薄隔水層條件下深部山青煤開采雙重水害防治研究

賀文濤，申 偉，王 軍

（邯鄲市孫莊采礦有限公司，河北 邯鄲 056200）

1 概 況

我國煤礦開采的水文地質條件復雜，礦井突水類型多，成因機制和防治方法也漸趨復雜化。我國東部礦區的開采深度不斷加大，強富水、高承壓的奧灰、寒灰造成的突水威脅日趨嚴重，有些礦區底板承壓已達10 MPa 以上；河下、湖下、海下、水庫下等大型水體下開采的情況也越來越多；老窯水造成的突水事故也越來越嚴重。

煤礦防治水是一項復雜的系統工程，斷層、褶曲、隱伏導水裂隙帶、陷落柱等地質異常使礦井水文地質條件評價十分困難，采掘活動及其伴生的礦壓作用使該問題更加復雜。礦井突水問題普遍具有空間規模小、時空變化大等特點，僅靠一種或幾種傳統地質手段已無法達到預期勘探的目的。以先進的地質理論為指導，采用現代化的勘探技術手段，采取井上、井下相結合的立體勘查模式，從“宏觀”到“微觀”，從區域到礦區再到采區、工作面，不斷深化探查工作，是防止煤礦水害的趨勢。

本項目對探索我國華北地區受深部大青、奧灰水威脅的薄煤層開采進行了嘗試，積累了薄隔水層水平孔地面注漿施工與管理經驗，其工程設計、工程管理方面的技術參數，安全管理措施等都具有推廣應用價值。

2 防治研究實施方案

2.1 水文地質條件分析

孫莊礦井田在區域水文地質分區上屬太行山東麓邯邢地區南部水文地質單元，位于該單元黑龍洞泉域的西南強徑流帶上。綜合分析大青灰巖、奧陶系灰巖地下水的補給、徑流、排泄及水動力循環規律，孫莊礦山青煤層水害威脅主要是底板的大青灰巖水與奧灰水。區域治理工程實施之前，防治水工作以大青水、奧灰水雙重水害為主。

以《煤礦防治水細則》為依據，以大青灰巖水、奧灰水為突水水源，綜合分析山青煤開采的突水危險性。注漿改造前、后山青煤開采充水條件、突水危險性對比分析，通過工程實施后的井下探放水數據，對比分析注漿前后的充水條件與突水危險性，給出進一步的防治水工作建議。

設計工作面內山青煤層最低開采標高為-200 m，煤層底板距大青灰巖含水層頂面最小距離41.5 m，近3 a 大青含水層最高水位標高+107 m，奧灰含水層最高水位＋130 m。由于大青含水層與奧灰含水層水力聯系較密切，為了增加安全系數，計算山青煤底板隔水層承受的水壓值時，水位取奧灰水位，隔水層厚度取山青煤至大青灰巖頂面的距離。經計算，山青煤底板隔水層承受的水壓值為3.715 MPa，底板突水系數0.09 MPa/m，大于0.06 MPa，不滿足《煤礦防治水規定》安全開采的要求。

2.2 試采區區域治理實施方案

在地面施工定向水平鉆孔，以大青灰巖含水層為目的層，進行區域水文地質條件探查及全面預注漿加固治理，完成查明水文地質條件、改造大青灰巖含水層、封堵奧灰導水通道的基本任務。為井下巷道安全掘進奠定良好基礎后，再在井下巷道掘進中進行物探和施工部分。本次治理范圍南北長約1 200 m，東西寬約360 m，水平面積約432 000 m2。查明治理范圍內有無隱伏導（含） 水構造，封堵導水通道，加固山青煤底板隔水層，將大青含水層改造成弱含水層或相對隔水層，使深部山青煤底板完整性和阻隔水能力進一步提高，為實現安全帶壓開采奠定基礎。

地面水平定向鉆進技術施工技術要求如下。

（1） 層位控制。注漿加固治理目的層選擇大青灰巖含水層，采用自然伽瑪、鉆壓、扭矩、泥漿壓差、渦輪轉速等工程地質參數以及巖粉鑒定等綜合手段判定、控制層位，每10 m 測定1 個軌跡和層位數據點，目標層鉆遇率應大于90%。

（2） 水平孔間距40 m 南北向平行布置，其中北部9 個，南部9 個。對覆蓋范圍內煤層底板大青灰巖含水層進行全面注漿改造加固。鉆孔軌跡是動態的，施工時應根據現場情況適時進行調整，具體施工時應根據調整的鉆孔設計坐標控制鉆孔軌跡，采用無線隨鉆定向鉆井技術進行鉆孔軌跡控制，造斜段鉆孔軌跡與設計軌跡誤差不大于5 m，關鍵落點誤差不大于1.5 m。水平分支孔保證目標層鉆遇率不小于90%，與鉆孔設計軌跡誤差不大于5 m，關鍵落點誤差不大于2.0 m。注漿后掃孔軌跡與原軌跡偏差不大于10 m，但鉆孔間距應符合設計要求。

（3） 注漿參數控制。采用GZ-2000 自動化高速渦流自動配比制漿系統，實現了漿液自動配比、自動計量、數據在線監測，保證正常順利注漿。

（4） 采取“遇漏則注”原則，出現漏失后分析判斷層位，確定漏失原因。施工時要及時觀測鉆井液消耗量，鉆井過程中遇孔內鉆井液消耗量≥5 m3/h 時，應起鉆注漿；當鉆井液消耗量＜5 m3/h時，每鉆進100～150 m 進行一次注漿；特殊層段如構造破碎帶可適當增加注漿次數。注漿前應充分洗孔后進行高壓壓水試驗，根據試驗結果，確定注漿參數。

（5） 做好施工過程中水文地質觀測和判層工作，發現水文異常應及時進行分析。

（6） 注漿過程中如遇裂隙較發育，注漿量大的情況，可采取注骨料或使用粉煤灰等作為輔助注漿材料，或采取專門措施。

3 施工效果

孫莊礦12661 試采工作面深部山青區域治理工程竣工后，對完成的水平分支孔注漿覆蓋范圍內進行了井下驗證工作。根據已完成的井下驗證孔資料分析，與治理前相比，大青含水層涌水量明顯變小，涌水量降至10 m3/h 以下，區內山青煤底板隔水層完整性和阻水能力全面提高，滿足突水系數小于0.1 MPa/m 要求，治理效果良好，符合相關規定要求。

12661 試采工作面深部山青區域治理整體工程完成后，可解放山青煤25.2 萬t，每噸煤增加成本約157.8 元。2018 年礦井噸煤完全成本500 元，預計市場售價為750 元/t，地面區域治理工作完成后可采出原煤25.2 萬t，區域治理后噸煤成本預計為657.8 元，預計可盈利達到2 323.44 萬元。

4 結 語

該工程為首次嘗試解放深部薄煤層、薄隔水層，為深部薄隔水層注漿加固與薄含水層注漿改造的大型工程實踐。項目綜合以往大青灰巖突水防治的成功經驗，在地面水平孔施工的設計參數、施工工藝等進行探索，形成了一套針對大青、奧灰水雙重水害治理的防治水技術路線，總體經濟效益可行，為后續深部山青開采和河北省南部受奧灰水威脅的“下三層”煤開采提供借鑒經驗。