动水条件下矿井突水快速治理与恢复技术研究

摘要：矿井突水是矿井重大灾害之一，近年逐渐成为影响煤矿安全生产的主要矛盾。矿井深部开采在高围压、高地温、高水压的条件下，受到煤层底板各隔水层、含水层中陷落柱、断层及裂隙带威胁，在采动影响下，与奥陶系灰岩含水层形成导水联系，进而发生矿井突水事故，因此矿井水害防治一直是煤矿安全生产的重点工程。

关键词：矿井突水；导水通道；定向钻进；注浆堵水；动水条件；煤矿安全生产 文献标识码：A

中图分类号：TD745 文章编号：1009-2374（2017）10-0220-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.111

随着近年来煤矿企业的快速发展，冀中能源峰峰集团多数水文地质条件复杂与极复杂型矿井已处于深部开采状态，深部矿井的主要水害威胁为奥陶系灰岩含水层，主要受具有极为丰富动静储量的巨厚奥灰含水层威胁。奥灰含水层埋深1000m左右，富水性普遍较微弱或不富水，但仍发育富水强径流带，水力联系密切，动静储量丰富，一旦突水即为灾害性突水。本文就近期峰峰集团梧桐庄矿矿井突水淹井及快速治理恢复生产进行了分析和探讨。

1 矿井突水概况

梧桐庄矿于2003年10月正式投产，设计年生产能力120万吨，2007年技术改造后，矿井生产能力提高至210万吨/年。矿井生产系统采用为立井单一水平（-470m）开拓方式。井田内煤炭地质储量43769.6万吨，煤种以肥煤为主，焦煤次之。2014年7月25日，该矿182306工作面发生底板陷落柱突水事故，最大水量约15000m3/h，矿井启动全部排水设备后水位仍不断上升，至7月27日矿井被淹。梧桐庄矿淹井后迅速成立了堵水技术小组，制定堵水工程设计并负责施工技术指导，地面区域治理钻孔由北京中煤大地技术开发公司、郑煤集团等单位施工，钻孔注浆由中国煤炭科工集团西安研究院施工，在各施工单位共同努力下，共施工地面主孔4孔，分支孔8孔，钻探量7600m，完成注浆量6.8万吨，仅用短短3个月零5天时间，不仅完成了矿井突水点的彻底封堵，还将矿井淹没水位排至-470大巷水平。本项防治水工程技术难度之大、治水和排水恢复生产速度之快及效果之好，在此前我国煤矿同类水害治理中居于前列。其中定向钻进技术、大流量灌浆及水文地质分析法指导施工、大流量排水复矿技术方法等都有创新，为我国煤矿注浆堵水的技术宝库增添了新的内容。

2 矿井地质和水文地质条件

2.1 地质构造

梧桐庄井田位于鼓山复背斜之东南，地质构造为峰峰煤田构造基本特征所制约。构造类型以高角度正断层为主，褶皱构造相对发育。由于井田东西两侧断层的相对下降而使井田抬起，呈一近似三角形的地垒构造，井田总的地层走向为北东，倾向南东，倾角一般在15°左右。

在上述地垒构造的基础上，有相当发育的次一级的褶皱成为井田内主要构造，褶皱组合形态多种多样，主要有四个背斜、三个向斜。其中以梧桐～钟离向斜最长，横贯井田。并伴随着落差大小不等的断裂，经查勘探与生产揭露井田内落差大于10m的断层71条，断层走向大致分北北东向和北东东向两组。纵穿井田的主干断裂有F25、F5、F1、F3，其中F25断层为井田西南部边界，F5断层为东部边界。

2.2 地层

井田地层从老到新包括下古生界奥陶系，上古生界石炭系、二叠系，新生界第三系及第四系沉积地层。其中山西组2#煤層为本井田主要开采煤层。

2.3 水文地质条件

2.3.1 含水层分布。井田内有十个含水层，从下往上依次为奥陶系灰岩含水层（Ⅰ）；石炭系太原组大青（Ⅱ）、小青（Ⅲ）、伏青（Ⅳ）、山青（Ⅴ）、野青（Ⅵ）灰岩含水层；二迭系山西组砂岩含水层（Ⅶ）、石盒子组砂岩含水层（Ⅷ）；石千峰组砂岩含水层（Ⅸ）；第三系、第四系含水层（Ⅹ）。其中对采煤威胁较大的含水层有奥灰含水层（Ⅰ）、大青灰岩含水层（Ⅱ）、山伏青灰岩含水层（Ⅴ～Ⅳ）。对生产威胁较大的含水层特征如下：（1）山伏青灰岩含水层（Ⅳ+Ⅴ）：山青灰岩为山青煤（6号煤）的直接顶板，伏青灰岩为山青煤间接底板。由于层间距较近，视为一个含水层。灰岩厚度6～7m，岩溶裂隙不发育，勘探资料反映含水性较弱；（2）大青灰岩含水层（Ⅱ）：为大青煤（8号煤）直接顶板，层位和厚度均稳定，厚度为5～6m。上距大煤底板隔水层一般厚度为118m。为溶蚀裂隙含水层，岩溶裂隙不发育，含水层水位+96m，与奥陶系灰岩含水层水力联系密切，富水性不均匀，局部富水性强；（3）奥陶系灰岩含水层（Ⅰ）：为煤系地层基底，井田内钻孔揭露奥灰厚度119.53m，根据峰峰矿区资料，奥灰总厚度约605m。含水层顶面上距大煤底板隔水层一般厚度约155m，为溶蚀裂隙-溶洞含水层。含水层水位标高+120m左右，高出矿井-470水平标高590m左右。根据井田精查勘探资料，该含水层单位涌水量为1.258～6.438L/s·m，临近的九龙矿井田1983年奥灰孔组抽水试验单位涌水量为5.57～6.22L/s·m，可见奥灰含水层富水性强，由于其分布面积广、厚度大，具有巨大的动、静水储量。该含水层可以通过导水断层、陷落柱和构造裂隙等地质构造补给煤系地层含水层或突入井巷，为井田煤系地层内各含水层的总补给源和威胁矿井采掘工程的水害根源。

2.3.2 矿井历年来突水事故。矿井自建井投产以来生产揭露情况证实，煤层底板含水层在断裂破碎带、褶曲轴部等部位岩溶、裂隙较发育，富水性较好，并具有明显的不均一性。岩溶裂隙发育程度及其导水性显示出较好的径流和循环条件，矿井水文地质条件极其复杂、特殊，煤层开采受底板水害威胁严重，曾发生多次突水事故，主要突水事故如下：（1）1995年12月3日建井期间-500m水平主、副井贯通联络巷（野青层位）掘进揭露一条落差7m断层发生突水，突水量34000m3/h，水温41℃，导致副井筒被淹；（2）2001年3月10日北翼总回风巷掘进大煤顶板砂岩裂隙突水，突水量130m3/h，水温44℃，掘进工作面被淹，随后停头实施井下物探和钻探证实工作面前方为一导水的陷落柱；（3）2002年6月7日182102工作面回采期间底板垂向裂隙突水，突水量450m3/h，水温42℃，导致工作面被淹；（4）2002年11月9日182106运输巷掘进发现底板有少量出水，出水量约1m3/h，水温为44.9℃，随后停头实施井下物探和钻探证实工作面前方为一导水的陷落柱；（5）2003年12月5日和2004年1月6日182201工作面回采期间底板揭露一组落差1.5～3.0m的小断层突水，总涌水量达120m3/h，水温43℃。

根据《矿井地质报告》《矿井水文地质类型划分报告》，梧桐庄矿矿井水文地质类型属于极复杂型。

3 突水经过及对有关情况的分析

梧桐庄矿本次出水的182306工作面位于井田三采区右翼，工作面标高为-433.2～-608.8m，走向长度1508m，倾向长度110～142m，平均132m。煤层平均厚度3.14m，可采储量85.9万吨，工作面出水前已推进870m。

2014年7月25日早班，工作面77#支架后尾梁处出水，水量55m3/h，水温31℃。截止到14∶00工作面涌水量无明显变化。21∶50工作面涌水量增至70m3/h，7月26日凌晨00∶42涌水量增大至100m3/h，凌晨2∶30突然增大达到200m3/h，11∶27水量达600m3/h。7月26日下午3∶20，涌水量突增，瞬间进入一采区泵房，涌水量已超出一采区泵房的排水能力1000m3/h。7月27日早4∶53，工作面突水进入井底大巷，估测涌水量超过10000m3/h。4∶56中央泵房水泵开始启动，8∶40在大巷估测涌水量11250m?/h，11∶00中央泵房进水，11∶18撤出井下开泵人员，停止卧泵排水，11∶35人员全部升井。

经调查和查阅以往技术资料分析，这是一起由奥灰水从煤层底板涌出的突水事故。事故发生的直接原因是：该矿182306工作面遇煤层下方隐伏陷落柱，在承压水和采动应力作用下，诱发该工作面底板小断层活化导水，承压水突破有限隔水带形成集中过水通道，导致奥陶系灰岩水从煤层底板突出。证据如下：

3.1 突水水源

根据突水后矿井本矿井田内奥灰观测孔O2孔水位降深达294.6m，相邻的九龙矿水位下降达11m。据此认定本次矿井突水水源为煤层底板奥陶系灰岩岩溶裂隙水。

3.2 突水量分析

根据突水后淹没巷道的体积观测数据估算，本次突水的峰值突水量达11624m3/h。根据对我国煤矿底板突水事故案例分析，只有岩溶陷落柱构造才有产生如此巨大瞬间峰值突水的可能。

4 矿井堵水工程设计

4.1 设计制定的客观条件和治理的基本思路

根据182306工作面出水最初井下调查情况：工作面最初总出水量55m3/h，有三处出水，分别为工作面切眼77号支架尾梁处向外涌水，水量30m3/h，水温28.8℃，水质浑浊；工作面回风巷切眼上头向外15m下帮小硐迎头底板，水量15m3/h，水温28.8℃，水质浑浊；工作面运输巷切眼向外25m处底板，水量10m3/h，水温32.1℃，水质清水。

工作面77号支架正下方为182306工作面泄水巷，巷道沿煤掘进，受工作面内落差H=3m小断层影响，工作面在77号支架处位于开采煤层顶板，因此分析工作面出水突破口可能在77号支架正下方的泄水巷内，突水通道窄小且曲折，这为地面钻孔布置准确性增加了困难。工作面出水后淹井水位上升情况分析预计淹井水位与奥灰水位持平需长约6个月时间，从尽快堵水恢复矿井考虑，注浆堵水必须在动水条件下进行。

在上述注浆堵水的客观条件下，确立了多台钻机施工和大流量灌浆、采用施工定向水平孔找突水通道，查堵结合与钻孔水位水文地质分析的基本治水思路。

4.2 治水方案主要技术难点

堵水初期地面布置注浆钻孔4孔，地面位置位于谷驼新村南650m处，井下落点位置为182306工作面77号支架突水点周围南北两侧，距77号支架突水点40m布置，编号为注1～注4，各孔终孔层位为进入奥灰40～100m位置，预计孔深910～980m。根据4孔施工揭露的水文资料分析陷落柱范围。主孔结束后，在主孔大煤底板下15m处定向钻进分支出1～3个分支孔，在9号煤位置进入疑似陷落柱范围内查找奥灰含水层突水导水通道。

治水方案的主要技术难点是查找奥灰含水层突水的导水通道，为解决这一技术难点，设计采取如下两种技术措施：（1）在突水点相应地面位置南侧200m施工在奥灰或大青层位水平定向钻进钻孔，编号注5孔，该孔在距突水点水平位置约100m处进入奥灰层位，由此间隔15m平行分出若干顺层水平钻孔，主孔设计深850m，各分支孔200m，呈扫帚状查找突水点附近奥灰含水层导水通道；（2）引进于石油钻探的水平射流技术，在地面施工的注3孔内山青煤以下至小青煤以上层位间隔一定角度施工不同方向的水平射流孔，單孔孔深设计100m，呈辐射状查找注3孔周围100m范围内的奥灰含水层导水通道。

4.3 设计工程量和预计工期

根据上述梧桐庄矿堵治水方案，设计治水工程的工程量如下：

4.3.1 钻探工程。（1）地面注浆孔及分支孔：设计主孔4孔，单孔深980m，分支孔12孔，单孔深200m，总计工程量6320m；（2）奥灰层位顺层水平定向孔：设计主孔1孔，孔深850m，分支孔6孔，单孔深200m，总计工程量2050m；（3）径向射流孔：设计辐射间隔角度10°，施工孔数15个，单孔深100m，总工程量1500m。

4.3.2 注浆工程。本次注浆堵水预计注浆量100000吨。

4.3.3 预计工期。整个工程预计工期为10个月。

5 工程施工

自从7月27日第一个钻孔开孔，先后共有北京中煤大地技术开发公司、郑煤集团等单位共5台高性能先进钻机施工，至10月9日共施工地面主孔4孔，分支孔8孔，总计完成钻探量7600m。

钻孔注浆施工于8月24日开始，施工单位为中国煤炭科工集团西安研究院，共建设了2个地面注浆站，注浆能力达4000吨/日，钻孔注浆至10月12日结束，共完成注浆量6.8万吨。

梧桐庄矿堵治水工程从2014年7月27日开始至2014年10月1日矿井进行试排水试验证实堵水取得成功，仅用了2个月零4天时间，矿井就进入排水复产阶段，至11月2日，仅用了1个月零1天时间，累计排水310.87万m3，就将矿井采空区水位排降至-469.68m（副井井底-470水平大巷底板标高），至此矿井副井开始运行，矿井进入复产阶段。

6 注浆堵水施工总结

梧桐庄矿堵治水及排水复产创立了我国突水淹井史上矿井注浆堵水最快、排水复产最快记录，为矿井及早复产赢得了时间，最大程度上减少了矿井突水淹井造成的损失，在堵治水过程中突破了多项关键性技术难题，总结如下：

6.1 高性能先进钻探设备和钻探技术

梧桐庄矿堵治水工程在矿井突水点位置不清、突水通道复杂不明且奥灰含水层水位和矿井淹没水位又处于不稳定的动水条件下仅用了2个月零4天时间达到堵治水成功，得益于高性能先进钻探設备和钻探技术在堵治水工程中的应用。

6.1.1 钻探设备。梧桐庄矿堵治水中应用的先进钻探设备有SCHRAMM（R）T200XD型钻机4台和SCHRAMM（R）T130XD型钻机1台。该类型钻机是美国SCHRAMM公司制造的多功能全液压顶驱车载钻机，其中T200型钻机孔径215mm可钻进2800m，钻进开孔段机械钻速可达12.23m/h，全孔平均时效1.97m/h，该钻机钻进效率高，且事故少和成孔质量高，在梧桐庄矿堵治水过程中平均日进72m，最高日进228m，大大缩短了本次堵治水工程的工期。

6.1.2 新型高新技术的应用。（1）顺层水平定向钻进技术的应用：在本次堵治水中，注5孔担负的作用是查找导水通道，该孔施工以目前先进的螺杆钻定向钻进技术为基础，该孔开孔位置在182306工作面突水点南部约200m处，主孔完成后，按设计的钻孔轨迹短时间内在182306工作面突水点附近大青灰岩和奥灰含水层中完成了注5-1、注5-2、注5-3、注5-5、注5-6共5个定向水平平行钻孔，在堵水工程施工中发挥了指导作用，该方法可用于在大的范围内对奥灰含水层进行治理；（2）径向射流钻进技术的应用：在本次堵治水中，注3孔主孔完成后，为尽快找出空突水点附近导水通道，在注3孔内施工了若干个径向射流钻孔。按设计径向钻孔共15孔。方向在57°～357°之间、167°～237°之间布孔，单孔间隔10°。施工中按设计的钻孔轨迹短时间内在注3孔周围完成了18个径向射流钻孔，在堵水工程施工中发挥了指导作用，该方法可用于在确定的范围内对奥灰含水层导水通道的查找和注浆治理。

6.2 动水条件大流量灌浆与水文分析结合

静水条件是矿井堵治水的理想条件，梧桐庄矿在182306工作面底板突水峰值过后，随着矿井淹没水位的不断上升，突水量趋于减小，但达到静水条件预计需长达6个月或更长时间，为早日实现矿井恢复生产，必须在动水条件下注浆堵水。

动水注浆堵水的不利因素是通过钻孔注入的浆液随动水通过突水点流出，浆液无法在奥灰含水层和突水通道内存留，就无法实现封堵矿井突水的目标，为减小这一不利因素，在本次堵治水过程中采取了大流量灌注和间歇性灌注注浆技术，在地面建设了2个注浆站，注浆站配备TBW-850/5A、3NBB390-52/10-7-55及3NBB260-35/10-7-45泥浆泵，注浆能力达4000吨/日，在堵治水过程中注浆前期采取添加骨料连续注浆方式，后期采取添加早强剂间歇注浆方式，水灰比掌握为1∶1，最大日注浆量达3476.5吨/日，钻孔注浆至10月12日结束，共完成注浆量6.8万吨。

动水条件下，由于奥灰含水层水位处于不平衡状态，有利于在钻探和注浆施工期间分析突水通道位置，在本次堵治水过程中，由于注5孔的顺层定向水平钻进和注3孔径向射流钻进都未能很好地发挥作用，而通过加强了对各钻孔每0.5～1小时的水位变化密切观测，分析比较不同钻孔奥灰含水层水位数据及各钻孔在注浆期间受注浆干扰水位变化指导堵治水工程施工，施工向奥灰含水层水位较低且对注浆干扰水位变化灵敏方向调整，不断接近矿井突水通道位置，这一方法对本次堵治水快速成功起到了很关键作用，保证了堵治水工程以最快速度达到封堵突水通道的目标。

根据2014年8月24日至8月26日西风井观测孔、注3孔、注2-2孔等孔奥灰含水层水位分析比较，分析导水通道应在靠近注2-2孔和工作面停采线采空区一侧50m范围内，据此，确定施工注9、注10、注11孔，9月5日，注10孔在钻进至768m时发生漏水，且钻进速度较快，根据钻孔施工过程中钻孔液漏失量、岩芯破碎程度等现象判断，注10孔揭露到奥灰岩溶陷落柱，参考注9、注11、注5-5、注5-6、注5-3孔的控制情况，最终确定了陷落柱在奥灰顶界面处范围约为长轴19m、短轴7m左右。并通过注10、注9、注11等孔注浆施工，至2014年9月30日最终完成了导水通道的封堵。

6.3 大流量潜水泵排水系统的应用

梧桐庄矿建有两套排水系统，即中央排水系统和潜水泵房强排系统，矿井-470水平中央排水系统安装有7台MDF450-90×8排水泵，有内、外2个水仓，由3趟D426无缝钢管直排地面；潜水泵井安装有12台6825×15型潜水泵，潜水泵泵井与中央泵房水仓连通，由6趟D426无缝钢管直排地面。

矿井堵治水成功后，潜水泵房强排系统在矿井排水复产中起到了关键作用，从2014年10月1日至11月2日，仅用了1个月零1天时间，潜水泵排水系统就累计排水310.87万m3，就将矿井采空区水位排降至-469.68m（副井井底-470水平大巷底板标高），大大提前了矿井恢复生产的时间。

6.4 注浆质量的检测、检验

钻孔注浆情况及串浆情况：注浆工程临近结束，各注浆钻孔相继起压或串浆，显示各钻孔注浆量达到饱和，182306工作面底板突水导水通道已封堵。

排水试验：2014年10月1日，矿井启动了试排水试验，矿井淹没水位持续下降，奥灰含水层水位保持稳定，说明堵水效果良好，堵水取得了圆满成功。

井下涌水量观测：矿井-470水平大巷恢复后，经观测总涌水量为7吨/分，考虑-470水平以上采空区部分积水滞后流出后，与突水淹井前涌水量基本一致。

7 结语

矿井突水不仅对煤矿自身产生严重的经济影响，更会造成大范围人员伤亡，因此矿井防治水工程仍然是煤矿安全生产中的重点。在严峻形势时，为了尽快封堵突水源恢复生产，必须有新型的快速堵水技术。梧桐庄矿经历此次突水淹井及快速治理恢复生产的过程中，更进一步验证了这点。同时其产生巨大的社会经济效益，更为类似水文地质件的矿井水害治理和预防提供了可借鉴的宝贵经验和教训。

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作者简介：郭江（1989-），男，山西晋城人，冀中能源峰峰集团梧桐庄矿安全监督管理部副科长，水文地质助理工程师。

（责任编辑：秦逊玉）