区域超前治理防治水技术

赵庆彪，高春芳，王铁记

(1.冀中能源集团有限责任公司，河北邢台054021; 2.冀中能源峰峰集团，河北邯郸，056011)



区域超前治理防治水技术

赵庆彪1，高春芳1，王铁记2

(1.冀中能源集团有限责任公司，河北邢台054021; 2.冀中能源峰峰集团，河北邯郸，056011)

［摘要］根据邯邢矿区大采深矿井开采和下组煤开采面临的严重水患，提出了“区域超前治理”防治水理念，即“超前主动、区域治理、全面改造、带压开采”的技术指导原则;由一面一治理改为以采区、水平或由地质构造所分割的单元为单位进行区域治理，主要总结了井下定向钻进关键技术首次应用于煤层底板岩层区域超前治理防治水技术研究，先治后掘，先治后采，从而实现“不掘突水头，不采突水面”的目标，为今后大采深和开采下组煤矿井防治水提供了很好的借鉴经验，创新了大采深矿井和开采下组煤奥灰水害防治方法，安全地开采受承压水威胁的煤炭资源，取得了很好的经济和社会效益。

［关键词］大采深;下组煤;奥灰水;带压开采;区域超前;防治

［引用格式］赵庆彪，高春芳，王铁记.区域超前治理防治水技术［J］.煤矿开采，2015，20 (2) : 90－94.

冀中能源集团在河北南部邯邢矿区有35个矿井，有10个矿井深超过800m，其中4个矿井超过1000m，如九龙矿深部新建副井深达1340m，有7个矿井开采下组煤。随着矿井开采深度不断增加以及下组煤大规模开发，煤层开采受煤系基底巨厚奥灰高承压底板突水威胁程度大幅增加。近10多年来，邯邢矿区相继发生了7起较大以上的隐伏导(含)水陷落柱、断层及裂隙带突水，所以，研究解决好大采深及开采下组煤矿井水害防治所面临的难题具有重要的现实意义。

1　大采深和下组煤开采矿井面临的严重水患

邯邢矿区属典型的华北型煤田之一，煤系可采煤层分上组煤(2，4，5号煤层)和下组煤(7， 8，9号煤层)，上、下组煤带压开采主要防范奥灰强含水层突水，所受到的水害威胁类型主要是即时及滞后型水害［1－3］。

1.1大采深矿井面临的水患问题

峰峰矿区有3个大采深矿井承受奥灰水压达8.0～10.8MPa，邢台矿区邢东矿采深达到1260m，2号煤底板承受奥灰水压达11～12MPa，因此，上组煤开采同样受奥灰高承压水威胁。另外，发育层位低、直径小的导含水陷落柱、小断层及裂隙带，对矿井安全威胁极大，矿井深部隐伏导(含)水构造及裂隙带，尤其是隐伏含水陷落柱呈垂向点状形态赋存，分布无规律，发育层位低，超前探明难度大。一旦揭露或间接揭露往往导致突水灾害并影响周边地下水环境。据统计，邯邢矿区约71.5%矿井发育有陷落柱地质构造，如邢台矿区葛泉矿发现78个陷落柱，峰峰矿区羊东矿发现19个陷落柱。在近10年内发生的7起奥灰水突水事故中，有3起是隐伏含水陷落柱突水造成的，2起是高承压水头条件下的裂隙带出水造成的。

1.2开采下组煤面临的水患问题

邯邢矿区有7对矿井开采下组煤，年生产能力4.5Mt。随着生产规模逐步扩大，采深也逐步增加，突水系数逐渐接近或达到了《煤矿防治水规定》的上限，已严重影响矿井安全和采区正常衔接。2007年以来开采下组煤矿井发生了2起煤层底板小断层和裂隙带突水，说明了在高承压水头条件下开采下组煤，小型构造或裂隙带也能够形成垂向导水通道而致灾。以往治理的重点只限于煤层底板隔水层，未涉及到奥灰强含水层，已不能满足规模化开采下组煤的水患防治工作需要。

1.3大采深矿井井下钻探施工安全问题

在水害威胁严重的矿井，井下钻探是必不可少的重要环节，在大采深高承压水条件下，涉及钻机固定、钻杆卡紧装置、施工后路畅通等作业人员安全等问题;另外，孔口管及附近围岩体加固存在着固结可靠性问题，其一旦发生突水将难以控制［4］。

2　区域超前防治水技术路线

2.1区域超前防治水害指导原则

随着矿井开采深度越来越大，水压越来越大，若采用常规的防治水技术路线，则“出水是必然的”，针对大采深高承压开采和下组煤开采所面临的奥灰水害防治问题［5］，目前迫切需要转变水害防治观念和治理思路，充实防治水指导原则，从矿井安全和大区衔接两方面考虑，提出了“超前主动、区域治理、全面改造、带压开采”防治水技术指导原则。

(1)区域超前治理是从以往局部一面一治理扩展到以采区及以上区域为单元或受地质构造分割相对独立的水文地质单元为区域进行治理;与其他煤矿和金属矿山的帷幕注浆不同，区域治理的对象是煤层底板岩层。

(2)注浆治理程序要超前于工作面掘进和回采，实现“不掘突水头，不采突水面”的目标。

2.2区域超前治理防治水工程工序

在大采深高承压奥灰水条件下，为保证“不掘突水头，不采突水面”，提出区域超前治理防治水工序如下:

(1)井下区域超前治理水害程序:地面物探→井下定向钻(钻探、验证)→区域注浆治理。

(2)工作面掘进前治理程序:掘前物探→打钻验证→超前补注→先治后掘。

(3)工作面回采前:物、钻探测→注浆补强→全面改造→采前评价→回采。

采前评价是回采工作面全面治理后，还要用一种物探手段进行治理前、后的效果对比，然后进行工作面采前专家综合安全评价，待评价通过后方可进行回采。

2.3区域超前治理模式

根据大采深及开采下组煤矿井区域超前治理防治水指导原则，按照突水系数T建立以下3种水害治理模式: T≤0.06MPa/m，以查找封堵出水垂向通道为主; 0.06＜T＜0.09MPa/m，煤层底板全面注浆改造; 0.09≤T＜0.10MPa/m，区域超前治理奥陶系灰岩顶部，将其改造为完整的相对隔水层。

2.4区域超前治理技术目标

(1)开采上组煤的矿井，对煤层底板实施全面改造;下组煤高承压水矿井，对奥灰顶部全面注浆改造，全面封堵底板范围内存在的裂隙带、导(含)水构造及奥灰原始导高裂隙带，提升矿井抗水害安全程度。

(2)区域治理工程必须超前井下采掘工程，坚持“不掘突水头，不采突水面”的原则。

(3)要建立矿井“水患治理达标煤量”概念，达标煤量原则上要大于回采煤量，坚持“以治定采”的原则。

3　井下区域超前治理防治水害的方式

3.1定向钻进以采区为单元进行区域超前治理

3.1.1定向钻进技术

鉴于大采深和开采下组煤矿井煤层底板承受水压高，隐伏导水构造及裂隙带发育的情况，采取井上、下相结合，应用先进的定向钻进技术实现区域超前治理的目的。

煤矿井下定向水平钻进技术是煤矿钻探领域的一项新技术，该技术集成了水平孔、分支孔、随钻测量等技术，采用带弯接头螺杆钻具技术，钻杆不回转，利用高压水驱动螺杆马达带动钻头回转和有线随钻测量技术而实时监测钻孔轨迹，并通过调节螺杆马达工具面向角控制钻孔轨迹，从而使钻孔尽量在目的岩层中延伸。该技术不仅可有效控制钻孔轨迹使钻孔沿目的层延伸，而且可通过打分支孔，增加钻孔在目的层位的有效进尺，以增加有效注浆孔段，扩大底板注浆面，达到注浆加固底板的目的，实现煤层的安全开采。

井下定向水平钻进技术一般是井下巷道底板倾斜开孔进入设计注浆改造目的层位后以水平或近水平状态延伸，使原在水平层面无联系的断层及裂隙等渗流通道互相连通，扩大了钻孔控制范围，提高了目的层的注浆改造效果，为“不掘突水头，不采突水面”防治水目标的实现创造了条件。该技术目前正在峰峰集团辛安矿进行推广应用。

3.1.2定向水平钻进区域防治实例

辛安矿目前开采2号煤，平均厚度4.01m，目前最深开采至－600m。在对辛安矿－280m水平和－500m水平开采过程中，大青和奥灰水对矿井安全的影响较大，主要表现在以下方面:

(1)辛安矿井田虽然只开采2号煤，目前该矿总涌水量约240m3/h左右，但由于大、中型断层发育，落差变化大，部分断层位置、产状控制程度较差，开采中如遇到导水断层可能诱发大青、奥灰水突出。

(2)辛安矿开采2号煤标高主要在－280m及以下，由于煤层埋深大煤层底板承受的水压大，在断层、采动和矿山压力综合影响下，可能沟通不同含水层之间的水力联系，发生底板突水的风险增大。

11216采区2号煤底板标高－550～－670m，承受水压达9.5MPa，为确保2号煤安全开采，采用煤矿井下水平定向钻进为主，普通回转钻进为辅的复合定向钻进技术，对辛安矿11216采区煤层底板进行区域全面注浆加固改造，减低底板水害威胁，确保工作面安全回采。

该采区2号煤可采储量为1.55Mt，山青灰岩为山青煤层的直接顶板，厚度1.0～2.0m;伏青灰岩为山青煤层间接底板，厚度3.0～5.0m，上距山青煤层1.0～3.0m，由于层间距较小和小断层切割，造成山、伏青灰岩频繁对接，故常被视为一个含水层。

定向水平孔设计原则:

(1)坚持底板全面注浆加固改造原则，不留底板注浆盲区，造成漏探。

(2)坚持经济有效原则，在满足底板全面注浆改造的前提下，优化工程布置方案，提高工程进度，尽可能减少工作量。

(3)根据地质资料及井下具体状况，设计合理定向轨迹，达到探测可靠、控制精确的目的。

(4)底板注浆加固钻孔按全面加固工作面底板隔水层的原则进行设计，均匀布孔，避免加固盲区。

(5)底板注浆加固定向钻孔间距可依据单孔注浆扩散范围确定，根据辛安矿的施工经验，钻孔单孔注浆扩散范围为30～40m，因此在设计中将定向钻孔水平间距确定为55～75m。

(6)底板注浆加固定向钻孔首选目标层位为大煤(2号)底板以下86.9m伏青灰岩，由于伏青灰岩坚硬(坚固性系数f=16～17)，若实钻机械钻速过低，施工难度大时，底板加固定向钻孔目标层上调至距大煤(2号)底板以下67.2m粉砂岩，粉砂岩做为备选目标层。

2号煤底板向下采用复合定向钻进施工，进入目标层位后的钻孔间距控制在55～75m，定向钻孔层位控制在2号煤底板以下78～87m范围内沿设计轨迹延伸，钻孔延伸地层以伏青灰岩为主，并采用边施工边注浆的方法，达到2号煤底板注浆加固的目的。详见图1、图2。

图1　辛安矿井下定向水平钻区域治理平面

图2　煤层底板定向水平钻孔剖面示意

3.2利用已掘工作面对上下工作面区域超前治理

3.2.1区域超前补强治理

掘前“条带”(超前钻孔探测区域为条带状)超前治理。在大采深高承压矿井和采下组煤条件下，底板超前定向钻探的目的是探测巷道前方及侧前方的导(含)水构造及裂隙带，同时兼作超前注浆治理钻孔。一般是每组布置3个孔，即掘进正前方布置1个钻孔，两侧布置2个钻孔。为“不掘突水头”，超前掩护煤巷安全掘进，以注浆扩散半径20～30 m考虑，确定合理的超前钻探注浆距离和底板加固深度，封堵潜在的出水通道。大采深矿井2号煤底板超前钻终孔层位煤层底板以下60m以深，野青煤层底板超前钻终孔层位是大青灰岩，9号煤底板超前钻终孔层位是奥陶系灰岩顶面或本溪灰岩以下5m。实体煤掘进前方的底板及侧向一定范围内超前注浆加固，实体煤巷“条带”超前注浆示意如图3、图4所示，这就为相邻沿空掘巷或留设小煤柱掘巷超前进行了区域条带加固煤层底板岩层。

图3　实体煤巷“条带”超前注浆平面

图4　实体煤巷“条带”超前注浆剖面

采前工作面相邻未采区域煤层底板补强注浆。回采工作面掘出后，对煤层底板加固层进行补强注浆以完成全面改造目标;同时，为给相邻未采区域掘进创造“不掘突水头”的条件，利用回采工作面两巷超前注浆加固相邻上下未采工作面区域，工作面底板注浆改造范围要在本工作面设计范围外延50m以上，甚至达到150m。

3.2.2区域超前补强防治实例

葛泉矿东井试采下组9号煤，现开采水平为－150m，井田地质条件复杂，断层、陷落柱发育，经钻探及井巷工程揭露69个。灰岩含水层和底板下20m的本溪灰岩(平均厚7m)含水层，9号煤底板下平均40m为奥陶系灰岩含水层顶面，为下组煤开采的间接充水水源。

防治水技术路线: (1)在地面采用三维地震及瞬变电磁综合勘探技术对井田全面覆盖，查明了断层、隐伏陷落柱等地质构造发育情况及地质构造的富水性等水文地质条件特征; (2)巷道掘进时，采用直流电法进行超前探测，并进行底板超前钻探实施物探异常验证、超前预注浆以及探查隐伏的地质构造; (3)巷道每掘进一定距离施工钻窝，对本工作面及相邻工作面施工底板注浆钻孔，对工作面实行全面注浆加固; (4)全面注浆加固过程分3个阶段进行:前期注浆、中期加密注浆、后期检验及补充注浆。

注浆加固目标层:对9号煤底板本溪灰岩含水层进行全面注浆改造，把本溪灰岩改造为弱含水层或相对隔水层，以提高9号煤底板隔水层的强度和阻水能力。详见图5煤层底板注浆加固与改造。

图5　煤层底板注浆加固与改造

超前注浆治理模式:以注浆加固扩散半径确定合理的超前钻探距离和煤层底板加固厚度。在掘前超前底板注浆加固范围、掩护本煤层所掘巷道，钻探是兼验证和注浆加固等3种功能，对巷道前方的底板及侧向一定范围内予以注浆加固，以实现“不掘突水头，不采突水面”。

底板注浆治理钻孔布置原则:采用浆液扩散半径为20m左右，对于断层和陷落柱附近采用15m浆液扩散半径布孔;注浆加固的目的层为煤层底板下10m至本溪灰岩底板下2m的含导水构造;钻孔裸孔段应尽可能多地穿过注浆加固的目的层段;钻孔方向尽可能垂直于构造裂隙发育方向，以利于浆液向垂直裂隙带扩散;注浆钻孔对物探异常区、断层带、陷落柱的探查与加固有所侧重;工作面切眼位置、初次来压位置、周期来压位置、巷道直接底板两侧20m范围内和停采线附近作为重点加固区段;平面加固范围到工作面外围至少50m，甚至覆盖相邻工作面。

评价方法:所有底板超前钻探、底板注浆加固钻孔以及异常区验证钻孔的出水量必须满足小于10m3/h的要求，否则补打检查钻孔进行补强注浆。

以葛泉矿东井9号煤11914工作面为例，底板注浆改造工程共施工注浆钻孔161个，钻探总进尺14103.5m，注浆8572.51t水泥。由于工作面上部存在1条落差18m的SF5断层，在11914上巷和11912工作面下巷对SF5断层带及上下盘本溪灰岩进行了全面注浆改造，共施工断层注浆加固钻孔57个，钻探工程量4667.4m，注浆6377.17t水泥，沿断层注浆加固控制长度700m，断层两盘注浆加固宽度各40m (按15～20m扩散半径)。后期检查孔证实，通过注浆加固后断层上下盘本溪灰岩水量均小于10m3/h。正常回采时，工作面水量在4m3/ h左右，注浆加固治理效果显著。

葛泉矿东井9号煤试采工作始于2007年，到目前已经安全回采了9个工作面，共采出煤炭资源2.8Mt，证明目前采取的区域超前注浆加固治理技术行之有效，达到了比较理想的效果。

4　结论

(1)提出了大采深矿井和下组煤开采“区域超前治理”防治水理念和“超前主动、区域治理、全面改造、带压开采”的防治水技术指导原则，创新了大采深矿井和高承压水上区域超前治理防治水技术;“先治后掘、先治后采”，为实现“不掘突水头，不采突水面”探索出一种新的有效方法。

(2)首次将井下定向水平钻进技术应用到矿井煤层底板岩层改造领域中，利用定向水平钻孔技术，将煤层底板目标灰岩层全面改造为相对隔水层，从根本上消除了奥灰灾害性突水通道。

(3)利用井下工作面对相邻区域超前治理，注浆改造下组煤层底板本溪灰岩或奥陶系灰岩顶部，有效封堵裂隙带、构造等造成的突水通道，可以实现安全开采下组煤的防治水目标。

［参考文献］

［1］赵庆彪.邢台矿区煤矿开采新技术应用与发展［M］.北京:煤炭工业出版社，2000.

［2］赵兵文，关永强.大采深矿井高承压奥灰岩溶水综合治理技术［J］.煤炭科学技术，2013，41 (9) : 75－78.

［3］武强，崔芳鹏，赵苏启，等.矿井水害类型划分及主要特征分析［J］.煤炭学报，2013，39 (4) : 561－565.

［4］虎维岳.矿山水害防治理论与方法［M］.北京:煤炭工业出版社，2005.

［5］赵铁锤，等.华北地区奥灰水综合防治技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2006.

［责任编辑:邹正立］

Technology of Regional Advanced Water Prevention and Control

ZHAO Qing-biao1，GAO Chun-fang1，WANG Tie-ji2

(1.Jizhong Energy Group Co.，Ltd.，Xingtai 054021，China; 2.Jizhong Energy Fengfeng Group，Handan 056011，China)

Abstract:In order to relieve the menace of serious water disaster in mining lower-group coal in deep mine of Hanxing mining area，regional advanced water prevention idea was put forward which took“advanced prevention，comprehensive renovation，regional control and mining under water pressure”as technical indicating principle.Mining face prevention was transferred to regional prevention which was divided into elements by mining zone，level and tectonic structure.The key technology of underground directional drilling which firstly was applied in regional advanced floor-water prevention and control was concluded.By“first-prevention-then-driving and mining”，the goal of water prevention was realized.This technology provided reference for mining lower-group coal under water pressure in deep mine and innovated water prevention method，and safely mining coal resource threatened by water and excellent economic and social value was made.

Keywords:large mining depth; lower-group coal; water within Ordovician limestone; mining under water pressure; regional advance; prevention

［作者简介］赵庆彪(1957－)，男，辽宁海城人，博士，教授级高级工程师，现任冀中能源集团有限责任公司总工程师，从事煤矿生产技术管理、研究等工作。

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.025

［收稿日期］2014－08－19

［中图分类号］TD745

［文献标识码］A

［文章编号］1006-6225 (2015) 02-0090-05