底板灰巖水地面區域超前探查治理技術研究

梁海洋

（江蘇煤炭地質勘探二隊，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，煤層底板承受灰巖水壓越來越大高，受陷落柱、隱伏斷層等構造的影響，煤層底板灰巖水害威脅越來越大。2013年，淮北礦區朱莊煤礦首先開始采用近水平定向鉆探技術和注漿技術對煤層底板進行區域探查治理與改造。

地面超前區域探查治理鉆探技術是指從地面垂直開孔，以一定角度在目標層位灰巖中施工定向分支鉆探孔探查垂直隱伏構造并進行注漿改造的一項新的水害探查治理技術[1-2]。本文根據新集二礦的水文地質條件和工程實踐經驗，研究2301 治理區1 煤組煤層底板灰巖性均弱。

1 礦水文井地質概況

1.1 地質概況

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1 煤組平均厚9.6 m，結構為4.4（1.1）4.1 m。由于受南北主構造應力的影響和控制，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°。

受構造和沖刷作用的影響，1 煤、1上煤在治理區范圍內產狀及厚度變化較大。2301 治理區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，受三個大斷層影響，治理區內地層傾角變化較大，次一級褶皺構造、中小斷層及小褶曲較為發育，煤層厚度及產狀有一定變化。在治理區南部06 線附近和治理區北部0802 孔附近區域內，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上煤缺失區的范圍控制不清，治理區內的中小斷層、褶曲等構造不詳，都給掘進和回采帶來較大影響。

1.2 水文地質

1.2.1 太原組灰巖水

根據抽水試驗結果，太原組灰巖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），滲透系數一般在10-3m/d；反映鉆孔附近灰巖富水性和滲透太原組灰巖水位呈現大幅下降趨勢。

2301 治理區南部為1 煤2101 采區。2101 采區工作面底板截水巷掘進期間均揭露C31～2層灰巖，揭露時未發生出水現象；采區工作面施工見底板灰巖292個，出水鉆孔74 個，最大初始水量15 m3/h，出水率為25.34%。太原組灰巖水文長觀孔自觀測以來，水位總體呈下降趨勢，未因1 煤2101 采區采掘出現異常變化。

2101 采區210106 工作面掘進期間對C3I、C3II組灰巖開展了壓水試驗，根據壓水試驗結果，說明橫、縱向及垂向連通性較差，巖層整體抗壓能力達到8 MPa 以上。

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

1.2.2 奧陶系灰巖水

奧陶系灰巖水位在-30 m 左右，略高于太原組灰巖水位；單孔涌水量10-2L/（s·m），滲透系數在10-2～10-1m/d，反映鉆孔附近處灰巖富水性和滲透性較弱，但強于太原組灰巖水，水位動態則為穩中有降。

群孔抽水試驗表明，奧灰與石炭系太原組灰巖水力聯系較差，正常情況下底板奧陶系灰巖水基本上不會直接對采區工作面充水而威脅安全生產，但不排除遇垂向導水構造導致底板灰巖出水可能。2018年4月，治理區域奧灰水標高-50 m，基本穩定；2301 采區東翼12灰底板標高-796～-890 m，靜水壓力7.46～ 8.40 MPa。

2 地面區域超前探查治理技術

定向分支鉆孔，就是在地面鉆鑿直孔，在適當的深度進行定向造斜施工，在一定深度形成軌跡受控水務定向水平（近水平）孔，在水平孔一側或兩側實施帶狀若干分支孔[3-5]。與煤礦傳統井下探查孔相比，其具有控制面積大、軌跡受控精度高、施工設備能力大、施工安全程度高、不受場地環境影響、可進行超前探查等優點，已越來越多地替代傳統井下探查井應用到煤礦底板灰巖水害探查與治理中[6]。

采用地面定向分支鉆孔對新集二礦1 煤組2301（東翼治理區底板灰巖水）進行地面超前區域探查治理，重點探查治理1 煤組底板灰巖垂向隱伏含（導）水通道和富水區，結合區域超前探查治理后的井下效果驗證，開展地面超前探查治理效果及開采安全性評價，保障1 煤組工作面安全高效開采。

根據地面補勘及井下探查情況，C3I、C3II 組灰巖水文地質條件較清楚，灰巖弱富水性、低存儲、少補給、低滲透，且根據新集二礦1 煤底板石炭系太原組C3II 組灰巖含、隔水性評價項目研究結論，C3I、C3II 組灰巖可作為相對隔水層使用，繼續探查治理C3I、C3II 組灰巖意義不大，因此選取C3Ⅲ組灰巖為探查治理層位；本次地面超前區域探查治理目的層位選取C312灰巖，定向分支鉆孔設計沿C312灰巖層內施工，滿足奧灰帶壓開采突水系數要求；根據目前底板奧陶系灰巖水位-47.94 ～-62.05 m，以滿足突水臨界值0.1 MPa/m 反算，現階段超前區域探查治理范圍內底板隔水層厚度最大需達到78 m，選取C312灰巖滿足要求（C312灰頂板距1 煤底板距離100 m，底板破壞深度19 m）；C312灰巖全區穩定發育，平均發育厚度14.24 m，為太原組各層灰巖之中最厚，可以保證較高的鉆孔穿層率和成孔率。

3 地面超前區域探查治理設計

3.1 垂直主孔位置

本次是對2301 治理區東翼采區做探查。從工程量最優、施工便利等方面考慮，治理區東部施工1 個地面主孔，垂直主孔位置選取在09 勘探線以西38 m，地面標高約+20.5 m。地面主孔施工場地為農田，交通便利，管理方便。區內1 煤組底板標高約-650～-760 m，太原組12 灰底板標高約-785 ～-875 m。2301 治理區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1 煤底板等高線圖

圖2 2301 治理區12 灰底板等高線圖

3.2 鉆孔布置方案

對2301 治理區域全覆蓋探查治理，鉆孔軌跡沿太原組12 灰巖順層鉆進，與主構造呈大角度斜角，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。根據井下采掘要求，為確保230106 底板巷的正常掘進，分支孔施工順序為：先施工2-2#分支，再施工2-1#、2-3#分支，采用跳注方法檢驗孔間距的合理性。2301 采區鉆孔平面圖如圖3所示。

圖3 2301 采區鉆孔平面圖

4 結論

依據新集二礦煤層底板灰巖水害特征分析，太灰水和奧灰水害主要是由于存在隱伏導水構造，隔水層不完整，是厚層非完整隔水層灰巖水害類礦井。在煤層底板灰巖水超前區域探查治理中廣泛應用的定向水平孔鉆進技術，具有高效、經濟、安全、效果優良的特點。。