模式，做到地面区域治理奥陶系灰岩与井下底板注浆加固相结合、顺层治理与穿层治理相结合。
3)底板岩溶水害地面区域治理主要目的是从奥灰含水层根源上封堵隐伏陷落柱和断层等垂向导水构造，工作面最小安全治理范围对保证安全开采至关重要，笔者提出了6种情况下工作面最小安全治理范围计算方法。
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