三元煤業(yè)四采區(qū)超前治理防治水思路探析

張 宏

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)山西三元煤業(yè)股份有限公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

隨著華北地區(qū)煤礦開(kāi)采深度的增大及對(duì)煤層群下組煤的大規(guī)模開(kāi)采，煤層開(kāi)采過(guò)程中煤系基底巨厚奧陶系灰?guī)r高承壓底板突水的威脅問(wèn)題也日益突出，礦區(qū)隱伏導(dǎo)水陷落柱、裂隙帶及斷層突水事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響煤層開(kāi)采安全。 此外，奧陶系灰?guī)r強(qiáng)含水層是山西省乃至華北地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活主要的地下水資源，礦井突水必然會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境造成擾動(dòng)和污染。 因此，研究煤礦礦井水患，高效防治，對(duì)于確保煤礦安全開(kāi)采及區(qū)域水環(huán)境免遭破壞具有積極意義。

1 采區(qū)水患問(wèn)題概況

三元煤業(yè)四采區(qū)4302 回采工作面位于井田西南部，其東側(cè)為四采區(qū)準(zhǔn)備巷道，南側(cè)為正在掘進(jìn)的4306 回風(fēng)順槽，西側(cè)和北側(cè)為礦井邊界，整體呈規(guī)則的四邊形，由6 個(gè)拐點(diǎn)坐標(biāo)連線圈定，長(zhǎng)度8 200 m，寬度26.70 m，面積218 956 m2，開(kāi)采深度標(biāo)高+507～+563 m。 開(kāi)采煤層為3#煤層，平均厚度8.0 m。 煤層頂部砂巖裂隙含水層主要為中～細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖，硅質(zhì)膠結(jié)，裂隙發(fā)育，厚0～85.84 m，平均厚22.52。 奧陶系灰?guī)r致密，堅(jiān)硬，質(zhì)較純，局部相變?yōu)槟嗷規(guī)r，裂隙發(fā)育不均，以溶蝕裂隙為主，透水性中等，厚度分布不一，東厚西薄，一般東部25～30 m，西部14～26 m。 工作面內(nèi)奧陶系灰?guī)r巖溶水水位標(biāo)高+635.8～+636.4 m。 煤層底板距奧陶系灰?guī)r頂界面124～127.766 m，工作面內(nèi)3#煤層帶壓開(kāi)采區(qū)域突水系數(shù)0.016 0～0.019 5 MPa/m。4302 回采工作面主要水源是頂板砂巖含水層水，結(jié)合工作面水文地質(zhì)條件，應(yīng)用地下水動(dòng)力學(xué)解析法結(jié)合承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓完整井穩(wěn)定流計(jì)算公式，對(duì)該回采工作面頂板可能涌水量進(jìn)行測(cè)算[1]，具體公式如下：

式中：Q為該礦井/鉆孔或工作面可能涌水規(guī)模，m3/d；K為相應(yīng)地層實(shí)際滲透系數(shù)，m/d；H為工作面涌水發(fā)生后水柱高度，m，通常通過(guò)自然水位到含水層底板之間的距離表示；M為含水層出水段的厚度，m；h為疏干標(biāo)高和含水層底板之間的實(shí)際距離，m；R為涌水規(guī)模測(cè)算時(shí)所引用的影響半徑值，m；S為疏干水位實(shí)際降深，m，可用自然水位距離疏干標(biāo)高的長(zhǎng)度表示；r0為涌水規(guī)模測(cè)算時(shí)的引用半徑，m，r0＝0.565；F 為預(yù)測(cè)區(qū)域面積，m2。

根據(jù)4302 工作面周邊SY-2 水文孔頂板二疊系砂巖裂隙含水層抽水試驗(yàn)成果，本次涌水量預(yù)測(cè)采用井田內(nèi)SY-3 號(hào)水文孔抽水試驗(yàn)參數(shù)，得出的4302 工作面頂板正常涌水量65 m3/h，最大涌水量以1.5 倍計(jì)，為97.5 m3/h。 常規(guī)的治理重點(diǎn)只限于煤層底板隔水層，并未涉及奧陶系灰?guī)r巖溶含水層，已經(jīng)無(wú)法滿足煤層規(guī)?；_(kāi)采下水患防治的需要。

2 采區(qū)超前防治水思路

隨著三元煤業(yè)礦井采深的增大，水壓不斷增大，用原來(lái)制定的防治水措施治理水患，礦井出現(xiàn)涌突水事故難以避免，必須轉(zhuǎn)變水患防治觀念和思路，做到“超前治理，帶壓開(kāi)采”。 礦井水患超前治理過(guò)程中應(yīng)摒棄單純局部治理的常規(guī)做法，轉(zhuǎn)而應(yīng)用以采區(qū)為治理單元，或是以受地質(zhì)構(gòu)造分割而具備很強(qiáng)獨(dú)立性的水文地質(zhì)單元為治理目標(biāo)范圍，并以煤層底板巖層為主要治理對(duì)象。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)，三元煤業(yè)礦井超前治理防治水指導(dǎo)的操作思路，應(yīng)當(dāng)結(jié)合突水系數(shù)T的實(shí)際取值范圍進(jìn)行采區(qū)超前防治水模式的構(gòu)建[2]：當(dāng)突水系數(shù)T不足0.06 MPa/m 時(shí)，則應(yīng)以查找和封堵出水垂向通道為治理工作的重點(diǎn)；當(dāng)突水系數(shù)取值在0.06～0.09 MPa/m 之間時(shí)，應(yīng)以煤層底板全面注漿改造為防治水主要措施；當(dāng)突水系數(shù)取值在0.09～0.10 MPa/m 之間時(shí)，必須在超前治理工作原則下改造奧陶系灰?guī)r，并使煤層至灰?guī)r頂面間成為完整的隔水性較強(qiáng)的相對(duì)隔水層。

通過(guò)采區(qū)超前防治水，在礦井上組煤開(kāi)采過(guò)程匯中全面改造煤層底板，注漿改造奧灰頂部，封堵底板范圍內(nèi)的裂隙帶、 奧灰原始導(dǎo)水裂隙帶及導(dǎo)水構(gòu)造，達(dá)到提升礦井抗水害安全程度的治理目的。

3 采區(qū)超前防治水方式

3.1 定向鉆進(jìn)超前防治

（1）防治思路

考慮到大采深礦井煤層底板承受較高的水壓，或?qū)畼?gòu)造隱伏且裂隙帶發(fā)育，必須通過(guò)定向鉆進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)采區(qū)超前治理防治水。 煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)主要應(yīng)用帶彎接頭螺桿鉆具及不回轉(zhuǎn)鉆桿，鉆頭通過(guò)高壓水驅(qū)動(dòng)螺桿馬達(dá)后帶動(dòng)回轉(zhuǎn)，并通過(guò)分支孔打設(shè)增進(jìn)煤層有效進(jìn)尺，擴(kuò)大底板注漿面，增大有效注漿孔段，全面封堵底板范圍內(nèi)的裂隙帶、奧陶系灰?guī)r及導(dǎo)水構(gòu)造，通過(guò)底板加固保證煤層安全開(kāi)采。 采取井下定向水平鉆區(qū)域治理平面如圖1 所示。

圖1 采取井下定向水平鉆區(qū)域治理平面

礦井定向水平鉆進(jìn)施工中，在井下巷道底板處以傾斜方式開(kāi)孔注漿，漿液以水平或近水平的流動(dòng)狀態(tài)延伸滲透，使周?chē)鷶鄬蛹傲严冻浞诌B通，增強(qiáng)注漿改造效果，阻斷煤層底板帶壓水聯(lián)通通道，保證實(shí)現(xiàn)不掘突水頭，不采突水面的防治水目標(biāo)。

（2）防治過(guò)程

由于三元煤業(yè)四采區(qū)4302 回采工作面內(nèi)奧陶系灰?guī)r巖溶水位標(biāo)高+635.8～+636.4 m，底板承壓水壓較大，為保證煤層開(kāi)采安全，對(duì)煤層底板采用井下水平定向鉆進(jìn)為主+ 普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)為輔[3]的復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)，并對(duì)鉆孔全面注漿，加固煤層底板隔水層。

采區(qū)內(nèi)3#煤層可開(kāi)采儲(chǔ)量1.45 Mt，煤層層間距較小且斷層切割，造成巖層對(duì)接頻繁。 為此，底板注漿孔應(yīng)按照全面加固原則設(shè)置并均布，避免形成加固盲區(qū)。 根據(jù)單孔注漿擴(kuò)散范圍確定定向鉆孔間距，結(jié)合煤礦采區(qū)實(shí)際以及防治水經(jīng)驗(yàn)，奧陶系灰?guī)r堅(jiān)固性系數(shù)在16～17 之間，采用實(shí)鉆方式則會(huì)降低機(jī)械鉆速，影響正常鉆進(jìn)。 故調(diào)整底板加固定向鉆孔目標(biāo)層位，采用復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤層底板向下鉆進(jìn)，達(dá)到目標(biāo)層位后按設(shè)計(jì)要求控制孔距及延伸軌跡，延伸底層主要為奧陶系灰?guī)r，以達(dá)到煤底板注漿加固，形成隔水層的目的。

3.2 利用已掘工作面超前治理

（1）注漿改造的可行性

三元煤業(yè)四采區(qū)奧灰含水層分布較為穩(wěn)定，但含水量并不均一，奧灰水位主要位于35～130 m范圍內(nèi)。 為確保大采深礦井帶壓開(kāi)采的安全性，必須具備足夠強(qiáng)度和厚度的隔水層。 但該采區(qū)奧灰?guī)r頂部及各煤層間隔水層厚度不足，必須在奧灰?guī)r頂部尋找可改造為相對(duì)隔水層的巖層。

根據(jù)地勘資料，華北奧陶系灰?guī)r發(fā)育厚度并不一致，三元煤業(yè)四采區(qū)奧陶系灰?guī)r厚度在480～890 m 之間，結(jié)合巖性特征，可以根據(jù)地層化石將該采區(qū)奧陶系劃分為三組八段。 奧陶系和晚古生代煤系地層接觸面以下存在經(jīng)歷了加里東期風(fēng)化殼巖溶發(fā)育期的碳酸鹽巖層，該巖層存在改造為相對(duì)隔水層的可能性。 三元煤業(yè)四采區(qū)奧灰八段為厚度15～50 m 的角礫巖，露頭處存在明顯的溶孔、溶隙被碳酸鹽風(fēng)化產(chǎn)物，即鐵質(zhì)、鋁質(zhì)黏土和沙土填充的現(xiàn)象，下部則主要充填著方解石、石膏、白云石等化學(xué)沉淀物。 該采區(qū)在施工井下水源井及鉆孔穿過(guò)奧灰八段石灰?guī)r期間基本無(wú)水。 結(jié)合對(duì)鉆孔情況的觀察，奧灰八段石灰?guī)r巖芯內(nèi)裂隙溶洞主要填充黃褐色泥質(zhì)物，并緊密接觸灰?guī)r。改造后的相對(duì)隔水層厚度在10～40 m 之間，且三元煤業(yè)四采區(qū)約有74.1%的井田發(fā)育風(fēng)化殼均具備改造為相對(duì)隔水層的可能性。

（2）超前治理措施

為保證防治水超前治理措施實(shí)施效果，采用三維地震+ 瞬變電磁法的勘探技術(shù)，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)井田地面的全面勘探，獲取清晰準(zhǔn)確的斷層、隱伏陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造信息以及富水性資料。 巷道掘進(jìn)前必須借助直流電法進(jìn)行超前探測(cè)，保證按照前期注漿→中期加密注漿→后期補(bǔ)漿的流程全面注漿加固。

對(duì)高承壓水進(jìn)行底板超前定向鉆進(jìn)，以便探測(cè)巷道（側(cè)）前方導(dǎo)水構(gòu)造及裂隙帶，每組均在掘進(jìn)正前方和兩側(cè)各設(shè)置1 個(gè)孔。 為保證煤巷掘進(jìn)過(guò)程的安全性，必須按照20～30 m 的范圍進(jìn)行注漿擴(kuò)散半徑控制，還應(yīng)根據(jù)注漿漿液擴(kuò)散半徑進(jìn)行鉆探注漿距離、 底板可能加固深度等參數(shù)的確定。 三元煤業(yè)四采區(qū)4302 回采工作面底板超前鉆終孔層為奧陶系灰?guī)r，在實(shí)體煤巷掘進(jìn)前方底板和側(cè)面超前注漿加固如圖2、圖3 所示，對(duì)相鄰沿空掘巷及留設(shè)小煤柱掘巷煤層底板巖層超前進(jìn)行加固。

圖2 實(shí)體煤巷超前注漿剖面

圖3 煤巷超前注漿剖面

根據(jù)注漿加固擴(kuò)散半徑進(jìn)行超前鉆探距離及底板加固厚度等參數(shù)值的確定。 掘進(jìn)開(kāi)挖前應(yīng)當(dāng)確定超前底板注漿加固的可行范圍，以掩護(hù)本煤層掘進(jìn)巷道，對(duì)巷道前方底板和側(cè)向范圍進(jìn)行注漿加固。 斷層及陷落柱附近漿液按擴(kuò)散半徑15 m，其余區(qū)域漿液按擴(kuò)散半徑20 m，以煤層底板回采工作面掘出后為注漿加固目的層。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)三元煤業(yè)四采區(qū)提出的區(qū)域超前治理防治水理念以及“超前治理、帶壓開(kāi)采”的防治水原則，做到先治理后掘進(jìn)、先防治后采掘、不掘突水頭、不采突水面，實(shí)現(xiàn)防治水目標(biāo)，確保礦井安全生產(chǎn)。 采用井下定向水平鉆進(jìn)、注漿加固技術(shù)用于3#煤層底板巖層防治水，將煤層底板奧陶系灰?guī)r巖溶含水層改造成相對(duì)隔水層，徹底阻隔奧陶系灰?guī)r涌水及突水通道；充分利用井下作業(yè)面便利條件進(jìn)行相鄰區(qū)域涌水超前治理，對(duì)下組煤層底板進(jìn)行有效改善，全面封堵底板范圍內(nèi)裂隙帶、奧陶系灰?guī)r原始導(dǎo)水裂隙帶及導(dǎo)水構(gòu)造，達(dá)到下組煤安全開(kāi)采防治水的目的。