區域超前治理防治水技術

趙慶彪，高春芳，王鐵記

(1.冀中能源集團有限責任公司，河北邢臺054021; 2.冀中能源峰峰集團，河北邯鄲，056011)

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區域超前治理防治水技術

趙慶彪1，高春芳1，王鐵記2

(1.冀中能源集團有限責任公司，河北邢臺054021; 2.冀中能源峰峰集團，河北邯鄲，056011)

［摘要］根據邯邢礦區大采深礦井開采和下組煤開采面臨的嚴重水患，提出了“區域超前治理”防治水理念，即“超前主動、區域治理、全面改造、帶壓開采”的技術指導原則;由一面一治理改為以采區、水平或由地質構造所分割的單元為單位進行區域治理，主要總結了井下定向鉆進關鍵技術首次應用于煤層底板巖層區域超前治理防治水技術研究，先治后掘，先治后采，從而實現“不掘突水頭，不采突水面”的目標，為今后大采深和開采下組煤礦井防治水提供了很好的借鑒經驗，創新了大采深礦井和開采下組煤奧灰水害防治方法，安全地開采受承壓水威脅的煤炭資源，取得了很好的經濟和社會效益。

［關鍵詞］大采深;下組煤;奧灰水;帶壓開采;區域超前;防治

［引用格式］趙慶彪，高春芳，王鐵記.區域超前治理防治水技術［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 90－94.

冀中能源集團在河北南部邯邢礦區有35個礦井，有10個礦井深超過800m，其中4個礦井超過1000m，如九龍礦深部新建副井深達1340m，有7個礦井開采下組煤。隨著礦井開采深度不斷增加以及下組煤大規模開發，煤層開采受煤系基底巨厚奧灰高承壓底板突水威脅程度大幅增加。近10多年來，邯邢礦區相繼發生了7起較大以上的隱伏導(含)水陷落柱、斷層及裂隙帶突水，所以，研究解決好大采深及開采下組煤礦井水害防治所面臨的難題具有重要的現實意義。

1　大采深和下組煤開采礦井面臨的嚴重水患

邯邢礦區屬典型的華北型煤田之一，煤系可采煤層分上組煤(2，4，5號煤層)和下組煤(7， 8，9號煤層)，上、下組煤帶壓開采主要防范奧灰強含水層突水，所受到的水害威脅類型主要是即時及滯后型水害［1－3］。

1.1大采深礦井面臨的水患問題

峰峰礦區有3個大采深礦井承受奧灰水壓達8.0～10.8MPa，邢臺礦區邢東礦采深達到1260m，2號煤底板承受奧灰水壓達11～12MPa，因此，上組煤開采同樣受奧灰高承壓水威脅。另外，發育層位低、直徑小的導含水陷落柱、小斷層及裂隙帶，對礦井安全威脅極大，礦井深部隱伏導(含)水構造及裂隙帶，尤其是隱伏含水陷落柱呈垂向點狀形態賦存，分布無規律，發育層位低，超前探明難度大。一旦揭露或間接揭露往往導致突水災害并影響周邊地下水環境。據統計，邯邢礦區約71.5%礦井發育有陷落柱地質構造，如邢臺礦區葛泉礦發現78個陷落柱，峰峰礦區羊東礦發現19個陷落柱。在近10年內發生的7起奧灰水突水事故中，有3起是隱伏含水陷落柱突水造成的，2起是高承壓水頭條件下的裂隙帶出水造成的。

1.2開采下組煤面臨的水患問題

邯邢礦區有7對礦井開采下組煤，年生產能力4.5Mt。隨著生產規模逐步擴大，采深也逐步增加，突水系數逐漸接近或達到了《煤礦防治水規定》的上限，已嚴重影響礦井安全和采區正常銜接。2007年以來開采下組煤礦井發生了2起煤層底板小斷層和裂隙帶突水，說明了在高承壓水頭條件下開采下組煤，小型構造或裂隙帶也能夠形成垂向導水通道而致災。以往治理的重點只限于煤層底板隔水層，未涉及到奧灰強含水層，已不能滿足規模化開采下組煤的水患防治工作需要。

1.3大采深礦井井下鉆探施工安全問題

在水害威脅嚴重的礦井，井下鉆探是必不可少的重要環節，在大采深高承壓水條件下，涉及鉆機固定、鉆桿卡緊裝置、施工后路暢通等作業人員安全等問題;另外，孔口管及附近圍巖體加固存在著固結可靠性問題，其一旦發生突水將難以控制［4］。

2　區域超前防治水技術路線

2.1區域超前防治水害指導原則

隨著礦井開采深度越來越大，水壓越來越大，若采用常規的防治水技術路線，則“出水是必然的”，針對大采深高承壓開采和下組煤開采所面臨的奧灰水害防治問題［5］，目前迫切需要轉變水害防治觀念和治理思路，充實防治水指導原則，從礦井安全和大區銜接兩方面考慮，提出了“超前主動、區域治理、全面改造、帶壓開采”防治水技術指導原則。

(1)區域超前治理是從以往局部一面一治理擴展到以采區及以上區域為單元或受地質構造分割相對獨立的水文地質單元為區域進行治理;與其他煤礦和金屬礦山的帷幕注漿不同，區域治理的對象是煤層底板巖層。

(2)注漿治理程序要超前于工作面掘進和回采，實現“不掘突水頭，不采突水面”的目標。

2.2區域超前治理防治水工程工序

在大采深高承壓奧灰水條件下，為保證“不掘突水頭，不采突水面”，提出區域超前治理防治水工序如下:

(1)井下區域超前治理水害程序:地面物探→井下定向鉆(鉆探、驗證)→區域注漿治理。

(2)工作面掘進前治理程序:掘前物探→打鉆驗證→超前補注→先治后掘。

(3)工作面回采前:物、鉆探測→注漿補強→全面改造→采前評價→回采。

采前評價是回采工作面全面治理后，還要用一種物探手段進行治理前、后的效果對比，然后進行工作面采前專家綜合安全評價，待評價通過后方可進行回采。

2.3區域超前治理模式

根據大采深及開采下組煤礦井區域超前治理防治水指導原則，按照突水系數T建立以下3種水害治理模式: T≤0.06MPa/m，以查找封堵出水垂向通道為主; 0.06＜T＜0.09MPa/m，煤層底板全面注漿改造; 0.09≤T＜0.10MPa/m，區域超前治理奧陶系灰巖頂部，將其改造為完整的相對隔水層。

2.4區域超前治理技術目標

(1)開采上組煤的礦井，對煤層底板實施全面改造;下組煤高承壓水礦井，對奧灰頂部全面注漿改造，全面封堵底板范圍內存在的裂隙帶、導(含)水構造及奧灰原始導高裂隙帶，提升礦井抗水害安全程度。

(2)區域治理工程必須超前井下采掘工程，堅持“不掘突水頭，不采突水面”的原則。

(3)要建立礦井“水患治理達標煤量”概念，達標煤量原則上要大于回采煤量，堅持“以治定采”的原則。

3　井下區域超前治理防治水害的方式

3.1定向鉆進以采區為單元進行區域超前治理

3.1.1定向鉆進技術

鑒于大采深和開采下組煤礦井煤層底板承受水壓高，隱伏導水構造及裂隙帶發育的情況，采取井上、下相結合，應用先進的定向鉆進技術實現區域超前治理的目的。

煤礦井下定向水平鉆進技術是煤礦鉆探領域的一項新技術，該技術集成了水平孔、分支孔、隨鉆測量等技術，采用帶彎接頭螺桿鉆具技術，鉆桿不回轉，利用高壓水驅動螺桿馬達帶動鉆頭回轉和有線隨鉆測量技術而實時監測鉆孔軌跡，并通過調節螺桿馬達工具面向角控制鉆孔軌跡，從而使鉆孔盡量在目的巖層中延伸。該技術不僅可有效控制鉆孔軌跡使鉆孔沿目的層延伸，而且可通過打分支孔，增加鉆孔在目的層位的有效進尺，以增加有效注漿孔段，擴大底板注漿面，達到注漿加固底板的目的，實現煤層的安全開采。

井下定向水平鉆進技術一般是井下巷道底板傾斜開孔進入設計注漿改造目的層位后以水平或近水平狀態延伸，使原在水平層面無聯系的斷層及裂隙等滲流通道互相連通，擴大了鉆孔控制范圍，提高了目的層的注漿改造效果，為“不掘突水頭，不采突水面”防治水目標的實現創造了條件。該技術目前正在峰峰集團辛安礦進行推廣應用。

3.1.2定向水平鉆進區域防治實例

辛安礦目前開采2號煤，平均厚度4.01m，目前最深開采至－600m。在對辛安礦－280m水平和－500m水平開采過程中，大青和奧灰水對礦井安全的影響較大，主要表現在以下方面:

(1)辛安礦井田雖然只開采2號煤，目前該礦總涌水量約240m3/h左右，但由于大、中型斷層發育，落差變化大，部分斷層位置、產狀控制程度較差，開采中如遇到導水斷層可能誘發大青、奧灰水突出。

(2)辛安礦開采2號煤標高主要在－280m及以下，由于煤層埋深大煤層底板承受的水壓大，在斷層、采動和礦山壓力綜合影響下，可能溝通不同含水層之間的水力聯系，發生底板突水的風險增大。

11216采區2號煤底板標高－550～－670m，承受水壓達9.5MPa，為確保2號煤安全開采，采用煤礦井下水平定向鉆進為主，普通回轉鉆進為輔的復合定向鉆進技術，對辛安礦11216采區煤層底板進行區域全面注漿加固改造，減低底板水害威脅，確保工作面安全回采。

該采區2號煤可采儲量為1.55Mt，山青灰巖為山青煤層的直接頂板，厚度1.0～2.0m;伏青灰巖為山青煤層間接底板，厚度3.0～5.0m，上距山青煤層1.0～3.0m，由于層間距較小和小斷層切割，造成山、伏青灰巖頻繁對接，故常被視為一個含水層。

定向水平孔設計原則:

(1)堅持底板全面注漿加固改造原則，不留底板注漿盲區，造成漏探。

(2)堅持經濟有效原則，在滿足底板全面注漿改造的前提下，優化工程布置方案，提高工程進度，盡可能減少工作量。

(3)根據地質資料及井下具體狀況，設計合理定向軌跡，達到探測可靠、控制精確的目的。

(4)底板注漿加固鉆孔按全面加固工作面底板隔水層的原則進行設計，均勻布孔，避免加固盲區。

(5)底板注漿加固定向鉆孔間距可依據單孔注漿擴散范圍確定，根據辛安礦的施工經驗，鉆孔單孔注漿擴散范圍為30～40m，因此在設計中將定向鉆孔水平間距確定為55～75m。

(6)底板注漿加固定向鉆孔首選目標層位為大煤(2號)底板以下86.9m伏青灰巖，由于伏青灰巖堅硬(堅固性系數f=16～17)，若實鉆機械鉆速過低，施工難度大時，底板加固定向鉆孔目標層上調至距大煤(2號)底板以下67.2m粉砂巖，粉砂巖做為備選目標層。

2號煤底板向下采用復合定向鉆進施工，進入目標層位后的鉆孔間距控制在55～75m，定向鉆孔層位控制在2號煤底板以下78～87m范圍內沿設計軌跡延伸，鉆孔延伸地層以伏青灰巖為主，并采用邊施工邊注漿的方法，達到2號煤底板注漿加固的目的。詳見圖1、圖2。

圖1　辛安礦井下定向水平鉆區域治理平面

圖2　煤層底板定向水平鉆孔剖面示意

3.2利用已掘工作面對上下工作面區域超前治理

3.2.1區域超前補強治理

掘前“條帶”(超前鉆孔探測區域為條帶狀)超前治理。在大采深高承壓礦井和采下組煤條件下，底板超前定向鉆探的目的是探測巷道前方及側前方的導(含)水構造及裂隙帶，同時兼作超前注漿治理鉆孔。一般是每組布置3個孔，即掘進正前方布置1個鉆孔，兩側布置2個鉆孔。為“不掘突水頭”，超前掩護煤巷安全掘進，以注漿擴散半徑20～30 m考慮，確定合理的超前鉆探注漿距離和底板加固深度，封堵潛在的出水通道。大采深礦井2號煤底板超前鉆終孔層位煤層底板以下60m以深，野青煤層底板超前鉆終孔層位是大青灰巖，9號煤底板超前鉆終孔層位是奧陶系灰巖頂面或本溪灰巖以下5m。實體煤掘進前方的底板及側向一定范圍內超前注漿加固，實體煤巷“條帶”超前注漿示意如圖3、圖4所示，這就為相鄰沿空掘巷或留設小煤柱掘巷超前進行了區域條帶加固煤層底板巖層。

圖3　實體煤巷“條帶”超前注漿平面

圖4　實體煤巷“條帶”超前注漿剖面

采前工作面相鄰未采區域煤層底板補強注漿。回采工作面掘出后，對煤層底板加固層進行補強注漿以完成全面改造目標;同時，為給相鄰未采區域掘進創造“不掘突水頭”的條件，利用回采工作面兩巷超前注漿加固相鄰上下未采工作面區域，工作面底板注漿改造范圍要在本工作面設計范圍外延50m以上，甚至達到150m。

3.2.2區域超前補強防治實例

葛泉礦東井試采下組9號煤，現開采水平為－150m，井田地質條件復雜，斷層、陷落柱發育，經鉆探及井巷工程揭露69個。灰巖含水層和底板下20m的本溪灰巖(平均厚7m)含水層，9號煤底板下平均40m為奧陶系灰巖含水層頂面，為下組煤開采的間接充水水源。

防治水技術路線: (1)在地面采用三維地震及瞬變電磁綜合勘探技術對井田全面覆蓋，查明了斷層、隱伏陷落柱等地質構造發育情況及地質構造的富水性等水文地質條件特征; (2)巷道掘進時，采用直流電法進行超前探測，并進行底板超前鉆探實施物探異常驗證、超前預注漿以及探查隱伏的地質構造; (3)巷道每掘進一定距離施工鉆窩，對本工作面及相鄰工作面施工底板注漿鉆孔，對工作面實行全面注漿加固; (4)全面注漿加固過程分3個階段進行:前期注漿、中期加密注漿、后期檢驗及補充注漿。

注漿加固目標層:對9號煤底板本溪灰巖含水層進行全面注漿改造，把本溪灰巖改造為弱含水層或相對隔水層，以提高9號煤底板隔水層的強度和阻水能力。詳見圖5煤層底板注漿加固與改造。

圖5　煤層底板注漿加固與改造

超前注漿治理模式:以注漿加固擴散半徑確定合理的超前鉆探距離和煤層底板加固厚度。在掘前超前底板注漿加固范圍、掩護本煤層所掘巷道，鉆探是兼驗證和注漿加固等3種功能，對巷道前方的底板及側向一定范圍內予以注漿加固，以實現“不掘突水頭，不采突水面”。

底板注漿治理鉆孔布置原則:采用漿液擴散半徑為20m左右，對于斷層和陷落柱附近采用15m漿液擴散半徑布孔;注漿加固的目的層為煤層底板下10m至本溪灰巖底板下2m的含導水構造;鉆孔裸孔段應盡可能多地穿過注漿加固的目的層段;鉆孔方向盡可能垂直于構造裂隙發育方向，以利于漿液向垂直裂隙帶擴散;注漿鉆孔對物探異常區、斷層帶、陷落柱的探查與加固有所側重;工作面切眼位置、初次來壓位置、周期來壓位置、巷道直接底板兩側20m范圍內和停采線附近作為重點加固區段;平面加固范圍到工作面外圍至少50m，甚至覆蓋相鄰工作面。

評價方法:所有底板超前鉆探、底板注漿加固鉆孔以及異常區驗證鉆孔的出水量必須滿足小于10m3/h的要求，否則補打檢查鉆孔進行補強注漿。

以葛泉礦東井9號煤11914工作面為例，底板注漿改造工程共施工注漿鉆孔161個，鉆探總進尺14103.5m，注漿8572.51t水泥。由于工作面上部存在1條落差18m的SF5斷層，在11914上巷和11912工作面下巷對SF5斷層帶及上下盤本溪灰巖進行了全面注漿改造，共施工斷層注漿加固鉆孔57個，鉆探工程量4667.4m，注漿6377.17t水泥，沿斷層注漿加固控制長度700m，斷層兩盤注漿加固寬度各40m (按15～20m擴散半徑)。后期檢查孔證實，通過注漿加固后斷層上下盤本溪灰巖水量均小于10m3/h。正常回采時，工作面水量在4m3/ h左右，注漿加固治理效果顯著。

葛泉礦東井9號煤試采工作始于2007年，到目前已經安全回采了9個工作面，共采出煤炭資源2.8Mt，證明目前采取的區域超前注漿加固治理技術行之有效，達到了比較理想的效果。

4　結論

(1)提出了大采深礦井和下組煤開采“區域超前治理”防治水理念和“超前主動、區域治理、全面改造、帶壓開采”的防治水技術指導原則，創新了大采深礦井和高承壓水上區域超前治理防治水技術;“先治后掘、先治后采”，為實現“不掘突水頭，不采突水面”探索出一種新的有效方法。

(2)首次將井下定向水平鉆進技術應用到礦井煤層底板巖層改造領域中，利用定向水平鉆孔技術，將煤層底板目標灰巖層全面改造為相對隔水層，從根本上消除了奧灰災害性突水通道。

(3)利用井下工作面對相鄰區域超前治理，注漿改造下組煤層底板本溪灰巖或奧陶系灰巖頂部，有效封堵裂隙帶、構造等造成的突水通道，可以實現安全開采下組煤的防治水目標。

［參考文獻］

［1］趙慶彪.邢臺礦區煤礦開采新技術應用與發展［M］.北京:煤炭工業出版社，2000.

［2］趙兵文，關永強.大采深礦井高承壓奧灰巖溶水綜合治理技術［J］.煤炭科學技術，2013，41 (9) : 75－78.

［3］武強，崔芳鵬，趙蘇啟，等.礦井水害類型劃分及主要特征分析［J］.煤炭學報，2013，39 (4) : 561－565.

［4］虎維岳.礦山水害防治理論與方法［M］.北京:煤炭工業出版社，2005.

［5］趙鐵錘，等.華北地區奧灰水綜合防治技術［M］.北京:煤炭工業出版社，2006.

［責任編輯:鄒正立］

Technology of Regional Advanced Water Prevention and Control

ZHAO Qing-biao1，GAO Chun-fang1，WANG Tie-ji2

(1.Jizhong Energy Group Co.，Ltd.，Xingtai 054021，China; 2.Jizhong Energy Fengfeng Group，Handan 056011，China)

Abstract:In order to relieve the menace of serious water disaster in mining lower-group coal in deep mine of Hanxing mining area，regional advanced water prevention idea was put forward which took“advanced prevention，comprehensive renovation，regional control and mining under water pressure”as technical indicating principle.Mining face prevention was transferred to regional prevention which was divided into elements by mining zone，level and tectonic structure.The key technology of underground directional drilling which firstly was applied in regional advanced floor-water prevention and control was concluded.By“first-prevention-then-driving and mining”，the goal of water prevention was realized.This technology provided reference for mining lower-group coal under water pressure in deep mine and innovated water prevention method，and safely mining coal resource threatened by water and excellent economic and social value was made.

Keywords:large mining depth; lower-group coal; water within Ordovician limestone; mining under water pressure; regional advance; prevention

［作者簡介］趙慶彪(1957－)，男，遼寧海城人，博士，教授級高級工程師，現任冀中能源集團有限責任公司總工程師，從事煤礦生產技術管理、研究等工作。

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.025

［收稿日期］2014－08－19

［中圖分類號］TD745

［文獻標識碼］A

［文章編號］1006-6225 (2015) 02-0090-05