薄隔水層條件下深部山青煤開采雙重水害防治研究

賀文濤，申 偉，王 軍

（邯鄲市孫莊采礦有限公司，河北 邯鄲 056200）

1 概 況

我國煤礦開采的水文地質(zhì)條件復(fù)雜，礦井突水類型多，成因機(jī)制和防治方法也漸趨復(fù)雜化。我國東部礦區(qū)的開采深度不斷加大，強(qiáng)富水、高承壓的奧灰、寒灰造成的突水威脅日趨嚴(yán)重，有些礦區(qū)底板承壓已達(dá)10 MPa 以上；河下、湖下、海下、水庫下等大型水體下開采的情況也越來越多；老窯水造成的突水事故也越來越嚴(yán)重。

煤礦防治水是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，斷層、褶曲、隱伏導(dǎo)水裂隙帶、陷落柱等地質(zhì)異常使礦井水文地質(zhì)條件評(píng)價(jià)十分困難，采掘活動(dòng)及其伴生的礦壓作用使該問題更加復(fù)雜。礦井突水問題普遍具有空間規(guī)模小、時(shí)空變化大等特點(diǎn)，僅靠一種或幾種傳統(tǒng)地質(zhì)手段已無法達(dá)到預(yù)期勘探的目的。以先進(jìn)的地質(zhì)理論為指導(dǎo)，采用現(xiàn)代化的勘探技術(shù)手段，采取井上、井下相結(jié)合的立體勘查模式，從“宏觀”到“微觀”，從區(qū)域到礦區(qū)再到采區(qū)、工作面，不斷深化探查工作，是防止煤礦水害的趨勢。

本項(xiàng)目對(duì)探索我國華北地區(qū)受深部大青、奧灰水威脅的薄煤層開采進(jìn)行了嘗試，積累了薄隔水層水平孔地面注漿施工與管理經(jīng)驗(yàn)，其工程設(shè)計(jì)、工程管理方面的技術(shù)參數(shù)，安全管理措施等都具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

2 防治研究實(shí)施方案

2.1 水文地質(zhì)條件分析

孫莊礦井田在區(qū)域水文地質(zhì)分區(qū)上屬太行山東麓邯邢地區(qū)南部水文地質(zhì)單元，位于該單元黑龍洞泉域的西南強(qiáng)徑流帶上。綜合分析大青灰?guī)r、奧陶系灰?guī)r地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄及水動(dòng)力循環(huán)規(guī)律，孫莊礦山青煤層水害威脅主要是底板的大青灰?guī)r水與奧灰水。區(qū)域治理工程實(shí)施之前，防治水工作以大青水、奧灰水雙重水害為主。

以《煤礦防治水細(xì)則》為依據(jù)，以大青灰?guī)r水、奧灰水為突水水源，綜合分析山青煤開采的突水危險(xiǎn)性。注漿改造前、后山青煤開采充水條件、突水危險(xiǎn)性對(duì)比分析，通過工程實(shí)施后的井下探放水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)比分析注漿前后的充水條件與突水危險(xiǎn)性，給出進(jìn)一步的防治水工作建議。

設(shè)計(jì)工作面內(nèi)山青煤層最低開采標(biāo)高為-200 m，煤層底板距大青灰?guī)r含水層頂面最小距離41.5 m，近3 a 大青含水層最高水位標(biāo)高+107 m，奧灰含水層最高水位＋130 m。由于大青含水層與奧灰含水層水力聯(lián)系較密切，為了增加安全系數(shù)，計(jì)算山青煤底板隔水層承受的水壓值時(shí)，水位取奧灰水位，隔水層厚度取山青煤至大青灰?guī)r頂面的距離。經(jīng)計(jì)算，山青煤底板隔水層承受的水壓值為3.715 MPa，底板突水系數(shù)0.09 MPa/m，大于0.06 MPa，不滿足《煤礦防治水規(guī)定》安全開采的要求。

2.2 試采區(qū)區(qū)域治理實(shí)施方案

在地面施工定向水平鉆孔，以大青灰?guī)r含水層為目的層，進(jìn)行區(qū)域水文地質(zhì)條件探查及全面預(yù)注漿加固治理，完成查明水文地質(zhì)條件、改造大青灰?guī)r含水層、封堵奧灰導(dǎo)水通道的基本任務(wù)。為井下巷道安全掘進(jìn)奠定良好基礎(chǔ)后，再在井下巷道掘進(jìn)中進(jìn)行物探和施工部分。本次治理范圍南北長約1 200 m，東西寬約360 m，水平面積約432 000 m2。查明治理范圍內(nèi)有無隱伏導(dǎo)（含） 水構(gòu)造，封堵導(dǎo)水通道，加固山青煤底板隔水層，將大青含水層改造成弱含水層或相對(duì)隔水層，使深部山青煤底板完整性和阻隔水能力進(jìn)一步提高，為實(shí)現(xiàn)安全帶壓開采奠定基礎(chǔ)。

地面水平定向鉆進(jìn)技術(shù)施工技術(shù)要求如下。

（1） 層位控制。注漿加固治理目的層選擇大青灰?guī)r含水層，采用自然伽瑪、鉆壓、扭矩、泥漿壓差、渦輪轉(zhuǎn)速等工程地質(zhì)參數(shù)以及巖粉鑒定等綜合手段判定、控制層位，每10 m 測定1 個(gè)軌跡和層位數(shù)據(jù)點(diǎn)，目標(biāo)層鉆遇率應(yīng)大于90%。

（2） 水平孔間距40 m 南北向平行布置，其中北部9 個(gè)，南部9 個(gè)。對(duì)覆蓋范圍內(nèi)煤層底板大青灰?guī)r含水層進(jìn)行全面注漿改造加固。鉆孔軌跡是動(dòng)態(tài)的，施工時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況適時(shí)進(jìn)行調(diào)整，具體施工時(shí)應(yīng)根據(jù)調(diào)整的鉆孔設(shè)計(jì)坐標(biāo)控制鉆孔軌跡，采用無線隨鉆定向鉆井技術(shù)進(jìn)行鉆孔軌跡控制，造斜段鉆孔軌跡與設(shè)計(jì)軌跡誤差不大于5 m，關(guān)鍵落點(diǎn)誤差不大于1.5 m。水平分支孔保證目標(biāo)層鉆遇率不小于90%，與鉆孔設(shè)計(jì)軌跡誤差不大于5 m，關(guān)鍵落點(diǎn)誤差不大于2.0 m。注漿后掃孔軌跡與原軌跡偏差不大于10 m，但鉆孔間距應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

（3） 注漿參數(shù)控制。采用GZ-2000 自動(dòng)化高速渦流自動(dòng)配比制漿系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了漿液自動(dòng)配比、自動(dòng)計(jì)量、數(shù)據(jù)在線監(jiān)測，保證正常順利注漿。

（4） 采取“遇漏則注”原則，出現(xiàn)漏失后分析判斷層位，確定漏失原因。施工時(shí)要及時(shí)觀測鉆井液消耗量，鉆井過程中遇孔內(nèi)鉆井液消耗量≥5 m3/h 時(shí)，應(yīng)起鉆注漿；當(dāng)鉆井液消耗量＜5 m3/h時(shí)，每鉆進(jìn)100～150 m 進(jìn)行一次注漿；特殊層段如構(gòu)造破碎帶可適當(dāng)增加注漿次數(shù)。注漿前應(yīng)充分洗孔后進(jìn)行高壓壓水試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定注漿參數(shù)。

（5） 做好施工過程中水文地質(zhì)觀測和判層工作，發(fā)現(xiàn)水文異常應(yīng)及時(shí)進(jìn)行分析。

（6） 注漿過程中如遇裂隙較發(fā)育，注漿量大的情況，可采取注骨料或使用粉煤灰等作為輔助注漿材料，或采取專門措施。

3 施工效果

孫莊礦12661 試采工作面深部山青區(qū)域治理工程竣工后，對(duì)完成的水平分支孔注漿覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行了井下驗(yàn)證工作。根據(jù)已完成的井下驗(yàn)證孔資料分析，與治理前相比，大青含水層涌水量明顯變小，涌水量降至10 m3/h 以下，區(qū)內(nèi)山青煤底板隔水層完整性和阻水能力全面提高，滿足突水系數(shù)小于0.1 MPa/m 要求，治理效果良好，符合相關(guān)規(guī)定要求。

12661 試采工作面深部山青區(qū)域治理整體工程完成后，可解放山青煤25.2 萬t，每噸煤增加成本約157.8 元。2018 年礦井噸煤完全成本500 元，預(yù)計(jì)市場售價(jià)為750 元/t，地面區(qū)域治理工作完成后可采出原煤25.2 萬t，區(qū)域治理后噸煤成本預(yù)計(jì)為657.8 元，預(yù)計(jì)可盈利達(dá)到2 323.44 萬元。

4 結(jié) 語

該工程為首次嘗試解放深部薄煤層、薄隔水層，為深部薄隔水層注漿加固與薄含水層注漿改造的大型工程實(shí)踐。項(xiàng)目綜合以往大青灰?guī)r突水防治的成功經(jīng)驗(yàn)，在地面水平孔施工的設(shè)計(jì)參數(shù)、施工工藝等進(jìn)行探索，形成了一套針對(duì)大青、奧灰水雙重水害治理的防治水技術(shù)路線，總體經(jīng)濟(jì)效益可行，為后續(xù)深部山青開采和河北省南部受奧灰水威脅的“下三層”煤開采提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。