本文是一篇工程硕士论文，本文针对董家河煤矿三采区的水文地质条件，着重研究了其承压水水压和底板破坏深度，通过理论和模拟实验分析了其底板和断层区域发生突水的机理，最后提出了注浆加固的水害防治措施.
1 绪论
1.1 研究背景
煤炭作为重要的化石能源，目前在我国一次能源结构中占比超过60%，如何实现煤矿安全高效开采是确保我国能源经济健康发展的关键问题。由于浅埋煤层资源日渐枯竭，煤矿的开采强度、深度逐渐增加[1]，其在生产中的灾害显现也逐渐增多。在特殊地质条件下（如断层等），煤层周围往往存在含水层[2]，受煤层采动应力影响以及下覆含水层承载变化影响，巷道围岩往往产生大量裂隙，同时底板发生失稳变形破坏[3]。在断层地质条件下，其内部破碎岩体受其易崩解特性影响下受扰动影响易产生活化流动，形成含水层导水通道，最终导致底板突水等水害灾害的发生，严重威胁了井下工作人员的生命安全，同时也制约了煤矿安全生产[4]。
1.2 国内外研究现状
近些年来，针对煤矿底板突水等水害形成机理及其防治措施，国内外学者进行了大量研究，并取得了丰富的研究成果，例如“突水系数”、“水岩应力”等理论概念以及“下三带”等理论学说，[8]阐明了围岩运动与突水灾害间的耦合机理，为安全防控井下水害、保障矿山安全生产提供了研究思路[9]。
1.2.1 底板突水机理研究现状
国外学者在早期提出了隔水层在底板突水中起到的关键作用，分析了隔水层在这过程当中的阻水能力，通过分析，得出了煤层底板初始承压水压力下底板最小安全厚度的计算公式。
近年来我国学者研究分析了大量的底板隔水层承压能力与隔水层厚度的关系，提出了突水系数的概念和理论。
张平松、欧元超[10]等人对这一概念作了深入研究，并给出了底板采动破坏深度和含水层导高时，突水因子的计算式。
连志远[11]等在现场以及实验资料的基础上，提出了底板“下三带”的概念，并将其划分为底板破裂区、防护区和含水层导升区。底板破裂区是煤层底板在开采过程中所受损伤而产生的导水裂隙，导水带是指底板地层中有裂缝可以充当水流通过的涌水通道，煤层到裂隙最深处的破损范围称之为底板破坏深度，保护带指在开采之前，底板岩层仍保留着原来的封闭能力的那一部分。[12]含水层导升带是指地下承压水可以沿着隔水层的裂隙向上运升，其导升和充水裂隙的展布区域被称为“承压水上升带”[13]。
2 董家河三采区地质与水文条件
2.1 矿井概况
董家河矿设计的年生产能力为0.45Mt/a，2006年确定的年生产能力为0.62 Mt/a，2019年10月，陕西陕煤澄合矿业有限公司董家河煤矿分公司煤炭资源整合项目（1.20Mt/a）通过竣工验收。2019年的产量为83.0万t。董家河煤矿使用综合开拓方式，长壁式采煤方法，顶板管理使用全部垮落法。主要开采5#煤，一水平标高+355m，二水平标高+320m，一水平、二水平一采区和二采区已回采完毕，目前正在回采三采区（图中红框部分），四采区的首采工作面也已经形成（图2-1）。
澄合矿区西部地形地貌为黄土台塬沟壑区，区内黄土冲沟、台塬交错分布，塬面较为宽阔平坦，除谷地外，基本为150~180m厚的黄土覆盖。地势北高南低，地形相对高差150～200m，地面海拔标高＋500～＋726m，井田地面标高在+540～+726m。
2.2 地质概况
2.2.1 区域地质概况
渭北煤田为石炭二叠系海陆交互相台地煤田，位于齐鲁合山弧前东翼。它长约200公里，宽约15公里，面积约3000平方公里。
澄合矿区处于渭北石炭-二叠纪煤田的中部。地层由老至新依次为：奥陶系中统的马家沟组(O2m)和峰峰组（O2f）、石炭系中统本溪组(C2b)、石炭系上统太原组(C3t)、二叠系下统山西组(P1s)及下石盒子组(P1sh)、二叠系上统上石盒子组（P2sh）及孙家沟组（P2s）、三叠系下统刘家沟组(T1l)及和尚沟组（T1h）、三叠系中统纸坊组（T2z）和新生界（Kz）。
（2）区域构造
渭北煤田位于新华夏第三沉降带与鄂尔多斯盆地东南缘复合部位，祁吕贺“山”字形构造弧前东翼内侧，向南通过汾渭地槽与秦岭纬向构造带相望。含煤构造自东北向西南呈“S”型分布。澄合矿区总观呈一倾向西北的大单斜构造体。
澄合矿区位于渭北煤田中部。基本构造形态为北倾单斜构造。地层倾角一般为5~10º，并伴有断层和次级褶皱构造。单斜构造边缘部位构造变动强烈，被NE、NEE向的“组”断层断裂成复杂的复式地垒、地堑构造区或褶皱翘折带，而构造地堑常形成奥陶系灰岩地层的浅陷带，单斜构造南缘为渭河地堑大断裂带，形成南部构造型隔水边界，而单斜构造内部变动简单。断裂构造在矿区占主要地位，走向为东西向、北东~北东东及北北东向，落差100~500m不等。较大的褶曲幅度一般20m左右。 澄河矿区构造形态为东西向、北西向倾斜的单斜构造。它具有光滑的外观，倾斜角度通常在5至10度之间。次生褶皱沿方向和方向发育，并伴有北东向和东西向断裂。大褶皱主要属于宽缓倾斜的背斜、向斜和地层方向变化而产生的NE或NNE轴向倾斜方向。
3 三采区综采面底板奥灰水突水机理研究 ........................ 28
3.1 采动底板应力及裂隙分析 ................................... 28
3.2 底板奥灰水突水极限水压研究 ........................... 30
4 三采区奥灰水防治机理与技术研究 ........................ 52
4.1 注浆加固机理 ........................................ 52
4.2 底板局部注浆与侧向截流效果研究 ........................ 53
5 工业性试验............................... 67
5.1 完成工程量 ............................. 67
5.2 钻探工程 ................................. 68
5 工业性试验
5.1 完成工程量
董家河煤矿F25断层侧向截流与局部注浆加固治理项目自2022年7月22日开工，2023年5月10日完成野外施工任务，施工2个地面定向孔组，含2个主孔、12个分支孔。完成钻探进尺8419.49m，其中一开进尺150.06m，二开进尺1500.24m，三开进尺6769.19m，注水泥4697t，完成压水试验25次（表5-1、5-2），工程平面图见图5-1、图5-2。
6 结论与展望
6.1 主要结论
本文针对董家河煤矿三采区的水文地质条件，着重研究了其承压水水压和底板破坏深度，通过理论和模拟实验分析了其底板和断层区域发生突水的机理，最后提出了注浆加固的水害防治措施，主要成果如下：
（1）研究了三采区含水层和隔水层的分布特征及其承压水的实际水压范围，以及断层在董家河煤矿三采区中的具体分布区域。通过底板破坏深度的经验公式，并计算得到三采区的底板破坏深度为15.57m。借助突水系数理论公式得到三采区5#煤奥灰含水层突水系数约为0.03~0.08MPa/m，得到其局部地区存在突水危险。
（2）通过对三采区工作面的底板和断层区域的突水机理进行研究，建立了底板和断层的极限水压模型进行了工作面开采对底板和断层区域的突水机理研究，发现了底板在采动应力和水压的影响下其裂隙的发育特征，在应力的不断作用下，断层区域的失稳、活化。采用数值模拟方法探究了底板和断层区域在不同的工作面推进长度下对应力分布、塑性区、渗流水压的影响，并总结其相关规律，通过相似模型实验得到的有关规律论证，使之结合起来更准确的对其突水危险性进行分析与评价。
（3）在理论分析、数值模拟、相似模型实验的基础上，针对三采区的突水现状提出了局部注浆加固和侧向截流的总体治理思路，对其注浆机理展开了研究得到其是从底板裂隙特征、注浆改善底板岩性的角度出发，将底板原先的裂隙带和断层区域的破碎区进行填补式处理，使其由不完整平面改善成完整平面。以此分析得出注浆加固是保持底板以及断层稳定的关键。对注浆过程中的关键参数进行了研究，在对比分析的条件下根据井下现场施工条件、注浆工艺以及钻机能力，选用了地面定向钻探施工探查、地面注浆站高压注浆治理的方式进行三采区水害治理。钻孔采用扇骨状和混合布孔，注浆孔间距设计为60m，注浆方式采取分段下行，孔口闭合静压注浆的方法，注浆材料选用以水泥和粉煤灰为主。
参考文献（略）
