邱集煤礦11 煤頂、底板薄層灰?guī)r水害防治技術(shù)研究

杜博濤 王 威 李文江

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054； 2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054）

黃河北煤田是魯西重要的煤炭生產(chǎn)基地，同時(shí)也是山東省重要的后備能源基地之一[1]。隨著區(qū)內(nèi)礦井開采深度不斷增加以及下組煤的開采，煤層開采受煤系底部徐灰以及奧灰高承壓底板突水威脅程度大幅增加[2]。邱集煤礦是黃河北煤田第一對生產(chǎn)礦井，地質(zhì)及水文地質(zhì)條件屬于石炭二疊系煤田，受到太原組薄層灰?guī)r承壓水的威脅，自2003 年投產(chǎn)主采7 煤，為保證礦井正常生產(chǎn)接續(xù)，需開采11煤，但11 煤開采受頂板四五灰、底板徐奧灰?guī)r溶承壓水威脅，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。近年來，利用地面定向近水平鉆探技術(shù)結(jié)合地面注漿工藝的區(qū)域超前治理技術(shù)在煤礦防治水中不斷發(fā)展和應(yīng)用[3-5]。本研究通過采用地面定向順層鉆探與高壓注漿相結(jié)合的探查治理技術(shù)，成功地解決了邱集礦11 煤開采的頂、底板薄層灰?guī)r水害問題。

1 邱集礦11 煤層頂、底板灰?guī)r水害特征

1.1 礦井水文地質(zhì)概況

邱集煤礦為全隱蔽式井田，地層自下而上依次為奧陶系馬家溝組、石炭系本溪組、石炭系上統(tǒng)-二疊系月門溝群太原組、二疊系月門溝群山西組、二疊系石盒子組、新近系和第四系。井田內(nèi)主要含煤地層自上而下分別為山西組和太原組。井田內(nèi)可采及局部可采煤層有7、10、11、13 煤，共4 層。井田內(nèi)主要煤層、含水層及間距關(guān)系見圖1。

圖1 主要煤層及標(biāo)志層間距示意圖

邱集煤礦未來主采11 煤，11 煤厚約2 m，底板等高線介于-305～ -455 m 之間，區(qū)域地層總體呈單斜構(gòu)造，傾角一般5～8°。一、二、三灰補(bǔ)給條件較差，在7、10 煤開采過程中超前預(yù)疏放，基本已疏干，對11 煤開采威脅較低。上組7、10 煤開采形成的采空區(qū)積水狀況明確，11 煤采掘過程中可進(jìn)行精確探放，對礦井安全威脅不大。根據(jù)煤層開采主要充水因素分析，含水層水是邱集煤礦主要充水水源，11 煤開采主要受頂板四五灰、底板徐灰和奧灰威脅。

1.2 頂板灰?guī)r水害分析

四五灰平均厚度9 m，是11 煤直接頂板，四五灰間夾層泥巖較薄，可視為一個(gè)含水層，原始水位高出地面4.12 m，富水性中等，是11 煤開采的直接充水含水層。根據(jù)邱集礦以往防治水試驗(yàn)可知四五灰含水層與徐奧灰含水層存在一定水力聯(lián)系，在垂向上存在一定的導(dǎo)水通道，對11 煤開采有較大的水害威脅。邱集煤礦曾于2006 年掘進(jìn)11 煤層軌道石門發(fā)生底板突水，突水水量1120 m3/h。經(jīng)分析是疏水降壓掘進(jìn)引起的底板四五灰?guī)r溶承壓水突水，且奧灰與四五灰存在補(bǔ)給通道，補(bǔ)給水源為奧灰[6]。

1.3 底板灰?guī)r水害分析

徐灰平均厚度為9 m，上距11 煤間距平均為35.40 m，為巖溶裂隙承壓含水層，初始水位高出地面4.20 m，底板承受水壓4 MPa，富水性中等，最大突水系數(shù)約0.13 MPa/m，超過突水系數(shù)臨界值，是影響11 煤開采的底板充水含水層，礦井水害威脅大。

奧灰區(qū)域厚度700 m 左右，上距徐灰8 m 左右，為巖溶裂隙承壓含水層，富水性弱到強(qiáng)，極不均一，初始水位高出地面4.68 m，是11 煤開采的間接充水含水層。精補(bǔ)勘探時(shí)對奧灰進(jìn)行大口徑群孔抽水試驗(yàn)，徐灰及四五灰水位均有不同程度的下降，奧灰與徐灰、四五灰存在一定的水力聯(lián)系。

2 區(qū)域超前探查治理防治水技術(shù)

通過對11 煤開采水害特征的分析，本研究結(jié)合煤層賦存情況、工作面布置狀況、地面場地、鉆探施工等因素，合理布置井場，施工地面定向順層鉆孔單元。通過地面長距離近水平鉆孔在合適位置進(jìn)入未采段煤層頂板四五灰和底板徐灰?guī)r層，順層穿越，探查灰?guī)r裂隙及垂向隱伏構(gòu)造，并進(jìn)行高壓注漿封堵，通過分段鉆探及分段分序次高壓注漿的“探注結(jié)合”施工，有效地封堵灰?guī)r溶隙、裂隙等儲水空間和導(dǎo)水通道。

通過高壓注漿將裂隙通道壓密充填，頂板上隔斷四五灰水平徑向補(bǔ)給。對徐灰進(jìn)行大規(guī)模充填注漿和高壓注漿，充填徐灰內(nèi)大部分的溶洞和溶隙，使徐灰由含水層改造為隔水層，底板上在一定范圍內(nèi)形成一個(gè)整體的“水平阻水墻”，增加底板有效隔水層厚度，減小11 煤帶壓開采的突水系數(shù)。切斷治理區(qū)域內(nèi)徐灰及奧灰與四五灰間的水力聯(lián)系，阻隔來自徐灰及奧灰含水層中的地下水，避免奧灰水通過隱伏構(gòu)造進(jìn)入礦井，進(jìn)而達(dá)到保障礦井安全生產(chǎn)和保護(hù)地下水資源的目的。

2.1 順層鉆探設(shè)計(jì)

本次研究注漿改造的目標(biāo)層位為四五灰和徐灰，設(shè)計(jì)鉆孔位于目標(biāo)層中部。每個(gè)鉆孔單元含一個(gè)主孔和3～8 個(gè)“魚刺狀”分支孔。每個(gè)鉆孔需要在孔深約450 m、水平位移約200～250 m 處進(jìn)入平均厚度9 m 厚的目標(biāo)地層，根據(jù)實(shí)際治理情況，順目標(biāo)層鉆進(jìn)200～750 m。完成主孔鉆探及注漿治理后，以主孔為主脈，自二開套管底口向主孔兩側(cè)與主孔夾角5～30°方向施工分支孔。在近水平灰?guī)r順層段內(nèi)采用定向鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)相結(jié)合的鉆探技術(shù)。具體實(shí)施過程中，可通過施工檢查孔來檢查改造效果，并對鉆孔軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：

（1）一開直孔段，孔徑Φ311.15 mm，至基巖層段，下入Φ244.5×8.94 mm 套管，水泥固井，隔離第四系表土地層；

（2）二開導(dǎo)斜段，孔徑Φ215.9 mm，四五灰孔至四五灰頂板下1～3 m，徐灰孔至13 煤底板下約10 m，采取大角度定向鉆進(jìn)工藝鉆進(jìn)至接近順層，下入Φ177.8×8.05 mm 套管，水泥固井；

（3）三開順層段，孔徑Φ152.4 mm，各分支鉆孔從二開套管底口側(cè)鉆順層鉆進(jìn)。鉆孔結(jié)構(gòu)見圖2、圖3。

圖2 四五灰鉆孔軌跡剖面示意圖

圖3 徐灰鉆孔軌跡剖面示意圖

2.2 注漿設(shè)計(jì)

注漿使用射流攪拌系統(tǒng)，采用3NBB390 泥漿泵和高壓射流泵經(jīng)輸漿管道注入鉆孔內(nèi)。注漿設(shè)備主要包括水泥罐、水泥攪拌罐、注漿泵組、壓力傳感器、注漿管匯幾部分。注漿工程采用分段下行式、孔口封閉靜壓注漿法進(jìn)行注漿。注漿材料以水泥單液漿為主，水泥-粉煤灰混合漿為輔，水泥使用P.O.32.5 普通硅酸鹽水泥，其工藝流程見圖4。

圖4 注漿工藝流程圖

本次研究治理區(qū)四五灰、徐灰靜水壓力約3.0～4.0 MPa，為提高注漿效果，使?jié){液充填密實(shí)，增加巖層的整體性和穩(wěn)定性，注漿總壓定為受注含水層靜水壓力的2～3 倍，即不小于9 MPa。每次注漿前進(jìn)行壓水，疏通注漿管路及孔內(nèi)巖石裂隙。當(dāng)注漿壓力達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)行壓水試驗(yàn)，測得單位吸水率q不得大于0.01 L/min.m.m。

3 工程概況

3.1 工程實(shí)施

11 煤一采區(qū)首采塊段共布設(shè)4 個(gè)工作面，分別為西南部3 個(gè)工作面（1101、1103、1105 工作面），東部1 個(gè)工作面（1102 工作面），東西長約1265 m，南北長約1000 m，面積約為1.265 km2。首采塊段治理區(qū)鉆探工程施工四五灰地面定向鉆孔54 個(gè)（12個(gè)主孔42 個(gè)分支孔），進(jìn)尺31 198 m，其中三開進(jìn)尺25 257 m；施工徐灰地面定向鉆孔60 個(gè)（7 個(gè)主孔53 個(gè)分支孔），進(jìn)尺32 985 m，其中三開進(jìn)尺29 660 m。

注漿工程四五灰注入水泥225 165 t，注入粉煤灰15 770 t，徐灰注入水泥103 870 t，注入粉煤灰9075 t。

3.2 工程效果

結(jié)合鉆探工程與注漿工程綜合分析，治理區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大型的垂向?qū)畼?gòu)造，各鉆孔鉆探與注漿施工達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，完成了既定治理目標(biāo)。區(qū)域改造完成后，且在井下四五灰?guī)r層和11 煤實(shí)施必要的探放水工程后，具備安全掘進(jìn)巷道和回采工作面的條件。經(jīng)過地面進(jìn)行11 煤頂?shù)装寤液畬幼{改造，邱集煤礦已于2017 年9 月份安全穿過四五灰，成功揭露11 煤層。截至2018 年底，11 煤巷道已經(jīng)安全掘進(jìn)并形成1101、1102、1103 回采工作面。在地面實(shí)施區(qū)域超前治理，井下掘、采前定向鉆進(jìn)區(qū)域超前注漿補(bǔ)強(qiáng)基礎(chǔ)上，2019 年4 月份成功地完成了1102 工作面工業(yè)性試采，采出煤量3 萬t。至2019 年底，已經(jīng)完成1101 工作面的回采，采出煤量21.5 萬t。

4 結(jié)論

（1）針對邱集煤礦11 煤頂?shù)装逅μ卣?，通過采用地面定向順層鉆探與高壓注漿相結(jié)合的分段“探注結(jié)合”治理技術(shù)，有效地封堵灰?guī)r溶隙、裂隙通道，注漿加固改造含水層為隔水層。

（2）研究表明經(jīng)過對11 煤頂?shù)装寤液畬訁^(qū)域超前治理，且在井下實(shí)施必要的探查與補(bǔ)強(qiáng)工程后，實(shí)現(xiàn)了巷道安全掘進(jìn)以及工作面安全回采。

（3）該工程基于對黃河北煤田下組煤開采前的煤層頂、底板同時(shí)進(jìn)行區(qū)域注漿改造的研究，屬國內(nèi)首例。本次研究對黃河北煤田其他礦井下組煤解放中礦井水害防治提供了技術(shù)支撐和借鑒，具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。