奧灰區域探查與超前治理技術在棋盤井煤礦的實踐與應用

劉 愷

（國家能源集團內蒙古煤焦化公司煤炭管理部，內蒙古鄂爾多斯 016000）

我國煤礦資源非常豐富，是我國能源的主體部分，占一次能源的70%左右。在未來一段時間內，煤炭作為主要能源的形式仍然難以改變[1]。要使社會生產順利運行，煤礦持續正常化供應是前提，因此，確保煤炭安全高效生產是影響社會發展的一個重要因素。其中，煤礦發生透水事故是造成煤礦災害的主要方式，因此，要治理煤礦水災是是煤礦安全生產的重要環節。根據現有資料統計，全國95%的煤炭來源于地下開采，經常遇到礦井水災害，嚴重制約了煤炭開采的進度，同時嚴重威脅著員工的生命安全和財產安全[2]。因煤礦水災導致員工死亡數在煤礦災害中居第二位，發生次數方面是第三位[3]。近10 年來，礦井中出現了17 例死亡超過30人的突水事故，共造成857人死亡；死亡超過50 人的突水事故8 例，總計526 人死亡；2021 年山西一煤礦發生透水事故，導致21人被困。目前，礦井水災防治工作仍面臨嚴峻和復雜的局面[4]。近五十年來，國外煤礦防治水技術有了很大的發展，含水層預先疏干降壓方法逐漸代替被動排水，在煤礦防治水發展趨勢中占有主導地位，圍繞這種主動防治水方法，發展了相應的鉆探，排水新技術。同時由于煤礦排水量逐年增大，如何充分利用礦井水問題，已成為煤礦的重要課題。作為煤礦防治水的重要輔助措施，堵水截流方法也有了很大的發展，出現了很多的新技術[5]。疏干降壓前蘇聯及歐美將疏干降壓統稱為疏干，降壓疏干是頂板及煤層本身含水層的疏干，及底板含水層的降壓。目前，國外疏干方法主要采用主動防護法，即采用地面垂直鉆孔，以水泵預先疏干[6]。目前國內常見的帶壓開采技術包括底板改造、疏降奧灰、改造奧灰、特殊開采等技術[7]。底板改造技術適用于煤層底板有薄層灰巖強含水層且其與下伏奧灰有水力聯系的礦區，國內肥城、焦作、皖北、邢臺等礦區均采用該技術進行帶壓開采，目前該技術使用比較普遍[8]。疏降奧灰適用于奧灰水文地質條件特殊的礦區，如礦井奧灰水文地質單元相對獨立封閉、補給條件差的礦區，開灤趙各莊礦、單侯礦和邢臺章村礦采用該技術進行帶壓開采，但國內疏降奧灰的礦區總體較少[9]。改造奧灰適用于加固底板仍然無法滿足安全隔水層厚度要求的礦區，直接改造奧灰含水層頂部，變含水層為隔水層，增加隔水層厚度及強度。該技術適用于煤層距離奧灰頂面的距離小，及奧灰水存在原始導高的礦區[10]。特殊開采包括減少工作面斜長、減小空頂距、充填開采或強制放頂以進行帶壓開采，國內許多高水壓高突水系數的礦井采用特殊開采方法，如邢臺東龐礦采用減少工作面斜長的帶壓開采方法，該礦下組煤的工作面斜長約為70m。為了有效地治理奧灰水，確保煤礦安全生產，本論文重點采取了奧灰區域探查與超前治理技術來治理棋盤井煤礦的奧灰水的威脅，收到了較好的效果。

1 礦井概況

國家能源集團棋盤井煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市鄂托克旗棋盤井鎮。該礦含可采煤層6層，其中9#和16#煤層為全區可采煤層。區內煤層平均傾角5°，斜立井混合開拓方式，其中主井、斜井為進風井，棋盤井東回風立井為回風井，2021年由中煤科工集團重慶研究院有限公司鑒定礦井的絕對瓦斯涌出量為7.2min/m3，相對瓦斯涌出量為2.9m3/t，礦井屬低瓦斯礦井。該礦井底車場位于01采區南側，東與主斜井、副斜井和回風斜井相接，西與16#煤輔助運輸大巷、膠帶運輸大巷和回風大巷相連，本次治理區主要為井底車場范圍，同時兼顧II011601 工作面和16#煤三條大巷，為此盡可能地讓水平定向鉆孔向前延伸，擴大治理區域范圍。

2 分析問題

2.1 井田奧灰水文地質條件分析

棋盤井井田奧陶系灰巖含水層厚度較厚，上部100m 較富水，巖性為深青色灰巖，單位涌水量平均q=0.025~4.687L/(s·m)，滲透系數K=0.1043~4.656m/d，水質類型為Cl·SO4-Na 型水，礦化度2.60g/L，總硬度622mg/L，pH值7.95。奧灰含水層富水性不均一，局部富水性極強，如水文補勘施工的井下O 觀1孔，施工至16#煤頂板處即開始出水，終孔水量達220m3/h；16#煤巷道掘進期間，膠運大巷2J1-2 號探放水孔鉆進至139m時（垂距距16#煤底板18.30m）即發生涌水，水量達108m3/h。

此外區域整體上分析，井田構造控水規律性較強。首先，桌子山煤田巖溶陷落柱整體不發育，目前僅駱駝山發現一例，也為西北地區首例，由點狀導水通道造成突水的概率相對較低。其次，桌子山煤田奧灰富水性受斷裂構造控制明顯，富水區域一般集中在東西向橫張斷裂構造附近，規律性較強，防治水重點明確。奧灰含水層連通性較好，目前奧灰水位＋995m，區域巖溶水補給量有限，處于超采狀態，奧灰水位逐年下降如圖1所示，奧灰含水層可疏性較好，煤層承受的水頭壓力逐漸降低，相應的帶壓開采危險性也逐年降低。

圖1 棋盤井煤礦奧灰水位動態觀測歷史曲線圖

2.2 奧灰突水危險性綜合分析

棋盤井煤礦01 采區16#煤帶壓0~1.6MPa，突水系數在0~0.045MPa/m之間，突水系數由采區東北至西南逐漸加大，采區南側井底車場及16#煤三條大巷位置突水系數為最高點。設計01采區范圍內未發現落差較大的斷裂構造及導水陷落柱，構造條件中等，但通過水文補勘及探放水資料，區域地質構造復雜，裂隙發育，煤層底板隔水層局部破碎，存在奧灰導升，再加上工作面回采造成的底板破壞，16#煤開采突水危險性較大。

3 奧灰區域探查與超前治理技術的實踐及應用

3.1 奧灰區域探查

奧灰區域超前探查與治理。具體來講就是利用區域奧灰水位自然疏降的有利條件，按照工作面帶壓程度由小到大合理規劃開采順序，采用井上、下長距離定向鉆探等新工藝進行區域超前探查及治理。棋盤井煤礦16#煤的特點是煤層底板與奧灰頂面有一定間距（平均45.95m）且巖層厚度穩定，但存在破碎薄弱帶，可利用此特點在井下進行隔水層注漿改造，形成穩定隔水層后再開展工作面回采工作。也可在地面對奧灰頂部加以注漿改造，將奧灰改造為隔水層段后，再開展工作面回采工作。

（1）探查范圍的確定。井底車場位于01采區南側，東與主斜井、副斜井和回風斜井相接，西與16#煤輔助運輸大巷、膠帶運輸大巷和回風大巷相連，本次治理區主要為井底車場范圍，同時兼顧II011601 工作面和16#煤三條大巷，為此盡可能地讓水平定向鉆孔向前延伸，擴大治理區域范圍。本次治理范圍編輯主體分為三個部分，第一部分為井底車場部分，東和南部以外水倉為治理邊界；第二部分為II011601工作面部分，以工作面輔助運輸順槽和回風順槽外側30m 為邊界；第三部分為16#煤大巷部分，以兩側大巷外推30m 為治理邊界，初步擬定治理區面積為0.18km2，如圖2所示。

圖2 治理范圍平面位置示意圖

（2）探查的基本思路。針對待治理區水文地質條件，防治水方針以探查垂向導水通道為主，采用地面定向近水平鉆孔，以奧灰頂界面以下15m 地層為主要探查層位，主要沿著奧灰頂面下方一定距離順層鉆進探查治理，揭露可能存在的垂向導水通道并注漿充填加固，改造奧灰頂部含水層為隔水層。此次井底車場底板奧灰地層探查注漿改造的基本思路如下：

鉆探方面：本次設計11 分支孔，共計29 個控制點或靶點，其中主孔4個靶點，需要說明的是實際施工時，根據上一個分支孔的施工情況可適當調整下一個分支孔的靶點坐標，并且適當增加靶點，具體參數情況如表1所示。

表1 靶點坐標一覽表

根據各分支孔軌跡設計參數即可繪制鉆孔平面、垂面分布圖，如圖3和圖4所示。

圖3 鉆孔設計平面位置圖

圖4 鉆孔設計剖面位置圖

3.2 鉆探技術要求

（1）注漿孔鉆進過程中要嚴格按照鉆探規程施工，嚴防掉鉆埋鉆等鉆探事故。

（2）鉆孔施工中嚴格按照有關要求做好鉆孔的簡易水文觀測工作。

（3）巖屑錄井。第四系不撈砂樣，但必須判定基巖界面，接近9#煤時，每1m 撈1 包砂樣至完鉆，并做好鑒定，建立地層剖面。現場整理、匯總巖屑錄井表，對地層做出初步的判定和劃分。

（4）鉆時錄井。

①間距要求：自基巖段開始，進行鉆時錄井每1m記錄1個點，至完井。

②要隨時記錄鉆時突變點，以便及時發現煤層，卡準煤層深、厚度等。

③盡量保持鉆井參數的相對穩定，以便提高鉆時參數反映地層巖性的有效性，并記錄造成假鉆時的非地質因素。

④必須經常核對鉆具長度和井深，每打完一個單根和起鉆前必須校對井深，井深誤差不得超過0.1m。

⑤全井漏取鉆時點數不得超過總數的0.5%，目的層井段鉆時點不得漏取。

（5）鉆井液錄井。

①每8h做一次全性能測定；每2h測定一次一般性能（密度、粘度）。

②煤層井段或發現氣體顯示異常時，要連續測定鉆井液密度、粘度，并做好記錄。

（6）簡易水文觀測。

①全井鉆進過程中均應做好簡易水文觀測記錄工作。

②每次起鉆后、下鉆前測量一次水位（井筒液面）；每鉆進2h記錄一次鉆井液消耗量（泥漿池液面），進入洛河組后每1h記錄一次鉆井液消耗量，不足1h但大于30min時也應觀察鉆井液消耗量。

（7）鉆進過程中做好鉆孔原始記錄，鉆探過程中如遇漏水、塌孔、縮徑、掉鉆等現象時，要詳細記錄其發生的層位、深度及量值，對換徑變層等重要環節也要進行詳細記錄。

3.3 注漿工程實踐

3.3.1 注漿站布置

（1）根據鉆探工程布置的情況，需設計1 座地面注漿站，鋪設注漿管路至鉆孔，修建堆料場及蓄水池，單個注漿站占地約6畝。

（2）注漿站功能要求。采用散裝水泥送入現場水泥罐，利用螺旋上料機將水泥倒入坑式攪拌機，在地面進行制漿。

（3）注漿站要具備儲存400t 水泥/粉煤灰的能力要求，注漿站日注漿能力不低于2000m3（83m3/h）水泥漿或水泥—粉煤灰混合漿。

3.3.2 注漿材料

（1）漿液類型。本次探查治理工程采用地面注漿站造漿，通過專用輸漿管路送至探查治理鉆孔，水泥漿液管兩趟，管徑50.80mm。采用主要漿液類型為水泥單液漿，水灰比在（1∶1）~（3∶1）之間。

（2）注漿材料。

①水泥采用32.5#礦渣硅酸鹽水泥，其質量應符合國家GB175-2007標準，不得使用受潮結塊的水泥或過期的水泥。

②造漿用水水質須滿足國家混凝土用水標準（JGJ 63-2006），其SO42-含量應小于2700mg/L，pH應大于4。

③水泥單液漿中可加入0.03%~0.05%三乙醇胺和0.3%~0.5%食鹽作為早強劑。

3.3.3 注漿工藝（1）本次注漿工程采用分段下行式、孔口封閉靜壓注漿法進行注漿。注漿目的層位是奧灰頂部，鉆探中若有漏失或涌水的其他地層，也要進行注漿。注漿采用分段下行式注漿法，孔口止漿方式為連續與間歇相結合。

（2）注漿前先進行壓水，注漿中若吃漿量大，可用稠漿進行注漿或采用間歇式注漿法。若吃漿量小，可用稀漿進行注漿。

（3）單回次注漿起壓等凝后，要進行掃孔再注漿，若能吃漿還需繼續注漿，然后再掃孔，直至掃孔不吃漿然后繼續向前鉆進，如此循環式前進。

（4）注漿順序采用插花式跳孔施工方法，先注兩邊孔，再注中間孔，然后再在已注漿孔之間穿插注漿。后序鉆孔注漿時可對前序鉆孔的注漿效果進行檢查。

（5）注漿結束標準。終孔壓力在不對巷道造成破壞的前提下，一般選取靜水壓力的2~2.5倍作為單孔終壓結束標準，本次選擇注漿壓力為10MPa。當注漿壓力達到結束標準后，應逐次換擋降低泵量，直至泵量達到60L/min，并維持30min。

3.3.4 注漿量預計

在不揭露大溶洞或陷落柱的情況下，本次區域治理注漿量按下式估算：

式中：S——注漿范圍，0.18km2；

H——受注層段厚度，取值30m；

η——煤層底板巖石平均孔隙率，取值0.25%；

ξ——充填率，取值90%；

ω——漿液結石率，取值80%；

σ——流失系數，取值1.3。

把參數帶入公式計算后，預計總注漿量約為14000m3。按水泥漿液平均比重為1.3t/m3來核算，共需消耗水泥10000t。

4 效果分析

（1）通過奧灰區域探查與超前治理技術的實踐有效地治理了奧灰水透水事故的發生；

（2）通過奧灰區域探查與超前治理技術的實踐提高了礦井的防災抗災能力；

（3）通過奧灰區域探查與超前治理技術的實踐確保了棋盤井煤礦的安全生產；

（4）該防治水技術可以同類煤層條件下推廣應用。

5 結論

基于國家能源集團棋盤井煤礦技術的得出如下結論：

（1）作為防治水工程措施（疏降、注漿堵水、加固改造、排水及配套工程）施工組織設計的技術依據；

（2）作為主體防治水工程方案的技術操作、工程量、工期和費用編制的依據；

（3）根據井底車場巷道及16#煤首采工作面掘進實際情況和前期探查情況，適時調整措施方法及工程量獲得常規開采的安全保障與效率保證。