綠色保水采煤在煤礦區(qū)域治理中的應(yīng)用研究

姬朝輝

（北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司，北京 100040）

過(guò)去，我國(guó)煤礦開(kāi)采忽視生態(tài)環(huán)境保護(hù)，造成含水層結(jié)構(gòu)損傷、地下水位下降、河流斷流等問(wèn)題。針對(duì)煤礦區(qū)水環(huán)境問(wèn)題，我國(guó)學(xué)者范立民系統(tǒng)地提出了保水采煤的科學(xué)內(nèi)涵和技術(shù)規(guī)范要點(diǎn)，并構(gòu)建了保水采煤研究的基本框架。保水采煤的科學(xué)內(nèi)涵不僅包括保水采煤的適用條件、研究?jī)?nèi)容、研究方法與關(guān)鍵技術(shù)，還包括基于礦區(qū)水資源保護(hù)目標(biāo)和保護(hù)技術(shù)的采煤工藝[1-2]。本文結(jié)合峰峰礦區(qū)九龍礦15252下塊工作面，簡(jiǎn)述了該工作面保水采煤的過(guò)程及效果評(píng)價(jià)，以期促進(jìn)保水采煤技術(shù)的推廣和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采和區(qū)域治理。

1 保水采煤的適用條件

保水采煤適用于干旱缺水區(qū)，是針對(duì)毛烏素沙漠的富煤區(qū)提出的，對(duì)于我國(guó)西北干旱半干旱地區(qū)的煤礦都適用。對(duì)于東部地區(qū)具有生態(tài)價(jià)值的含水層賦存區(qū)，如邯鄲、邢臺(tái)礦區(qū)，其也具有一定的適應(yīng)性。保水采煤適用于強(qiáng)含水層發(fā)育地區(qū)，如有中、強(qiáng)富水性含水層的煤礦區(qū)，適用于采煤對(duì)含水層有影響的淺埋煤層區(qū)，適用于通過(guò)規(guī)劃或技術(shù)措施可以避免或降低煤對(duì)含水層結(jié)構(gòu)影響的礦區(qū)[3]。保水采煤可緩解煤炭資源開(kāi)采和水資源供需平衡的矛盾，以達(dá)到資源開(kāi)發(fā)和水環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一[4]。

2 煤礦區(qū)域治理的保水采煤案例

峰峰礦區(qū)九龍礦隸屬河北省邯鄲市，位于太行山東麓南段，呈北北東向條帶狀分布。在區(qū)域水文地質(zhì)單元中，九龍礦位于黑龍洞泉域。黑龍洞泉域西部山區(qū)基巖裸露，為奧灰?guī)r溶水的主要補(bǔ)給區(qū)。九龍礦位于紙坊至黑龍洞泉水排泄區(qū)的下游，屬于地下水向深部潛流的滯流區(qū)。

2.1 15252下塊工作面概況

15252下塊工作面位于九龍礦南二下部采區(qū)，地處常凝村以東530 m，地面主要為莊稼地及東武仕水庫(kù)。15252下塊工作面地面標(biāo)高為107.9～109.2 m，井下標(biāo)高為770.7～820.0 m。工作面走向長(zhǎng)度為248～274 m，平均為261 m；傾斜長(zhǎng)度為29～75 m，平均為62 m。

2.1.1 地質(zhì)條件

九龍礦15252下塊工作面范圍內(nèi)，地層依次為奧陶系、石炭系和二疊系。石炭二疊系為含煤地層，煤炭資源豐富。該工作面構(gòu)造較復(fù)雜，煤層賦存較穩(wěn)定，2號(hào)煤層厚度為3.1～3.3 m。15252下塊工作面在掘進(jìn)過(guò)程中共揭露2條正斷層：F01斷層在工作面下順槽揭露，斷層走向?yàn)?4°，落差為1.2 m；DF15-2斷層在工作面切眼揭露，斷層走向?yàn)?3°，落差為25 m，同時(shí)在工作面上順槽揭露，斷層走向?yàn)?0°，落差為8 m。

2.1.2 水文地質(zhì)條件

15252下塊工作面布置范圍內(nèi)，水文地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單，主要含水層為奧陶系灰?guī)r含水層。奧陶系灰?guī)r含水層與2號(hào)煤層的間距為172.5 m。該范圍內(nèi)奧陶系灰?guī)r含水層動(dòng)、靜水儲(chǔ)量大，一旦有斷裂構(gòu)造或發(fā)育的巖溶陷落柱，使奧陶系灰?guī)r含水層形成垂向?qū)臈l件，就會(huì)給該地區(qū)的采掘活動(dòng)造成威脅。因此，奧陶系灰?guī)r含水層為威脅15252下塊工作面安全生產(chǎn)的主要含水層，這也是工作面下伏奧陶系灰?guī)r含水層進(jìn)行區(qū)域注漿加固的目的。

2.2 15252下塊工作面區(qū)域治理

15252下塊工作面區(qū)域治理范圍為：上順槽外側(cè)204.5 m；下順槽外側(cè)182.2 m；切眼外側(cè)185 m；停采線(xiàn)外側(cè)188.7 m。該范圍內(nèi)共施工了20個(gè)分支水平孔，鉆探工程量合計(jì)15 361.65 m，注漿量為15 019 t。其中，2019年在15252下塊工作面施工4個(gè)分支水平孔，即注13-1、注13-2、注13-3和注13（2）-1，鉆探工程量合計(jì)2 399 m（水平段），注漿量為4 260 t。

2.2.1 注13-1分支水平孔施工概況

2019年3月24日，從注6外-14分支水平孔孔深2 300 m處開(kāi)始施工注13-1分支水平孔。注13-1分支水平孔鉆進(jìn)至孔深2 852 m（奧陶系灰?guī)r頂面以下17 m）處終孔，驗(yàn)收，測(cè)水位；注水泥715 t封固分支鉆孔，注漿終壓為11 MPa，完孔。注13-1分支水平孔從孔深2 300 m處開(kāi)分支，2 852 m處終孔，水平進(jìn)尺為552 m，無(wú)漏失，封孔注水泥715 t，共注水泥715 t。

2.2.2 注13-2分支水平孔施工概況

2019年5月12日，從注13-1分支水平孔孔深2 260 m處開(kāi)始施工注13-2分支水平孔。注13-2分支水平孔鉆進(jìn)至孔深2 260 m（奧陶系灰?guī)r頂面以下34.5 m）處，漏失量為20 m3/h，測(cè)水位，注水泥1 080 t，注漿壓力為12 MPa，注漿后掃孔，壓水試壓為7.5 MPa；繼續(xù)鉆進(jìn)至孔深2 850 m（奧陶系灰?guī)r頂面以下28 m）處終孔，測(cè)水位；注水泥485 t封固分支鉆孔，注漿終壓為11 MPa。注13-2分支水平孔從孔深2 260 m處開(kāi)分支，2 850 m處終孔，水平進(jìn)尺為590 m，漏失1次，注水泥1 080 t，封孔注水泥485 t，共注水泥1 565 t。注13-2分支水平孔位于孔深2 260 m處，地層漏失原因?yàn)閵W陶系灰?guī)r溶隙構(gòu)造較為發(fā)育。

2.2.3 注13-3分支水平孔施工概況

2019年4月19日，從注6外-11分支水平孔孔深2 100 m處開(kāi)始施工注13-3分支水平孔。注13-3分支水平孔鉆進(jìn)至孔深2 220 m（奧陶系灰?guī)r頂面以下40 m）處，出現(xiàn)全漏失，漏失量為50 m3/h，測(cè)水位，注水泥865 t，注漿壓力為12 MPa，注漿后掃孔，壓水試壓為7.5 MPa；繼續(xù)鉆進(jìn)至孔深2 366 m（奧陶系灰?guī)r頂面以下34 m）處，漏失量為50 m3/h，測(cè)水位，注水泥240 t，注漿終壓為12 MPa，然后掃孔，壓水試壓為7.5 MPa；繼續(xù)鉆進(jìn)至孔深2 852 m（奧陶系灰?guī)r頂面以下25 m）處終孔，測(cè)水位；注水泥275 t封固分支鉆孔，注漿終壓為11 MPa。

注13-3分支水平孔從孔深2 100 m處開(kāi)分支，2 852 m處終孔，水平進(jìn)尺為752 m，漏失2次，分別注水泥865 t、240 t，封孔注水泥275 t，共注水泥1 380 t。注13-3分支水平孔位于孔深2 200 m、2 366 m處，地層漏失原因?yàn)閵W陶系灰?guī)r溶隙構(gòu)造較為發(fā)育。

2.2.4 注13（2）-1分支水平孔施工概況

2019年3月1日，從注6外（2）-2′分支水平孔孔深2 690 m處開(kāi)始施工注13（2）-1分支水平孔。注13（2）-1分支水平孔鉆進(jìn)至孔深3 195 m（奧陶系灰?guī)r頂面以下26.5 m）處終孔，驗(yàn)收，測(cè)水位；注水泥600 t封固分支鉆孔，注漿終壓為10 MPa，完孔。注13（2）-1分支水平孔從孔深2 690 m處開(kāi)分支，3 195 m處終孔，水平進(jìn)尺為505 m，無(wú)漏失，封孔注水泥600 t，共注水泥600 t。

3 區(qū)域治理效果評(píng)價(jià)

3.1 工程揭露的構(gòu)造和地層情況

注13（2）-1分支水平孔主孔施工過(guò)程中，揭露地層分別為第四系沉積層、二疊系石盒子組與山西組、石炭系太原組與本溪組，目的層為奧陶系灰?guī)r含水層。在目的層鉆進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)區(qū)域地質(zhì)孔揭露的層間距對(duì)比分析，2號(hào)煤層與奧陶系灰?guī)r含水層的間距為172.5 m，因此探查范圍內(nèi)不存在大的斷層構(gòu)造。發(fā)生漏失處附近的巖粉無(wú)明顯變化。根據(jù)漏失點(diǎn)情況，裂隙發(fā)育位置主要是奧陶系灰?guī)r頂面以下35 m左右。漏失地段經(jīng)過(guò)注漿處理后，后續(xù)掃孔鉆進(jìn)作業(yè)中，未發(fā)現(xiàn)原漏失點(diǎn)附近再出現(xiàn)漏失，說(shuō)明注漿封堵效果明顯。

3.2 工程揭露的水文地質(zhì)條件

野青灰?guī)r含水層及伏青灰?guī)r含水層以靜儲(chǔ)量為主，補(bǔ)給水源很弱，水量小，隨采掘延伸和揭露逐漸疏干。大青灰?guī)r含水層厚度為0～6 m，平均為5 m，為溶蝕裂隙含水層，巖溶裂隙不發(fā)育，富水性不均勻，局部富水性較強(qiáng)。在不受奧陶系灰?guī)r含水層補(bǔ)給的情況下，該含水層對(duì)上覆野青煤層及以上煤層開(kāi)采無(wú)影響。奧陶系灰?guī)r含水層總厚度為500～600 m，含水層富水性強(qiáng)，具有巨大的動(dòng)、靜水儲(chǔ)量。地面施工的分支水平孔鉆孔巖屑層正常，注漿沒(méi)有大的漏失點(diǎn)，未探查到隱伏構(gòu)造，證明該區(qū)域地層穩(wěn)定，構(gòu)造簡(jiǎn)單，水文地質(zhì)條件已探查清楚。

3.3 區(qū)域治理效果

15252下塊工作面鉆進(jìn)過(guò)程中，地層巖屑正常，未探查到異常區(qū)域。鉆孔軌跡均按照設(shè)計(jì)施工，關(guān)鍵落點(diǎn)均處于設(shè)計(jì)位置，符合設(shè)計(jì)要求。分支水平孔加固了15252下塊工作面下部奧陶系灰?guī)r含水層頂面以下20～40 m的區(qū)域，使工作面奧陶系灰?guī)r含水層富水性進(jìn)一步減弱，奧陶系灰?guī)r頂部含水層改造為相對(duì)隔水層，確保工作面安全開(kāi)采。15252下塊工作面施工的分支水平孔共探查到漏失14次，注漿量在0～300 t的漏失有10次，注漿量在300～600 t的漏失有3次，注漿量在800～900 t的漏失有1次。

各個(gè)分支水平孔漏失點(diǎn)注漿后，壓水試壓均符合要求，孔與孔相互交叉或者靠近施工，相互驗(yàn)證，均未發(fā)現(xiàn)再次漏失現(xiàn)象。在井下對(duì)工作面漏失量較大位置進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，未發(fā)現(xiàn)異常，在井下超前物探和采前物探中，漏失點(diǎn)位置也未發(fā)現(xiàn)異常，進(jìn)一步驗(yàn)證了漏失點(diǎn)注漿效果。分支水平孔工程量、井身軌跡、落點(diǎn)坐標(biāo)及落點(diǎn)層位均符合設(shè)計(jì)要求。各分支孔嚴(yán)格按設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，呈線(xiàn)網(wǎng)狀布置，在施工過(guò)程中根據(jù)實(shí)際需要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到探查導(dǎo)水構(gòu)造與含水構(gòu)造的目的，并對(duì)每個(gè)漏失點(diǎn)進(jìn)行注漿，對(duì)漏失量大、注漿量大的地段進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證，注漿效果明顯，達(dá)到加固目的，為工作面的安全掘采奠定基礎(chǔ)。

4 黑龍洞泉域地下水水位變化

有研究通過(guò)計(jì)算地下水位的年均下降速率，開(kāi)展邯鄲市黑龍洞泉域地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，評(píng)價(jià)期內(nèi)地下水位下降速率為0.02～9.60 m/a[5]。其中，黑龍洞泉域下游地下水排泄區(qū)下降速率穩(wěn)定，均小于0.42 m/a。由于武安市玉泉嶺鐵礦礦井疏干水排放量較大，造成小范圍的局部開(kāi)采漏斗，玉泉嶺鐵礦及周邊地下水位下降速率較大，評(píng)價(jià)期內(nèi)下降速率最大達(dá)9.60 m/a，而位于峰峰礦區(qū)的郭莊、西清流監(jiān)測(cè)井的地下水位下降速率分別為0.4 m/a、0.3 m/a，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前者，因此煤礦開(kāi)采對(duì)黑龍洞泉域水資源的影響較小，礦區(qū)保水采煤有實(shí)際效果。

5 結(jié)論

保水采煤是解決礦區(qū)煤炭開(kāi)采與水環(huán)境保護(hù)矛盾的有效途徑之一[6]。本文簡(jiǎn)要介紹了保水采煤的適用條件，并結(jié)合九龍礦15252下塊工作面的煤礦區(qū)域治理案例，證明峰峰礦區(qū)保水采煤有實(shí)際效果。下一步將從保水采煤技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面論證可行性，力爭(zhēng)在可適用地區(qū)推廣保水采煤技術(shù)。