區域超前綜合防治水技術應用分析

（山西潞安集團司馬煤業公司 山西 046000）

防治水，一直是煤礦生產中的重要工作，直接影響著生產的安全和效率。據不完全統計，近20年來，我國共發生42起較大以上水害事故，死亡200余人，造成的人身傷亡、財產損失、社會影響都比較巨大。在綜合防治水方面，還缺乏技術體系和管理模式。為此，近年來，國家鼓勵借助高新技術勘察水害分布與治理狀況。河北南部的邯邢礦區在區域超前綜合防治水方面取得了較好效果，值得推廣應用。

1.大采深和下組煤開采礦井的常見水害

大采深礦井，通常深度可達上千米，承受奧灰水壓達10MPa左右，個別較高區域可達12MPa，因此，奧灰高承壓水威脅是常見水害的源頭。此外，在礦井深部通常隱伏著一些導水或含水的裂隙帶、陷落柱、小斷層等構造，這些構造通常直徑小、發育層位較低，以垂向點狀的形態存在，提前探明的難度較大。一旦揭開，往往會導致突水災害的發生，并直接影響周邊地下水環境。據統計，在河北某礦區近10年來發生的8起奧灰水突水事故當中，含水陷落柱突水造成3起，裂隙帶出水造成2起。

在下組煤開采生產規模不斷擴大的同時，采深也要增加，突水系數逐步接近防治水規定的上限，直接影響著安全生產。特別是在高承壓水頭條件下的下組煤開采，裂隙帶等小型的地質構造，往往也能形成垂直的導水通道，進而產生水害。在過去的防治水工作中，通常側重于煤層底板的隔水層，并沒有深入到奧灰含水層，因此難以滿足規模化下組煤的開采工作需要。

在水害隱患較大的大采深和下組煤開采礦井中，實施井下鉆探是非常重要的環節，特別是在大采深的高承壓水條件下，還涉及到固定鉆機、卡緊鉆桿、暢通施工后等安全問題，以及鉆孔周邊的固結性問題，都需要提前控制，避免突水事故產生后的危害。

2.礦山防治水未來發展方向及存在問題

水資源是基礎性的自然資源，同樣也是戰略性的經濟資源，是維持社會正常發展，促進經濟增長和保障生態平衡的基礎性資源。因此礦山想要提升自身的治水技術和治水能力，一方面需要徹底解決礦山水害問題，同時保障礦山發展和環境保護相協調，走一條節能減排可持續發展的治水新路子。這要求礦山革新原有的治水技術，將治水過程中存在的局限性問題一一解除并轉變傳統的單維度研究水害安全的問題解決方式，轉變為以保障安全為基礎，追求治水合理性和協調性的多維研究新方向，將礦坑內的地下水作為一種可利用的自然資源，推動礦山發展逐漸轉變為環境友好型和綠色保護型發展目標。然而基于現有的研究過程，可發現仍存在部分尚未完全解決的問題，集中表現在：

（1）基于災害鏈的礦山水害研究結果并不非常明確，引發礦山水害的災害鏈之間的能量傳遞規律以及水流的動力流動過程尚未明確，解決礦山水害最關鍵同樣也是最基礎的環節，仍然沒有徹底解決；其次，科技發展的紅利在多個領域都進行了深刻的改革和應用，并取得了非常好的效果，然而這些科技發展的結果與礦山開采與治理過程的結合性并不強，尤其是在礦山水害防治方面還存在大量的問題。

（2）采動與地下水滲流場的耦合效應研究是在一定的基本假設前提下進行的，難以適應復雜的水文地質邊界條件、準確描述巖石介質的力學行為和逼真地反映滲透系數在巖石破裂過程的行跡特征等，因此還存在大量問題亟待解決與科學試驗。

3.區域超前防治水技術路線

(1)指導原則

針對大采深和下組煤開采面臨的高承壓奧灰水問題，急需轉變水害防治工作思路，從安全生產和區域連接的方面考慮，實施區域超前綜合防治水的指導原則。

區域超前治理，將過去局部性的一面一治理，擴展為以采區及采區以上區域為單元的治理，或者按照地質構造中水文地質條件相對獨立的特點來劃分區域；將其他煤礦的帷幕注漿，修改為煤層底板巖層；其注漿治理環節超前進行，在工作面掘進和回采前落實，以促進“不掘突水頭、不采突水面”目標的落實。

(2)治理工序

在大采深高承壓的奧灰水地質條件下，為完成區域超前綜合防治水工作，將相關作業項目的防治水工序進行調整修改，如表1所示。

表1 區域超前治理防治水工序

在工作面回采前治理工序中，采前評價，是指在全面治理回采工作面后，使用物探方法對治理前后的效果進行勘探對比，經專家綜合性安全評價通過后，方可進行回采。

(3)治理模式

依據上述水害治理原則，按照突水系數的高低可建立起3種模式，分別是：

當突水系數小于0.06MPa/m時，查找封堵垂直出水通道為主；當突水系數介于0.06-0.09MPa/m時，需要將煤層底板進行全面注漿改造；當突水系數介于0.09-0.10MPa/m時，需要采取區域超前綜合防治水技術，將奧灰巖層改造為相對獨立的隔水層。

(4)治理目標

治理過程中，要建立起礦井“水害治理達標煤量”的概念，原則上不能小于回采煤量。當礦井開采上組煤時，需要全面改造煤層底板，開采下組煤時，需要對奧灰巖層全面注漿，全面封堵底板范圍內的所有裂隙等導水構造，以提升礦井抗水害能力。

4.井下區域超前綜合防治水方式

(1)定向鉆進以采區為單元進行區域超前治理

由于大采深礦井在開采煤層時，會遇到煤層底板受到較高水壓、隱含裂隙帶等導水構造的情況，需要采取井上與井下相結合的方式，以采區為單位，通過定向鉆進的技術，實施區域超前綜合防治。

定向鉆進技術，是在礦井底部實施鉆探的一項新型技術，將水平鉆孔、分支鉆孔、隨鉆同步測量等技術于一體，確定方向后水平推進鉆孔。在鉆孔時，采用帶彎接頭的螺桿鉆具技術，鉆桿不回轉，通過高壓水驅動的螺桿馬達來帶動鉆頭回轉，使用有線隨鉆同步測量技術對鉆孔軌跡進行實時同步監測，并可通過調節工具來實現對鉆孔軌跡的控制，使鉆孔直達巖層核心。定向鉆進技術，不僅具有實時同步調控鉆孔軌跡的優勢，沿既定方向直達巖層內部；又可通過分支鉆孔的方式增加有效進尺，以增加有效注漿孔段；還具有擴大底板注漿面實現加固底板的特點，最終實現煤層安全開采。

煤礦井下定向水平鉆進技術，通常是在井下巷道底板實施傾斜開孔，隨后鉆孔進入需要注漿改造的含水層后，以水平狀態作延伸鉆孔，使原先在水平層面沒有聯系的斷層、裂隙等垂直導水構造通道連通起來，擴大了鉆孔控制范圍，提高了注漿改造效果，創造了防治水工作的有利條件。

在實施水平定向鉆孔技術時，需要遵循以下幾個原則：

一是要將底板全部注漿改造，不留盲區，避免漏探的現象；二是要盡量優化工程方案，盡量降低工作量；三是結合勘探得到的數據資料，合理設計定向軌道，以便精確控制；四是鉆孔時要均勻布設孔位，避免出現加固底板的盲區；五是依據單孔注漿的擴散范圍來確定各個鉆孔之間的距離，達到兼顧鉆孔數量和效果的目的。

(2)利用已掘工作面對上下工作面區域超前治理

在掘進開始前，將鉆孔區域確定為條帶狀，進行超前治理。特別是在大采深、高承壓的條件下，對下組煤底板進行定向鉆探的目的是為了探測到巷道前方的裂隙帶等含水構造，同時實施注漿治理鉆孔。通常來講，需要實施多組鉆孔，每組布置3個鉆孔，掘進正前方1個鉆孔、側前方2個鉆孔。在實施鉆孔時，需要超前掩護煤層安全掘進，并設置20m-30m的注漿范圍，同時確定合理的鉆孔距離和底板加固深度，將所有潛在的出水通道封堵起來，最終達到“不掘突水頭”的目的。

超前注漿的防治水模式：依據注漿加固的范圍確定超前鉆孔的間距，確定煤層底板的加固深度。在采掘前，對煤層底板進行鉆孔注漿加固，可以掩護煤層巷道，同時對巷道前方、側前方一定范圍內的煤層底板進行注漿加固，最終實現“不掘突水頭、不采突水面”的效果。

利用已掘工作面對上下工作面區域超前治理的評價：煤層底板超前加鉆探、注漿加固鉆孔、異常區域驗證性鉆孔的出水量，均須小于10m3/h，否則需要補充檢查鉆孔后再繼續進行注漿加固。

5.結語

當煤礦開采進入大井深的復雜地質環境后，水害防治工作的難度不斷增加，使用常規的防治水措施已經難以滿足要求。因此，使用區域超前綜合防治水技術，可以有效避免事故發生，同時提高采煤工作效率。區域超前防治水技術，在掘進開采前進行，可以提前探明煤層底板中含水通道的構造。一次施工，可以解決大范圍內多個工作面的突水隱患問題，綜合效益較為明顯。