底板灰?guī)r水地面區(qū)域超前探查治理技術(shù)研究

梁海洋

（江蘇煤炭地質(zhì)勘探二隊(duì)，江蘇 徐州 221006）

近年來，我國東部煤礦隨著礦井采掘深度的增加，煤層底板承受灰?guī)r水壓越來越大高，受陷落柱、隱伏斷層等構(gòu)造的影響，煤層底板灰?guī)r水害威脅越來越大。2013年，淮北礦區(qū)朱莊煤礦首先開始采用近水平定向鉆探技術(shù)和注漿技術(shù)對煤層底板進(jìn)行區(qū)域探查治理與改造。

地面超前區(qū)域探查治理鉆探技術(shù)是指從地面垂直開孔，以一定角度在目標(biāo)層位灰?guī)r中施工定向分支鉆探孔探查垂直隱伏構(gòu)造并進(jìn)行注漿改造的一項(xiàng)新的水害探查治理技術(shù)[1-2]。本文根據(jù)新集二礦的水文地質(zhì)條件和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研究2301 治理區(qū)1 煤組煤層底板灰?guī)r性均弱。

1 礦水文井地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)概況

新集二礦礦井主要開采煤層為13-1 煤、11-2 煤、8 煤、6-1 煤、9上煤、1上煤及1 煤層，目前開采煤層為1 煤。

2301 治理區(qū)1 煤組平均厚9.6 m，結(jié)構(gòu)為4.4（1.1）4.1 m。由于受南北主構(gòu)造應(yīng)力的影響和控制，煤層為總體傾向NNE 的單斜，傾角5 ～29°，平均傾角10°，局部大于30°。

受構(gòu)造和沖刷作用的影響，1 煤、1上煤在治理區(qū)范圍內(nèi)產(chǎn)狀及厚度變化較大。2301 治理區(qū)特別是東部距阜鳳逆沖斷層、阜鳳下夾片斷層和壽縣老人倉斷層較近，受三個(gè)大斷層影響，治理區(qū)內(nèi)地層傾角變化較大，次一級褶皺構(gòu)造、中小斷層及小褶曲較為發(fā)育，煤層厚度及產(chǎn)狀有一定變化。在治理區(qū)南部06 線附近和治理區(qū)北部0802 孔附近區(qū)域內(nèi)，1 煤組煤層受沖刷作用影響，造成1上煤缺失，局部1 煤變薄。由于對1上煤缺失區(qū)的范圍控制不清，治理區(qū)內(nèi)的中小斷層、褶曲等構(gòu)造不詳，都給掘進(jìn)和回采帶來較大影響。

1.2 水文地質(zhì)

1.2.1 太原組灰?guī)r水

根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果，太原組灰?guī)r水各段水位相差不大，一般在-30 m 左右；單孔涌水量10-5～10-3L/（s·m），滲透系數(shù)一般在10-3m/d；反映鉆孔附近灰?guī)r富水性和滲透太原組灰?guī)r水位呈現(xiàn)大幅下降趨勢。

2301 治理區(qū)南部為1 煤2101 采區(qū)。2101 采區(qū)工作面底板截水巷掘進(jìn)期間均揭露C31～2層灰?guī)r，揭露時(shí)未發(fā)生出水現(xiàn)象；采區(qū)工作面施工見底板灰?guī)r292個(gè)，出水鉆孔74 個(gè)，最大初始水量15 m3/h，出水率為25.34%。太原組灰?guī)r水文長觀孔自觀測以來，水位總體呈下降趨勢，未因1 煤2101 采區(qū)采掘出現(xiàn)異常變化。

2101 采區(qū)210106 工作面掘進(jìn)期間對C3I、C3II組灰?guī)r開展了壓水試驗(yàn)，根據(jù)壓水試驗(yàn)結(jié)果，說明橫、縱向及垂向連通性較差，巖層整體抗壓能力達(dá)到8 MPa 以上。

目前補(bǔ)勘及井下實(shí)際揭露資料表明，1 煤組底板石炭系太原組灰?guī)r補(bǔ)、徑、排條件較差，各段及全層灰?guī)r富水性弱，缺少豐富補(bǔ)給水源，以靜儲量為主，具有高水壓、弱富水、不均一、難疏降的特點(diǎn)；太灰之間、太灰和奧灰之間，底板灰?guī)r與其他含水層之間未發(fā)現(xiàn)明顯的水力聯(lián)系。但由于富水性不均一，存在局部富水的可能，這是治理區(qū)開采的主要水害威脅。

1.2.2 奧陶系灰?guī)r水

奧陶系灰?guī)r水位在-30 m 左右，略高于太原組灰?guī)r水位；單孔涌水量10-2L/（s·m），滲透系數(shù)在10-2～10-1m/d，反映鉆孔附近處灰?guī)r富水性和滲透性較弱，但強(qiáng)于太原組灰?guī)r水，水位動態(tài)則為穩(wěn)中有降。

群孔抽水試驗(yàn)表明，奧灰與石炭系太原組灰?guī)r水力聯(lián)系較差，正常情況下底板奧陶系灰?guī)r水基本上不會直接對采區(qū)工作面充水而威脅安全生產(chǎn)，但不排除遇垂向?qū)畼?gòu)造導(dǎo)致底板灰?guī)r出水可能。2018年4月，治理區(qū)域奧灰水標(biāo)高-50 m，基本穩(wěn)定；2301 采區(qū)東翼12灰底板標(biāo)高-796～-890 m，靜水壓力7.46～ 8.40 MPa。

2 地面區(qū)域超前探查治理技術(shù)

定向分支鉆孔，就是在地面鉆鑿直孔，在適當(dāng)?shù)纳疃冗M(jìn)行定向造斜施工，在一定深度形成軌跡受控水務(wù)定向水平（近水平）孔，在水平孔一側(cè)或兩側(cè)實(shí)施帶狀若干分支孔[3-5]。與煤礦傳統(tǒng)井下探查孔相比，其具有控制面積大、軌跡受控精度高、施工設(shè)備能力大、施工安全程度高、不受場地環(huán)境影響、可進(jìn)行超前探查等優(yōu)點(diǎn)，已越來越多地替代傳統(tǒng)井下探查井應(yīng)用到煤礦底板灰?guī)r水害探查與治理中[6]。

采用地面定向分支鉆孔對新集二礦1 煤組2301（東翼治理區(qū)底板灰?guī)r水）進(jìn)行地面超前區(qū)域探查治理，重點(diǎn)探查治理1 煤組底板灰?guī)r垂向隱伏含（導(dǎo)）水通道和富水區(qū)，結(jié)合區(qū)域超前探查治理后的井下效果驗(yàn)證，開展地面超前探查治理效果及開采安全性評價(jià)，保障1 煤組工作面安全高效開采。

根據(jù)地面補(bǔ)勘及井下探查情況，C3I、C3II 組灰?guī)r水文地質(zhì)條件較清楚，灰?guī)r弱富水性、低存儲、少補(bǔ)給、低滲透，且根據(jù)新集二礦1 煤底板石炭系太原組C3II 組灰?guī)r含、隔水性評價(jià)項(xiàng)目研究結(jié)論，C3I、C3II 組灰?guī)r可作為相對隔水層使用，繼續(xù)探查治理C3I、C3II 組灰?guī)r意義不大，因此選取C3Ⅲ組灰?guī)r為探查治理層位；本次地面超前區(qū)域探查治理目的層位選取C312灰?guī)r，定向分支鉆孔設(shè)計(jì)沿C312灰?guī)r層內(nèi)施工，滿足奧灰?guī)洪_采突水系數(shù)要求；根據(jù)目前底板奧陶系灰?guī)r水位-47.94 ～-62.05 m，以滿足突水臨界值0.1 MPa/m 反算，現(xiàn)階段超前區(qū)域探查治理范圍內(nèi)底板隔水層厚度最大需達(dá)到78 m，選取C312灰?guī)r滿足要求（C312灰頂板距1 煤底板距離100 m，底板破壞深度19 m）；C312灰?guī)r全區(qū)穩(wěn)定發(fā)育，平均發(fā)育厚度14.24 m，為太原組各層灰?guī)r之中最厚，可以保證較高的鉆孔穿層率和成孔率。

3 地面超前區(qū)域探查治理設(shè)計(jì)

3.1 垂直主孔位置

本次是對2301 治理區(qū)東翼采區(qū)做探查。從工程量最優(yōu)、施工便利等方面考慮，治理區(qū)東部施工1 個(gè)地面主孔，垂直主孔位置選取在09 勘探線以西38 m，地面標(biāo)高約+20.5 m。地面主孔施工場地為農(nóng)田，交通便利，管理方便。區(qū)內(nèi)1 煤組底板標(biāo)高約-650～-760 m，太原組12 灰底板標(biāo)高約-785 ～-875 m。2301 治理區(qū)1 煤底板等高線圖和12 灰底板等高線圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 2301 治理區(qū)1 煤底板等高線圖

圖2 2301 治理區(qū)12 灰底板等高線圖

3.2 鉆孔布置方案

對2301 治理區(qū)域全覆蓋探查治理，鉆孔軌跡沿太原組12 灰?guī)r順層鉆進(jìn)，與主構(gòu)造呈大角度斜角，分支鉆孔平行間距60 m；自地面主孔施工17 個(gè)定向分支順層鉆孔，S2-1#～S2-6#分支為沿工作面走向平行布置，S2-7#～S2-17#分支為羽狀平行布置，其中分支順層段長370～1 390 m，總工程量16 290 m。根據(jù)井下采掘要求，為確保230106 底板巷的正常掘進(jìn)，分支孔施工順序?yàn)椋合仁┕?-2#分支，再施工2-1#、2-3#分支，采用跳注方法檢驗(yàn)孔間距的合理性。2301 采區(qū)鉆孔平面圖如圖3所示。

圖3 2301 采區(qū)鉆孔平面圖

4 結(jié)論

依據(jù)新集二礦煤層底板灰?guī)r水害特征分析，太灰水和奧灰水害主要是由于存在隱伏導(dǎo)水構(gòu)造，隔水層不完整，是厚層非完整隔水層灰?guī)r水害類礦井。在煤層底板灰?guī)r水超前區(qū)域探查治理中廣泛應(yīng)用的定向水平孔鉆進(jìn)技術(shù)，具有高效、經(jīng)濟(jì)、安全、效果優(yōu)良的特點(diǎn)。。