区域超前综合防治水技术应用分析

（山西潞安集团司马煤业公司 山西 046000）

防治水，一直是煤矿生产中的重要工作，直接影响着生产的安全和效率。据不完全统计，近20年来，我国共发生42起较大以上水害事故，死亡200余人，造成的人身伤亡、财产损失、社会影响都比较巨大。在综合防治水方面，还缺乏技术体系和管理模式。为此，近年来，国家鼓励借助高新技术勘察水害分布与治理状况。河北南部的邯邢矿区在区域超前综合防治水方面取得了较好效果，值得推广应用。

1.大采深和下组煤开采矿井的常见水害

大采深矿井，通常深度可达上千米，承受奥灰水压达10MPa左右，个别较高区域可达12MPa，因此，奥灰高承压水威胁是常见水害的源头。此外，在矿井深部通常隐伏着一些导水或含水的裂隙带、陷落柱、小断层等构造，这些构造通常直径小、发育层位较低，以垂向点状的形态存在，提前探明的难度较大。一旦揭开，往往会导致突水灾害的发生，并直接影响周边地下水环境。据统计，在河北某矿区近10年来发生的8起奥灰水突水事故当中，含水陷落柱突水造成3起，裂隙带出水造成2起。

在下组煤开采生产规模不断扩大的同时，采深也要增加，突水系数逐步接近防治水规定的上限，直接影响着安全生产。特别是在高承压水头条件下的下组煤开采，裂隙带等小型的地质构造，往往也能形成垂直的导水通道，进而产生水害。在过去的防治水工作中，通常侧重于煤层底板的隔水层，并没有深入到奥灰含水层，因此难以满足规模化下组煤的开采工作需要。

在水害隐患较大的大采深和下组煤开采矿井中，实施井下钻探是非常重要的环节，特别是在大采深的高承压水条件下，还涉及到固定钻机、卡紧钻杆、畅通施工后等安全问题，以及钻孔周边的固结性问题，都需要提前控制，避免突水事故产生后的危害。

2.矿山防治水未来发展方向及存在问题

水资源是基础性的自然资源，同样也是战略性的经济资源，是维持社会正常发展，促进经济增长和保障生态平衡的基础性资源。因此矿山想要提升自身的治水技术和治水能力，一方面需要彻底解决矿山水害问题，同时保障矿山发展和环境保护相协调，走一条节能减排可持续发展的治水新路子。这要求矿山革新原有的治水技术，将治水过程中存在的局限性问题一一解除并转变传统的单维度研究水害安全的问题解决方式，转变为以保障安全为基础，追求治水合理性和协调性的多维研究新方向，将矿坑内的地下水作为一种可利用的自然资源，推动矿山发展逐渐转变为环境友好型和绿色保护型发展目标。然而基于现有的研究过程，可发现仍存在部分尚未完全解决的问题，集中表现在：

（1）基于灾害链的矿山水害研究结果并不非常明确，引发矿山水害的灾害链之间的能量传递规律以及水流的动力流动过程尚未明确，解决矿山水害最关键同样也是最基础的环节，仍然没有彻底解决；其次，科技发展的红利在多个领域都进行了深刻的改革和应用，并取得了非常好的效果，然而这些科技发展的结果与矿山开采与治理过程的结合性并不强，尤其是在矿山水害防治方面还存在大量的问题。

（2）采动与地下水渗流场的耦合效应研究是在一定的基本假设前提下进行的，难以适应复杂的水文地质边界条件、准确描述岩石介质的力学行为和逼真地反映渗透系数在岩石破裂过程的行迹特征等，因此还存在大量问题亟待解决与科学试验。

3.区域超前防治水技术路线

(1)指导原则

针对大采深和下组煤开采面临的高承压奥灰水问题，急需转变水害防治工作思路，从安全生产和区域连接的方面考虑，实施区域超前综合防治水的指导原则。

区域超前治理，将过去局部性的一面一治理，扩展为以采区及采区以上区域为单元的治理，或者按照地质构造中水文地质条件相对独立的特点来划分区域；将其他煤矿的帷幕注浆，修改为煤层底板岩层；其注浆治理环节超前进行，在工作面掘进和回采前落实，以促进“不掘突水头、不采突水面”目标的落实。

(2)治理工序

在大采深高承压的奥灰水地质条件下，为完成区域超前综合防治水工作，将相关作业项目的防治水工序进行调整修改，如表1所示。

表1 区域超前治理防治水工序

在工作面回采前治理工序中，采前评价，是指在全面治理回采工作面后，使用物探方法对治理前后的效果进行勘探对比，经专家综合性安全评价通过后，方可进行回采。

(3)治理模式

依据上述水害治理原则，按照突水系数的高低可建立起3种模式，分别是：

当突水系数小于0.06MPa/m时，查找封堵垂直出水通道为主；当突水系数介于0.06-0.09MPa/m时，需要将煤层底板进行全面注浆改造；当突水系数介于0.09-0.10MPa/m时，需要采取区域超前综合防治水技术，将奥灰岩层改造为相对独立的隔水层。

(4)治理目标

治理过程中，要建立起矿井“水害治理达标煤量”的概念，原则上不能小于回采煤量。当矿井开采上组煤时，需要全面改造煤层底板，开采下组煤时，需要对奥灰岩层全面注浆，全面封堵底板范围内的所有裂隙等导水构造，以提升矿井抗水害能力。

4.井下区域超前综合防治水方式

(1)定向钻进以采区为单元进行区域超前治理

由于大采深矿井在开采煤层时，会遇到煤层底板受到较高水压、隐含裂隙带等导水构造的情况，需要采取井上与井下相结合的方式，以采区为单位，通过定向钻进的技术，实施区域超前综合防治。

定向钻进技术，是在矿井底部实施钻探的一项新型技术，将水平钻孔、分支钻孔、随钻同步测量等技术于一体，确定方向后水平推进钻孔。在钻孔时，采用带弯接头的螺杆钻具技术，钻杆不回转，通过高压水驱动的螺杆马达来带动钻头回转，使用有线随钻同步测量技术对钻孔轨迹进行实时同步监测，并可通过调节工具来实现对钻孔轨迹的控制，使钻孔直达岩层核心。定向钻进技术，不仅具有实时同步调控钻孔轨迹的优势，沿既定方向直达岩层内部；又可通过分支钻孔的方式增加有效进尺，以增加有效注浆孔段；还具有扩大底板注浆面实现加固底板的特点，最终实现煤层安全开采。

煤矿井下定向水平钻进技术，通常是在井下巷道底板实施倾斜开孔，随后钻孔进入需要注浆改造的含水层后，以水平状态作延伸钻孔，使原先在水平层面没有联系的断层、裂隙等垂直导水构造通道连通起来，扩大了钻孔控制范围，提高了注浆改造效果，创造了防治水工作的有利条件。

在实施水平定向钻孔技术时，需要遵循以下几个原则：

一是要将底板全部注浆改造，不留盲区，避免漏探的现象；二是要尽量优化工程方案，尽量降低工作量；三是结合勘探得到的数据资料，合理设计定向轨道，以便精确控制；四是钻孔时要均匀布设孔位，避免出现加固底板的盲区；五是依据单孔注浆的扩散范围来确定各个钻孔之间的距离，达到兼顾钻孔数量和效果的目的。

(2)利用已掘工作面对上下工作面区域超前治理

在掘进开始前，将钻孔区域确定为条带状，进行超前治理。特别是在大采深、高承压的条件下，对下组煤底板进行定向钻探的目的是为了探测到巷道前方的裂隙带等含水构造，同时实施注浆治理钻孔。通常来讲，需要实施多组钻孔，每组布置3个钻孔，掘进正前方1个钻孔、侧前方2个钻孔。在实施钻孔时，需要超前掩护煤层安全掘进，并设置20m-30m的注浆范围，同时确定合理的钻孔距离和底板加固深度，将所有潜在的出水通道封堵起来，最终达到“不掘突水头”的目的。

超前注浆的防治水模式：依据注浆加固的范围确定超前钻孔的间距，确定煤层底板的加固深度。在采掘前，对煤层底板进行钻孔注浆加固，可以掩护煤层巷道，同时对巷道前方、侧前方一定范围内的煤层底板进行注浆加固，最终实现“不掘突水头、不采突水面”的效果。

利用已掘工作面对上下工作面区域超前治理的评价：煤层底板超前加钻探、注浆加固钻孔、异常区域验证性钻孔的出水量，均须小于10m3/h，否则需要补充检查钻孔后再继续进行注浆加固。

5.结语

当煤矿开采进入大井深的复杂地质环境后，水害防治工作的难度不断增加，使用常规的防治水措施已经难以满足要求。因此，使用区域超前综合防治水技术，可以有效避免事故发生，同时提高采煤工作效率。区域超前防治水技术，在掘进开采前进行，可以提前探明煤层底板中含水通道的构造。一次施工，可以解决大范围内多个工作面的突水隐患问题，综合效益较为明显。