薄灰奥灰双重水害防治技术研究

◎ 邯郸市孙庄采矿有限公司 贺文涛 申伟

位于邯邢水文地质单元的南单元峰峰矿区，水文地质条件复杂，奥灰补给面积大，富水性强且极不均一，煤层底板隔水层承受奥灰水压高，是开采深部煤层的主要威胁。尤其是对位于强径流区煤炭资源的开发，目前探测技术和常规的矿井防治水技术与手段难以完全满足矿井安全生产需要，矿井防治水形势严峻。因此，在如此复杂的地质环境下，探索可以避免煤层灾害性奥灰突水的综合治理技术是实现矿井防治水技术的一次提升和创新。

一、研究意义和研究现状

位于邯邢水文地质单元的南单元峰峰矿区地质条件复杂，构造发育隐蔽性强，目前探测技术难以完全满足矿井安全生产需要，是河北省境内乃至全国矿井防治水形势最严峻的矿区。仅近20 年来，曾多次发生奥灰特大突水灾害。

随着开采深度的加大，一方面煤层底板隔水层厚度明显减小，煤层底板发生奥灰突水的风险加大；另一方面，煤层底板承受奥灰水压、矿压和煤层底板破坏深度明显增大，而煤层底板隔水层抗水能力明显降低，底板导水构造甚至采动裂隙成为诱发底板突水的通道，奥陶系灰岩含水层成为安全生产的巨大威胁。伴随着开采深度的增大以及开采浅部下组煤，开采环境也发生了相应的变化，矿井安全生产形式趋于严峻。主要表现在以下几个方面：第一经过多期的勘探，浅部勘探程度明显高于深部，浅部地质、水文地质条件基本查清；第二受勘探程度以及相关种种影响因素的制约，浅部勘探结果可靠度明显高于深部，深部某些地质构造没有得到有效控制；第三受勘探程度、勘探结果可靠性和地质、水文地质条件变化的不确定性等因素的制约，深部地质、水文地质条件与浅部相比具有明显差异性，需要投入相当数量的补充勘探和试验工作；第四深部煤层底板隔水层承受奥灰水压和矿压明显高于浅部；第五深部煤层开采煤层底板扰动破坏深度明显大于浅部煤层开采，与此相对应煤层底板有效隔水层的厚度却明显小于浅部煤层开采；第六水害类型发生了明显的变化，开采浅部煤层主要水害类型以地表水、老空水和老窑水（小煤矿开采和历史上小煤窑开采形成）为主，大气降水对开采影响明显且不具滞后性。开采深部煤层主要水害类型以底板水岩溶水为主，大气降水对开采影响具有一定的滞后性。开采深部或开采浅部下组煤与开采浅部上组煤存在的上述差异，致使煤层底板岩溶水害成为现状条件下必须认真对待的现实问题。

大量突水案例和煤层底板突水机理表明，煤层底板突水绝大部分由构造引起，尤其是灾害性突水均由导水构造引起。因此，避免煤层底板灾害性突水事故的核心科学问题是查明煤层底板的垂向导水构造分布情况，并采取注浆加固措施对其进行加固，以阻断煤层与下伏奥灰强含水层的垂向水力联系。煤层底板隔水层的抗水性能是降低煤层底板灾害性突水风险的基础。12661 工作面试采工作前期进行的井下治理工程实践表明，位于强径流区水文地质条件复杂区域的开采深部山青煤底板大青含水层裂隙发育各向异性特征更加突出，不存在理论意义的扩散半径。单纯利用井下对大青灰岩含水层注浆改造，无法实现对所谓扩散半径范围内实现对目标层岩体的注浆改造，更不可能实现对煤层底板构造的精细探查与治理。必须结合现场的实际情况，探索适用于上述条件的新技术、新手段。

利用水平定向钻进技术对煤层底板进行综合治理技术，不仅可以实现对治理区域空间范围内的全覆盖，最关键的是通过水平定向钻孔的轨迹控制实现准确定向，保证分支孔沿目标层进行钻进，从而实现对底板构造的精细探查与治理以及对非均质各向异性体的加固改造。水平定向钻进技术已在峰峰集团羊东矿、九龙矿、辛安矿多个矿井开采2#煤（煤层底板与奥灰含水层间距120 米左右）中得到了成功应用，取得巨大的经济效益和社会效益。但与上述矿井具有本质区别的孙庄矿要解决的是与煤层底板奥灰含水层间距仅为70 米～103 米的山青煤水害综合治理问题。

二、山青煤综合治理成套技术研究

以山青煤层底板突水机理分析为切入点，结合邯郸市孙庄采矿有限公司（以下简称孙庄矿）地质环境，通过系统分析强径流区典型山青工作面水害综合治理现场施工资料，探索强径流区山青煤水害综合治理成套技术。利用定向分支钻孔对导水构造和目的层进行注浆加固，达到减低奥灰灾害性突水的风险，为实现安全生产奠定基础。凝练了以“定”“探”“判”“注”“验”相结合的山青煤综合治理成套技术。

（一）定：确定综合治理方案

确定综合治理方案，主要包括确定目标层、布孔方案（水平定向钻孔方向、间距、数量、施工顺序）、注浆堵水技术与工艺（钻孔结构、材料选择、注浆参数等）。综合治理方案关系到治理效果，应结合具体问题具体分析。治理目标层有两个选项，大青灰岩或者是奥灰含水层顶部，应依据现场具体情况进行确定。如果以垂向导水构造探查为核心，且采动不会波及到治理目标层，宜选择大青灰岩含水层作为职位目标层；如果以含水层改造为核心，采动可能会波及到治理目标层（大采深矿井），宜选择奥灰含水层作为目标层。布孔方案关系到治理效果和投资，水平定向分支孔越密治理效果越好，但投资量也会越大。一般依据治理区域的地质环境确定合理的间距。注浆堵水技术和工艺是堵水工程具体实施的环节，应以基本的水文地质资料为基础，同时结合必要现场压水试验、室内实验，以确定所需要的参数（如水灰比、浆液密度、注浆压力。注浆结束标准等）。通常选择采用单液水泥浆或水泥+粉煤灰（泥土）浆液进行下行式单孔分段连续注浆技术与工艺，双孔注浆、间歇注浆、连续注浆等联合注浆技术与工艺。起始浆液密度选择1.10g/m3，依据现场具体情况进行调整，以避免浆液大量流失。根据实际情况，整个综合治理方案应分阶段按步骤有条不紊地进行，各阶段针对具体问题进行施工，环环相扣，层层加固，最终达到良好的治理效果。钻孔布置主要依据突水区域大小、地层结构、堵水环境等确定。

（二）探：探查导水构造

利用水平定向钻进技术对治理区域实现全覆盖垂向导水构造和大青灰岩完整性水平定向钻做测精细探查技术。垂向导水构造水平定向钻做测精细探查的目的是探明煤层底板垂向导水构造的空间分布形态、规模，为底板发生灾害性突水事故的风险评价提供依据。大青灰岩完整性的水平定向钻做测精细探查就是查明大青灰岩含水层的裂隙连通性、张开性及发育区域，以确定大青灰岩含水层的完整性。

（三）判：判段钻进层位

判定垂向导水构造发育部位、空间形态和规模大小以及大青灰岩裂隙发育部位、连通性等特征。水平定向钻孔的轨迹控制实现准确定向，保证分支孔沿目标层进行钻进，一旦岩性发生变化表明此部位存在构造，岩性（利用岩粉）判别是垂向构造存在的最有效指标，随钻测斜和轨迹控制是关键。结合煤层底板岩性组合特征钻孔揭露情况可以判定其规模和空间形态。通过循环液漏失量、注浆量可以判定构造裂隙发育程度及导水性。若岩性无变化，则可以利用循环液漏失量、注浆量对大青灰岩含水层裂隙发育情况、连通性和张开性进行直接判定。随钻测定的自然伽马则为裂隙发育程度的间接判别指标，一般灰岩中泥质含量越高，自然伽马值越大，反之越小。灰岩越纯岩溶裂隙越发育，伽马值越小，通常小于20。

（四）注：注浆加固与改造

通过钻孔注浆，对导水构造和裂隙实施有效封堵，以达到岩体加固与改造的目的。一般依据制定的综合治理方案、施工顺序，并按确定的注浆参数、工艺，逐孔逐段（依据循环液漏失量、压水试验等确定注浆孔段）进行注浆加固与改造。为减少水泥的消耗，可以选择粉煤灰、粘土等作为辅助材料，辅助材料参入量应依据室内实验或工程经验确定，以保障注浆加固或构造效果为前提。

（五）验：验证综合治理效果

对综合治理效果进行检验，主要对治理目标层的改造效果进行检验。一般采用进行施工检查孔的方式进行检验，这个要包括单孔出水量、岩性裂隙充填效果、水位（或水压）等指标。检查孔数量与位置由现场具体施工条件决定，最薄弱的部位应施工一定数量的检查孔。依据各分支钻孔的井田情况和工作面范围内没有发现规模较大的垂向导水构造，根据示踪剂投放后的情况也没有发现大青与奥灰存在明显水力联系的部位。施工的水平分支中，共发生了24 次漏失，尤其揭露断层时漏失量变大，甚至出现不返浆现象，说明大青灰岩含水层主要导水通道以断层为主，且与上下含水层之间存在垂向或侧向补给；岩溶裂隙发育次之。此外孙庄矿在井下施工了60 个验证孔，单孔涌水量均小于10m3/h。验证孔从揭露大青灰岩中的裂隙大多被水泥充填。上述结果表明，12661 综合治理达到了预期效果。

三、山青煤综合治理成套技术研究应用前景

该成果以煤层底板导水构造精细探查为核心，凝练了“定”“探”“判”“注”“验”相结合的山青煤水害综合治理成套技术，实施了强径流区孙庄矿12661 工作面综合治理工程，实现了山青煤底板导水构造、裂隙的精细探查及暗构造含水层的注浆改造和效果检验，实施效果较好，达到了预期目的，开创了将水平定向钻进技术应用到强径流区山青煤层底板水害综合治理的先例。

该技术的成功运用，不仅可以缓解孙庄矿生产接替紧张的被动局面，对进一步解放剩余的深部山青煤资源，延长衰老矿井服务年限来说具有十分重要的实际意义，同时对类似水文地质条件下的矿井煤层底板水害防治提供借鉴经验。