實施源頭探查區(qū)域治理 確保水害嚴重礦井安全生產(chǎn)

文/郝永軍

冀中能源峰峰集團作為大水礦區(qū)，承受著多種水害的威脅，突水因素多且復雜，尤其是奧灰水害時刻威脅著礦井的安全生產(chǎn)。近年來，隨著淺部煤炭資源逐漸枯竭，煤礦開采深度越來越深，煤層底板隔水層底部承受的水壓逐漸增大，發(fā)生奧灰突水的概率逐漸增加，嚴重威脅礦井的安全、高效運行。為此，峰峰集團首創(chuàng)地面區(qū)域治理技術，在實施過程中構建了一套體系完整的區(qū)域水害探查治理精細化管理體系，杜絕了礦井奧灰突水事故的發(fā)生，保障了礦井安全生產(chǎn)，取得了良好的經(jīng)濟及社會效益。

一、礦區(qū)水文地質(zhì)條件

峰峰煤田為石炭、二疊系煤田，煤系地層主要為太原組和山西組，地質(zhì)構造條件及水文地質(zhì)條件十分復雜。全區(qū)煤系地層厚度變化不大，層位較穩(wěn)定，可采煤層6～7層，可采煤層總厚度13.5m，目前僅開采2、4和淺部6號煤層。依據(jù)歷史勘探資料和井巷揭露顯示，對于當前開采來講，具有一定影響的含水層有8個，按照埋藏順序看，其自上而下分別為：下石盒子組砂巖裂隙含水層、山西組砂巖裂隙含水層、野青灰?guī)r裂隙含水層、山青灰?guī)r裂隙含水層、伏青灰?guī)r裂隙含水層、小青灰?guī)r裂隙含水層、大青灰?guī)r裂隙巖溶含水層、中奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層。其中煤層基底厚約600m的中奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層是影響礦井安全生產(chǎn)的主要威脅含水層，造成7、8、9號煤層和深部6號煤層暫不能開采。

二、實施地面區(qū)域治理技術的必要性

峰峰集團實施理念創(chuàng)新、技術創(chuàng)新、管理創(chuàng)新，于2012年在全國范圍內(nèi)首創(chuàng)地面區(qū)域治理技術，在實施過程中構建了一套體系完整的區(qū)域水害探查治理精細化管理體系。實施地面區(qū)域治理技術主要基于以下幾個方面原因。

1.峰峰礦區(qū)水害嚴重

峰峰礦區(qū)有10個煤礦，煤系基底普遍存在著600m的巨厚灰?guī)r強含水層，再加上礦井采深大（采深大于800m的礦井5個)，承受奧灰水壓高，構造發(fā)育，曾發(fā)生過多起煤層底板奧灰突水事故，水害十分嚴重。

2.多數(shù)陷落柱難以提前探明和采取措施

多數(shù)礦井發(fā)育有陷落柱；微、小型垂向導含水陷落柱探明難度非常大；多數(shù)非含水陷落柱更難以提前探明；近10多年來，峰峰礦區(qū)曾發(fā)生3起隱伏陷落柱突水事故，峰值突水量400m3/min。

3.斷層、導水裂隙、原始導高超前探測難度大

在大采深礦井，煤層開采時，在高礦壓、高承壓水作用下，斷層極易變成導水斷層，極易產(chǎn)生導水裂隙，再加上存在奧灰水的原因，這些構造在靜態(tài)條件下提前難以探明其是否導水。

4.大采深礦井底板破壞深度大

隨著采深的增加，相應增大了煤層底板破壞深度，礦井采深小于500m時，破壞深度在10～15m；在采深大于800m時，破壞深度一般大于30m，個別礦井采深1000m以下底板破壞達40m。

5.高承壓水條件下井下超前探測存在諸多問題

如鉆機的固定問題；高壓水噴出鉆桿射箭傷人問題；大采深礦井孔口管損壞問題；鉆孔難以成孔問題等。

上述突水通道的隱蔽性和難以探知性，就容易造成重大水害事故。基于此，在大采深高承壓水開采條件下，迫切需要轉變煤礦水害防治理念和治理思路。因此，峰峰集團把煤層氣水平鉆井技術引入煤礦防治水領域并進行創(chuàng)新，形成了地面區(qū)域超前探查治理技術。

三、地面區(qū)域治理技術及優(yōu)勢

1.地面區(qū)域治理技術措施

為滿足礦井深部安全帶壓開采需要，加大安全開采上限，峰峰集團從區(qū)域治理定向鉆進技術、鉆探裝備與鉆進工藝、定向鉆探孔型組合與控制技術、水平定向鉆孔長距離高壓注漿關鍵技術等方面開展了關鍵技術研究，不斷總結經(jīng)驗，首次提出了“超前主動、區(qū)域治理、全面改造、帶壓開采”的礦井防治水指導原則及對策，創(chuàng)新實施地面區(qū)域超前探查治理技術。

地面區(qū)域超前探查治理是應用定向水平井技術，在地面安裝重裝定向鉆機，向井下打鉆，進入奧灰或大青含水層施工長距離水平鉆孔，查明斷層、陷落柱等導水構造并進行注漿治理，將含水層改造為相對隔水層，增加煤層底板的完整性，封堵導水構造（尤其是常規(guī)方法無法探知的小型導水構造），有效提升防治水成效。

2.技術優(yōu)勢

地面區(qū)域治理技術優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：探查為主向超前改造治理為主轉變，實現(xiàn)“以治促查，查治結合”；井下局部治理向地面區(qū)域治理轉變，采取井上、下多種方法，對采區(qū)或更大規(guī)模區(qū)域進行超前鉆探及預注漿改造，改變“一面一治理”的傳統(tǒng)模式；通道、薄層灰?guī)r治理向奧灰源頭治理轉變，隨著采深的加大，通道、薄層灰?guī)r治理后仍存在著煤層底板奧灰含水層突水的危險，將薄層灰?guī)r含水層注漿改造技術變更為奧灰含水層頂部改造，可實現(xiàn)源頭治理，由治標向治本轉變；采前治理向掘前治理轉變，使帶壓開采前期所必要的探查及預注漿改造大大提前，縮短工作面采場的后期注漿改造工期，有利于采區(qū)的采掘銜接，實現(xiàn)“先治后建、先治后掘”；措施經(jīng)驗型向工程、監(jiān)控型轉變，由治標到治本，實現(xiàn)開采監(jiān)控預警；由水害治理為主向治保結合轉變，減少疏排量，實現(xiàn)保水開采。

四、實施地面區(qū)域治理成果

目前，峰峰集團九龍礦、梧桐莊礦、羊東礦、孫莊采礦公司、新屯礦和牛兒莊采礦公司正在開展此項工作（辛安礦已完成地面區(qū)域治理工作）。區(qū)域治理工作始終堅持技術創(chuàng)新，把解決施工問題作為導向，對制約施工生產(chǎn)難點和難題作為突破口加以解決，提升鉆機能力，優(yōu)化工程方案設計和施工工序，保證了施工進度，取得了良好的效果。該技術在煤礦防治水領域的應用逐漸成熟，且在堵水、減水等方面得到了成功應用。

1.地面區(qū)域治理工作面開采情況

通過該項技術的應用，極大地緩解了深部煤層開采的底板水害威脅問題，為銜接困難礦井和衰老礦井延續(xù)提出了很好的解決方案，為集團公司找煤增量提供了技術手段。在技術實施過程中已經(jīng)探查出多個陷落柱，成功治理后避免了水害事故的發(fā)生，實現(xiàn)了集團公司近7年的安全生產(chǎn)。截至2020年底，峰峰集團39個工作面經(jīng)區(qū)域治理安全評價具備回采條件，其中已安全回采28個，正在回采11個；新增防治水治理達標煤量2100余萬t，安全采出煤量1600余萬t，緩解了礦井銜接緊張的局面，為確保集團公司完成生產(chǎn)任務提供了有力的資源支持和技術安全保障，為峰峰集團深部煤層的安全開采打下了堅實的基礎。

2.堵水、減水應用情況

2017年至2020年底，峰峰集團利用該技術對九龍礦15252N工作面3.6m3/min底板出水、牛兒莊采礦公司56603工作面原有5.7m3/min出水、九龍礦15449S工作面2.3m3/min出水進行了封堵，實現(xiàn)大社礦二水平西翼減水5.4m3/min、孫莊采礦公司南翼地區(qū)減水6.05m3/min、九龍礦15445N工作面減水0.9m3/min，累計減少礦井無效排水23.95m3/min，一年可節(jié)省排水電費2036萬元。

3.取得的技術成果

通過實施礦井水害區(qū)域治理防治技術，杜絕了深部受奧灰承壓水威脅礦井奧灰突水事故的發(fā)生，提高了生產(chǎn)安全性，實現(xiàn)了近7年的安全生產(chǎn)，同時緩解了生產(chǎn)銜接緊張，減少了井下生產(chǎn)與超前探測相矛盾的局面，促使礦井采掘平衡。目前礦井水害預防區(qū)域治理立體防治技術在峰峰集團所屬各礦推行。