邱集煤礦11 煤頂、底板薄層灰巖水害防治技術研究

杜博濤 王 威 李文江

（1.中煤科工集團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重點實驗室，陜西 西安 710054）

黃河北煤田是魯西重要的煤炭生產基地，同時也是山東省重要的后備能源基地之一[1]。隨著區內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礦井，地質及水文地質條件屬于石炭二疊系煤田，受到太原組薄層灰巖承壓水的威脅，自2003 年投產主采7 煤，為保證礦井正常生產接續，需開采11煤，但11 煤開采受頂板四五灰、底板徐奧灰巖溶承壓水威脅，安全風險較大。近年來，利用地面定向近水平鉆探技術結合地面注漿工藝的區域超前治理技術在煤礦防治水中不斷發展和應用[3-5]。本研究通過采用地面定向順層鉆探與高壓注漿相結合的探查治理技術，成功地解決了邱集礦11 煤開采的頂、底板薄層灰巖水害問題。

1 邱集礦11 煤層頂、底板灰巖水害特征

1.1 礦井水文地質概況

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-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。井田內主要含煤地層自上而下分別為山西組和太原組。井田內可采及局部可采煤層有7、10、11、13 煤，共4 層。井田內主要煤層、含水層及間距關系見圖1。

圖1 主要煤層及標志層間距示意圖

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，區域地層總體呈單斜構造，傾角一般5～8°。一、二、三灰補給條件較差，在7、10 煤開采過程中超前預疏放，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積水狀況明確，11 煤采掘過程中可進行精確探放，對礦井安全威脅不大。根據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 頂板灰巖水害分析

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。根據邱集礦以往防治水試驗可知四五灰含水層與徐奧灰含水層存在一定水力聯系，在垂向上存在一定的導水通道，對11 煤開采有較大的水害威脅。邱集煤礦曾于2006 年掘進11 煤層軌道石門發生底板突水，突水水量1120 m3/h。經分析是疏水降壓掘進引起的底板四五灰巖溶承壓水突水，且奧灰與四五灰存在補給通道，補給水源為奧灰[6]。

1.3 底板灰巖水害分析

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，最大突水系數約0.13 MPa/m，超過突水系數臨界值，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，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。精補勘探時對奧灰進行大口徑群孔抽水試驗，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系。

2 區域超前探查治理防治水技術

通過對11 煤開采水害特征的分析，本研究結合煤層賦存情況、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入未采段煤層頂板四五灰和底板徐灰巖層，順層穿越，探查灰巖裂隙及垂向隱伏構造，并進行高壓注漿封堵，通過分段鉆探及分段分序次高壓注漿的“探注結合”施工，有效地封堵灰巖溶隙、裂隙等儲水空間和導水通道。

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給。對徐灰進行大規模充填注漿和高壓注漿，充填徐灰內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形成一個整體的“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。切斷治理區域內徐灰及奧灰與四五灰間的水力聯系，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造進入礦井，進而達到保障礦井安全生產和保護地下水資源的目的。

2.1 順層鉆探設計

本次研究注漿改造的目標層位為四五灰和徐灰，設計鉆孔位于目標層中部。每個鉆孔單元含一個主孔和3～8 個“魚刺狀”分支孔。每個鉆孔需要在孔深約450 m、水平位移約200～250 m 處進入平均厚度9 m 厚的目標地層，根據實際治理情況，順目標層鉆進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與主孔夾角5～30°方向施工分支孔。在近水平灰巖順層段內采用定向鉆進與復合鉆進相結合的鉆探技術。具體實施過程中，可通過施工檢查孔來檢查改造效果，并對鉆孔軌跡進行動態調整。鉆孔結構設計如下：

（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工藝鉆進至接近順層，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鉆順層鉆進。鉆孔結構見圖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 注漿設計

注漿使用射流攪拌系統，采用3NBB390 泥漿泵和高壓射流泵經輸漿管道注入鉆孔內。注漿設備主要包括水泥罐、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

本次研究治理區四五灰、徐灰靜水壓力約3.0～4.0 MPa，為提高注漿效果，使漿液充填密實，增加巖層的整體性和穩定性，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。每次注漿前進行壓水，疏通注漿管路及孔內巖石裂隙。當注漿壓力達到結束標準后，進行壓水試驗，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 工程實施

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

結合鉆探工程與注漿工程綜合分析，治理區域內未發現大型的垂向導水構造，各鉆孔鉆探與注漿施工達到了設計標準，完成了既定治理目標。區域改造完成后，且在井下四五灰巖層和11 煤實施必要的探放水工程后，具備安全掘進巷道和回采工作面的條件。經過地面進行11 煤頂底板灰含水層注漿改造，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 煤巷道已經安全掘進并形成1101、1102、1103 回采工作面。在地面實施區域超前治理，井下掘、采前定向鉆進區域超前注漿補強基礎上，2019 年4 月份成功地完成了1102 工作面工業性試采，采出煤量3 萬t。至2019 年底，已經完成1101 工作面的回采，采出煤量21.5 萬t。

4 結論

（1）針對邱集煤礦11 煤頂底板水害特征，通過采用地面定向順層鉆探與高壓注漿相結合的分段“探注結合”治理技術，有效地封堵灰巖溶隙、裂隙通道，注漿加固改造含水層為隔水層。

（2）研究表明經過對11 煤頂底板灰含水層區域超前治理，且在井下實施必要的探查與補強工程后，實現了巷道安全掘進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、底板同時進行區域注漿改造的研究，屬國內首例。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支撐和借鑒，具有良好的社會和經濟效益。