实施源头探查区域治理 确保水害严重矿井安全生产

文/郝永军

冀中能源峰峰集团作为大水矿区，承受着多种水害的威胁，突水因素多且复杂，尤其是奧灰水害时刻威胁着矿井的安全生产。近年来，随着浅部煤炭资源逐渐枯竭，煤矿开采深度越来越深，煤层底板隔水层底部承受的水压逐渐增大，发生奥灰突水的概率逐渐增加，严重威胁矿井的安全、高效运行。为此，峰峰集团首创地面区域治理技术，在实施过程中构建了一套体系完整的区域水害探查治理精细化管理体系，杜绝了矿井奥灰突水事故的发生，保障了矿井安全生产，取得了良好的经济及社会效益。

一、矿区水文地质条件

峰峰煤田为石炭、二叠系煤田，煤系地层主要为太原组和山西组，地质构造条件及水文地质条件十分复杂。全区煤系地层厚度变化不大，层位较稳定，可采煤层6～7层，可采煤层总厚度13.5m，目前仅开采2、4和浅部6号煤层。依据历史勘探资料和井巷揭露显示，对于当前开采来讲，具有一定影响的含水层有8个，按照埋藏顺序看，其自上而下分别为：下石盒子组砂岩裂隙含水层、山西组砂岩裂隙含水层、野青灰岩裂隙含水层、山青灰岩裂隙含水层、伏青灰岩裂隙含水层、小青灰岩裂隙含水层、大青灰岩裂隙岩溶含水层、中奥陶统灰岩岩溶裂隙含水层。其中煤层基底厚约600m的中奥陶统灰岩岩溶裂隙含水层是影响矿井安全生产的主要威胁含水层，造成7、8、9号煤层和深部6号煤层暂不能开采。

二、实施地面区域治理技术的必要性

峰峰集团实施理念创新、技术创新、管理创新，于2012年在全国范围内首创地面区域治理技术，在实施过程中构建了一套体系完整的区域水害探查治理精细化管理体系。实施地面区域治理技术主要基于以下几个方面原因。

1.峰峰矿区水害严重

峰峰矿区有10个煤矿，煤系基底普遍存在着600m的巨厚灰岩强含水层，再加上矿井采深大（采深大于800m的矿井5个)，承受奥灰水压高，构造发育，曾发生过多起煤层底板奥灰突水事故，水害十分严重。

2.多数陷落柱难以提前探明和采取措施

多数矿井发育有陷落柱；微、小型垂向导含水陷落柱探明难度非常大；多数非含水陷落柱更难以提前探明；近10多年来，峰峰矿区曾发生3起隐伏陷落柱突水事故，峰值突水量400m3/min。

3.断层、导水裂隙、原始导高超前探测难度大

在大采深矿井，煤层开采时，在高矿压、高承压水作用下，断层极易变成导水断层，极易产生导水裂隙，再加上存在奥灰水的原因，这些构造在静态条件下提前难以探明其是否导水。

4.大采深矿井底板破坏深度大

随着采深的增加，相应增大了煤层底板破坏深度，矿井采深小于500m时，破坏深度在10～15m；在采深大于800m时，破坏深度一般大于30m，个别矿井采深1000m以下底板破坏达40m。

5.高承压水条件下井下超前探测存在诸多问题

如钻机的固定问题；高压水喷出钻杆射箭伤人问题；大采深矿井孔口管损坏问题；钻孔难以成孔问题等。

上述突水通道的隐蔽性和难以探知性，就容易造成重大水害事故。基于此，在大采深高承压水开采条件下，迫切需要转变煤矿水害防治理念和治理思路。因此，峰峰集团把煤层气水平钻井技术引入煤矿防治水领域并进行创新，形成了地面区域超前探查治理技术。

三、地面区域治理技术及优势

1.地面区域治理技术措施

为满足矿井深部安全带压开采需要，加大安全开采上限，峰峰集团从区域治理定向钻进技术、钻探装备与钻进工艺、定向钻探孔型组合与控制技术、水平定向钻孔长距离高压注浆关键技术等方面开展了关键技术研究，不断总结经验，首次提出了“超前主动、区域治理、全面改造、带压开采”的矿井防治水指导原则及对策，创新实施地面区域超前探查治理技术。

地面区域超前探查治理是应用定向水平井技术，在地面安装重装定向钻机，向井下打钻，进入奥灰或大青含水层施工长距离水平钻孔，查明断层、陷落柱等导水构造并进行注浆治理，将含水层改造为相对隔水层，增加煤层底板的完整性，封堵导水构造（尤其是常规方法无法探知的小型导水构造），有效提升防治水成效。

2.技术优势

地面区域治理技术优势主要体现在：探查为主向超前改造治理为主转变，实现“以治促查，查治结合”；井下局部治理向地面区域治理转变，采取井上、下多种方法，对采区或更大规模区域进行超前钻探及预注浆改造，改变“一面一治理”的传统模式；通道、薄层灰岩治理向奥灰源头治理转变，随着采深的加大，通道、薄层灰岩治理后仍存在着煤层底板奥灰含水层突水的危险，将薄层灰岩含水层注浆改造技术变更为奥灰含水层顶部改造，可实现源头治理，由治标向治本转变；采前治理向掘前治理转变，使带压开采前期所必要的探查及预注浆改造大大提前，缩短工作面采场的后期注浆改造工期，有利于采区的采掘衔接，实现“先治后建、先治后掘”；措施经验型向工程、监控型转变，由治标到治本，实现开采监控预警；由水害治理为主向治保结合转变，减少疏排量，实现保水开采。

四、实施地面区域治理成果

目前，峰峰集团九龙矿、梧桐庄矿、羊东矿、孙庄采矿公司、新屯矿和牛儿庄采矿公司正在开展此项工作（辛安矿已完成地面区域治理工作）。区域治理工作始终坚持技术创新，把解决施工问题作为导向，对制约施工生产难点和难题作为突破口加以解决，提升钻机能力，优化工程方案设计和施工工序，保证了施工进度，取得了良好的效果。该技术在煤矿防治水领域的应用逐渐成熟，且在堵水、减水等方面得到了成功应用。

1.地面区域治理工作面开采情况

通过该项技术的应用，极大地缓解了深部煤层开采的底板水害威胁问题，为衔接困难矿井和衰老矿井延续提出了很好的解决方案，为集团公司找煤增量提供了技术手段。在技术实施过程中已经探查出多个陷落柱，成功治理后避免了水害事故的发生，实现了集团公司近7年的安全生产。截至2020年底，峰峰集团39个工作面经区域治理安全评价具备回采条件，其中已安全回采28个，正在回采11个；新增防治水治理达标煤量2100余万t，安全采出煤量1600余万t，缓解了矿井衔接紧张的局面，为确保集团公司完成生产任务提供了有力的资源支持和技术安全保障，为峰峰集团深部煤层的安全开采打下了坚实的基础。

2.堵水、减水应用情况

2017年至2020年底，峰峰集团利用该技术对九龙矿15252N工作面3.6m3/min底板出水、牛儿庄采矿公司56603工作面原有5.7m3/min出水、九龙矿15449S工作面2.3m3/min出水进行了封堵，实现大社矿二水平西翼减水5.4m3/min、孙庄采矿公司南翼地区减水6.05m3/min、九龙矿15445N工作面减水0.9m3/min，累计减少矿井无效排水23.95m3/min，一年可节省排水电费2036万元。

3.取得的技术成果

通过实施矿井水害区域治理防治技术，杜绝了深部受奥灰承压水威胁矿井奥灰突水事故的发生，提高了生产安全性，实现了近7年的安全生产，同时缓解了生产衔接紧张，减少了井下生产与超前探测相矛盾的局面，促使矿井采掘平衡。目前矿井水害预防区域治理立体防治技术在峰峰集团所属各矿推行。