綠色保水采煤在煤礦區域治理中的應用研究

姬朝輝

（北京大地高科地質勘查有限公司，北京 100040）

過去，我國煤礦開采忽視生態環境保護，造成含水層結構損傷、地下水位下降、河流斷流等問題。針對煤礦區水環境問題，我國學者范立民系統地提出了保水采煤的科學內涵和技術規范要點，并構建了保水采煤研究的基本框架。保水采煤的科學內涵不僅包括保水采煤的適用條件、研究內容、研究方法與關鍵技術，還包括基于礦區水資源保護目標和保護技術的采煤工藝[1-2]。本文結合峰峰礦區九龍礦15252下塊工作面，簡述了該工作面保水采煤的過程及效果評價，以期促進保水采煤技術的推廣和應用，實現綠色開采和區域治理。

1 保水采煤的適用條件

保水采煤適用于干旱缺水區，是針對毛烏素沙漠的富煤區提出的，對于我國西北干旱半干旱地區的煤礦都適用。對于東部地區具有生態價值的含水層賦存區，如邯鄲、邢臺礦區，其也具有一定的適應性。保水采煤適用于強含水層發育地區，如有中、強富水性含水層的煤礦區，適用于采煤對含水層有影響的淺埋煤層區，適用于通過規劃或技術措施可以避免或降低煤對含水層結構影響的礦區[3]。保水采煤可緩解煤炭資源開采和水資源供需平衡的矛盾，以達到資源開發和水環境保護的協調統一[4]。

2 煤礦區域治理的保水采煤案例

峰峰礦區九龍礦隸屬河北省邯鄲市，位于太行山東麓南段，呈北北東向條帶狀分布。在區域水文地質單元中，九龍礦位于黑龍洞泉域。黑龍洞泉域西部山區基巖裸露，為奧灰巖溶水的主要補給區。九龍礦位于紙坊至黑龍洞泉水排泄區的下游，屬于地下水向深部潛流的滯流區。

2.1 15252下塊工作面概況

15252下塊工作面位于九龍礦南二下部采區，地處常凝村以東530 m，地面主要為莊稼地及東武仕水庫。15252下塊工作面地面標高為107.9～109.2 m，井下標高為770.7～820.0 m。工作面走向長度為248～274 m，平均為261 m；傾斜長度為29～75 m，平均為62 m。

2.1.1 地質條件

九龍礦15252下塊工作面范圍內，地層依次為奧陶系、石炭系和二疊系。石炭二疊系為含煤地層，煤炭資源豐富。該工作面構造較復雜，煤層賦存較穩定，2號煤層厚度為3.1～3.3 m。15252下塊工作面在掘進過程中共揭露2條正斷層：F01斷層在工作面下順槽揭露，斷層走向為54°，落差為1.2 m；DF15-2斷層在工作面切眼揭露，斷層走向為43°，落差為25 m，同時在工作面上順槽揭露，斷層走向為20°，落差為8 m。

2.1.2 水文地質條件

15252下塊工作面布置范圍內，水文地質條件比較簡單，主要含水層為奧陶系灰巖含水層。奧陶系灰巖含水層與2號煤層的間距為172.5 m。該范圍內奧陶系灰巖含水層動、靜水儲量大，一旦有斷裂構造或發育的巖溶陷落柱，使奧陶系灰巖含水層形成垂向導水的條件，就會給該地區的采掘活動造成威脅。因此，奧陶系灰巖含水層為威脅15252下塊工作面安全生產的主要含水層，這也是工作面下伏奧陶系灰巖含水層進行區域注漿加固的目的。

2.2 15252下塊工作面區域治理

15252下塊工作面區域治理范圍為：上順槽外側204.5 m；下順槽外側182.2 m；切眼外側185 m；停采線外側188.7 m。該范圍內共施工了20個分支水平孔，鉆探工程量合計15 361.65 m，注漿量為15 019 t。其中，2019年在15252下塊工作面施工4個分支水平孔，即注13-1、注13-2、注13-3和注13（2）-1，鉆探工程量合計2 399 m（水平段），注漿量為4 260 t。

2.2.1 注13-1分支水平孔施工概況

2019年3月24日，從注6外-14分支水平孔孔深2 300 m處開始施工注13-1分支水平孔。注13-1分支水平孔鉆進至孔深2 852 m（奧陶系灰巖頂面以下17 m）處終孔，驗收，測水位；注水泥715 t封固分支鉆孔，注漿終壓為11 MPa，完孔。注13-1分支水平孔從孔深2 300 m處開分支，2 852 m處終孔，水平進尺為552 m，無漏失，封孔注水泥715 t，共注水泥715 t。

2.2.2 注13-2分支水平孔施工概況

2019年5月12日，從注13-1分支水平孔孔深2 260 m處開始施工注13-2分支水平孔。注13-2分支水平孔鉆進至孔深2 260 m（奧陶系灰巖頂面以下34.5 m）處，漏失量為20 m3/h，測水位，注水泥1 080 t，注漿壓力為12 MPa，注漿后掃孔，壓水試壓為7.5 MPa；繼續鉆進至孔深2 850 m（奧陶系灰巖頂面以下28 m）處終孔，測水位；注水泥485 t封固分支鉆孔，注漿終壓為11 MPa。注13-2分支水平孔從孔深2 260 m處開分支，2 850 m處終孔，水平進尺為590 m，漏失1次，注水泥1 080 t，封孔注水泥485 t，共注水泥1 565 t。注13-2分支水平孔位于孔深2 260 m處，地層漏失原因為奧陶系灰巖溶隙構造較為發育。

2.2.3 注13-3分支水平孔施工概況

2019年4月19日，從注6外-11分支水平孔孔深2 100 m處開始施工注13-3分支水平孔。注13-3分支水平孔鉆進至孔深2 220 m（奧陶系灰巖頂面以下40 m）處，出現全漏失，漏失量為50 m3/h，測水位，注水泥865 t，注漿壓力為12 MPa，注漿后掃孔，壓水試壓為7.5 MPa；繼續鉆進至孔深2 366 m（奧陶系灰巖頂面以下34 m）處，漏失量為50 m3/h，測水位，注水泥240 t，注漿終壓為12 MPa，然后掃孔，壓水試壓為7.5 MPa；繼續鉆進至孔深2 852 m（奧陶系灰巖頂面以下25 m）處終孔，測水位；注水泥275 t封固分支鉆孔，注漿終壓為11 MPa。

注13-3分支水平孔從孔深2 100 m處開分支，2 852 m處終孔，水平進尺為752 m，漏失2次，分別注水泥865 t、240 t，封孔注水泥275 t，共注水泥1 380 t。注13-3分支水平孔位于孔深2 200 m、2 366 m處，地層漏失原因為奧陶系灰巖溶隙構造較為發育。

2.2.4 注13（2）-1分支水平孔施工概況

2019年3月1日，從注6外（2）-2′分支水平孔孔深2 690 m處開始施工注13（2）-1分支水平孔。注13（2）-1分支水平孔鉆進至孔深3 195 m（奧陶系灰巖頂面以下26.5 m）處終孔，驗收，測水位；注水泥600 t封固分支鉆孔，注漿終壓為10 MPa，完孔。注13（2）-1分支水平孔從孔深2 690 m處開分支，3 195 m處終孔，水平進尺為505 m，無漏失，封孔注水泥600 t，共注水泥600 t。

3 區域治理效果評價

3.1 工程揭露的構造和地層情況

注13（2）-1分支水平孔主孔施工過程中，揭露地層分別為第四系沉積層、二疊系石盒子組與山西組、石炭系太原組與本溪組，目的層為奧陶系灰巖含水層。在目的層鉆進過程中，通過區域地質孔揭露的層間距對比分析，2號煤層與奧陶系灰巖含水層的間距為172.5 m，因此探查范圍內不存在大的斷層構造。發生漏失處附近的巖粉無明顯變化。根據漏失點情況，裂隙發育位置主要是奧陶系灰巖頂面以下35 m左右。漏失地段經過注漿處理后，后續掃孔鉆進作業中，未發現原漏失點附近再出現漏失，說明注漿封堵效果明顯。

3.2 工程揭露的水文地質條件

野青灰巖含水層及伏青灰巖含水層以靜儲量為主，補給水源很弱，水量小，隨采掘延伸和揭露逐漸疏干。大青灰巖含水層厚度為0～6 m，平均為5 m，為溶蝕裂隙含水層，巖溶裂隙不發育，富水性不均勻，局部富水性較強。在不受奧陶系灰巖含水層補給的情況下，該含水層對上覆野青煤層及以上煤層開采無影響。奧陶系灰巖含水層總厚度為500～600 m，含水層富水性強，具有巨大的動、靜水儲量。地面施工的分支水平孔鉆孔巖屑層正常，注漿沒有大的漏失點，未探查到隱伏構造，證明該區域地層穩定，構造簡單，水文地質條件已探查清楚。

3.3 區域治理效果

15252下塊工作面鉆進過程中，地層巖屑正常，未探查到異常區域。鉆孔軌跡均按照設計施工，關鍵落點均處于設計位置，符合設計要求。分支水平孔加固了15252下塊工作面下部奧陶系灰巖含水層頂面以下20～40 m的區域，使工作面奧陶系灰巖含水層富水性進一步減弱，奧陶系灰巖頂部含水層改造為相對隔水層，確保工作面安全開采。15252下塊工作面施工的分支水平孔共探查到漏失14次，注漿量在0～300 t的漏失有10次，注漿量在300～600 t的漏失有3次，注漿量在800～900 t的漏失有1次。

各個分支水平孔漏失點注漿后，壓水試壓均符合要求，孔與孔相互交叉或者靠近施工，相互驗證，均未發現再次漏失現象。在井下對工作面漏失量較大位置進行鉆探驗證，未發現異常，在井下超前物探和采前物探中，漏失點位置也未發現異常，進一步驗證了漏失點注漿效果。分支水平孔工程量、井身軌跡、落點坐標及落點層位均符合設計要求。各分支孔嚴格按設計進行施工，呈線網狀布置，在施工過程中根據實際需要及時進行調整，達到探查導水構造與含水構造的目的，并對每個漏失點進行注漿，對漏失量大、注漿量大的地段進行補充驗證。經驗證，注漿效果明顯，達到加固目的，為工作面的安全掘采奠定基礎。

4 黑龍洞泉域地下水水位變化

有研究通過計算地下水位的年均下降速率，開展邯鄲市黑龍洞泉域地下水超采區評價，結果表明，評價期內地下水位下降速率為0.02～9.60 m/a[5]。其中，黑龍洞泉域下游地下水排泄區下降速率穩定，均小于0.42 m/a。由于武安市玉泉嶺鐵礦礦井疏干水排放量較大，造成小范圍的局部開采漏斗，玉泉嶺鐵礦及周邊地下水位下降速率較大，評價期內下降速率最大達9.60 m/a，而位于峰峰礦區的郭莊、西清流監測井的地下水位下降速率分別為0.4 m/a、0.3 m/a，遠遠小于前者，因此煤礦開采對黑龍洞泉域水資源的影響較小，礦區保水采煤有實際效果。

5 結論

保水采煤是解決礦區煤炭開采與水環境保護矛盾的有效途徑之一[6]。本文簡要介紹了保水采煤的適用條件，并結合九龍礦15252下塊工作面的煤礦區域治理案例，證明峰峰礦區保水采煤有實際效果。下一步將從保水采煤技術經濟方面論證可行性，力爭在可適用地區推廣保水采煤技術。