奧灰區(qū)域探查與超前治理技術(shù)在棋盤井煤礦的實(shí)踐與應(yīng)用

劉 愷

（國家能源集團(tuán)內(nèi)蒙古煤焦化公司煤炭管理部，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 016000）

我國煤礦資源非常豐富，是我國能源的主體部分，占一次能源的70%左右。在未來一段時(shí)間內(nèi)，煤炭作為主要能源的形式仍然難以改變[1]。要使社會(huì)生產(chǎn)順利運(yùn)行，煤礦持續(xù)正?；?yīng)是前提，因此，確保煤炭安全高效生產(chǎn)是影響社會(huì)發(fā)展的一個(gè)重要因素。其中，煤礦發(fā)生透水事故是造成煤礦災(zāi)害的主要方式，因此，要治理煤礦水災(zāi)是是煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)現(xiàn)有資料統(tǒng)計(jì)，全國95%的煤炭來源于地下開采，經(jīng)常遇到礦井水災(zāi)害，嚴(yán)重制約了煤炭開采的進(jìn)度，同時(shí)嚴(yán)重威脅著員工的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全[2]。因煤礦水災(zāi)導(dǎo)致員工死亡數(shù)在煤礦災(zāi)害中居第二位，發(fā)生次數(shù)方面是第三位[3]。近10 年來，礦井中出現(xiàn)了17 例死亡超過30人的突水事故，共造成857人死亡；死亡超過50 人的突水事故8 例，總計(jì)526 人死亡；2021 年山西一煤礦發(fā)生透水事故，導(dǎo)致21人被困。目前，礦井水災(zāi)防治工作仍面臨嚴(yán)峻和復(fù)雜的局面[4]。近五十年來，國外煤礦防治水技術(shù)有了很大的發(fā)展，含水層預(yù)先疏干降壓方法逐漸代替被動(dòng)排水，在煤礦防治水發(fā)展趨勢中占有主導(dǎo)地位，圍繞這種主動(dòng)防治水方法，發(fā)展了相應(yīng)的鉆探，排水新技術(shù)。同時(shí)由于煤礦排水量逐年增大，如何充分利用礦井水問題，已成為煤礦的重要課題。作為煤礦防治水的重要輔助措施，堵水截流方法也有了很大的發(fā)展，出現(xiàn)了很多的新技術(shù)[5]。疏干降壓前蘇聯(lián)及歐美將疏干降壓統(tǒng)稱為疏干，降壓疏干是頂板及煤層本身含水層的疏干，及底板含水層的降壓。目前，國外疏干方法主要采用主動(dòng)防護(hù)法，即采用地面垂直鉆孔，以水泵預(yù)先疏干[6]。目前國內(nèi)常見的帶壓開采技術(shù)包括底板改造、疏降奧灰、改造奧灰、特殊開采等技術(shù)[7]。底板改造技術(shù)適用于煤層底板有薄層灰?guī)r強(qiáng)含水層且其與下伏奧灰有水力聯(lián)系的礦區(qū)，國內(nèi)肥城、焦作、皖北、邢臺(tái)等礦區(qū)均采用該技術(shù)進(jìn)行帶壓開采，目前該技術(shù)使用比較普遍[8]。疏降奧灰適用于奧灰水文地質(zhì)條件特殊的礦區(qū)，如礦井奧灰水文地質(zhì)單元相對獨(dú)立封閉、補(bǔ)給條件差的礦區(qū)，開灤趙各莊礦、單侯礦和邢臺(tái)章村礦采用該技術(shù)進(jìn)行帶壓開采，但國內(nèi)疏降奧灰的礦區(qū)總體較少[9]。改造奧灰適用于加固底板仍然無法滿足安全隔水層厚度要求的礦區(qū)，直接改造奧灰含水層頂部，變含水層為隔水層，增加隔水層厚度及強(qiáng)度。該技術(shù)適用于煤層距離奧灰頂面的距離小，及奧灰水存在原始導(dǎo)高的礦區(qū)[10]。特殊開采包括減少工作面斜長、減小空頂距、充填開采或強(qiáng)制放頂以進(jìn)行帶壓開采，國內(nèi)許多高水壓高突水系數(shù)的礦井采用特殊開采方法，如邢臺(tái)東龐礦采用減少工作面斜長的帶壓開采方法，該礦下組煤的工作面斜長約為70m。為了有效地治理奧灰水，確保煤礦安全生產(chǎn)，本論文重點(diǎn)采取了奧灰區(qū)域探查與超前治理技術(shù)來治理棋盤井煤礦的奧灰水的威脅，收到了較好的效果。

1 礦井概況

國家能源集團(tuán)棋盤井煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市鄂托克旗棋盤井鎮(zhèn)。該礦含可采煤層6層，其中9#和16#煤層為全區(qū)可采煤層。區(qū)內(nèi)煤層平均傾角5°，斜立井混合開拓方式，其中主井、斜井為進(jìn)風(fēng)井，棋盤井東回風(fēng)立井為回風(fēng)井，2021年由中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司鑒定礦井的絕對瓦斯涌出量為7.2min/m3，相對瓦斯涌出量為2.9m3/t，礦井屬低瓦斯礦井。該礦井底車場位于01采區(qū)南側(cè)，東與主斜井、副斜井和回風(fēng)斜井相接，西與16#煤輔助運(yùn)輸大巷、膠帶運(yùn)輸大巷和回風(fēng)大巷相連，本次治理區(qū)主要為井底車場范圍，同時(shí)兼顧II011601 工作面和16#煤三條大巷，為此盡可能地讓水平定向鉆孔向前延伸，擴(kuò)大治理區(qū)域范圍。

2 分析問題

2.1 井田奧灰水文地質(zhì)條件分析

棋盤井井田奧陶系灰?guī)r含水層厚度較厚，上部100m 較富水，巖性為深青色灰?guī)r，單位涌水量平均q=0.025~4.687L/(s·m)，滲透系數(shù)K=0.1043~4.656m/d，水質(zhì)類型為Cl·SO4-Na 型水，礦化度2.60g/L，總硬度622mg/L，pH值7.95。奧灰含水層富水性不均一，局部富水性極強(qiáng)，如水文補(bǔ)勘施工的井下O 觀1孔，施工至16#煤頂板處即開始出水，終孔水量達(dá)220m3/h；16#煤巷道掘進(jìn)期間，膠運(yùn)大巷2J1-2 號(hào)探放水孔鉆進(jìn)至139m時(shí)（垂距距16#煤底板18.30m）即發(fā)生涌水，水量達(dá)108m3/h。

此外區(qū)域整體上分析，井田構(gòu)造控水規(guī)律性較強(qiáng)。首先，桌子山煤田巖溶陷落柱整體不發(fā)育，目前僅駱駝山發(fā)現(xiàn)一例，也為西北地區(qū)首例，由點(diǎn)狀導(dǎo)水通道造成突水的概率相對較低。其次，桌子山煤田奧灰富水性受斷裂構(gòu)造控制明顯，富水區(qū)域一般集中在東西向橫張斷裂構(gòu)造附近，規(guī)律性較強(qiáng)，防治水重點(diǎn)明確。奧灰含水層連通性較好，目前奧灰水位＋995m，區(qū)域巖溶水補(bǔ)給量有限，處于超采狀態(tài)，奧灰水位逐年下降如圖1所示，奧灰含水層可疏性較好，煤層承受的水頭壓力逐漸降低，相應(yīng)的帶壓開采危險(xiǎn)性也逐年降低。

圖1 棋盤井煤礦奧灰水位動(dòng)態(tài)觀測歷史曲線圖

2.2 奧灰突水危險(xiǎn)性綜合分析

棋盤井煤礦01 采區(qū)16#煤帶壓0~1.6MPa，突水系數(shù)在0~0.045MPa/m之間，突水系數(shù)由采區(qū)東北至西南逐漸加大，采區(qū)南側(cè)井底車場及16#煤三條大巷位置突水系數(shù)為最高點(diǎn)。設(shè)計(jì)01采區(qū)范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)落差較大的斷裂構(gòu)造及導(dǎo)水陷落柱，構(gòu)造條件中等，但通過水文補(bǔ)勘及探放水資料，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，裂隙發(fā)育，煤層底板隔水層局部破碎，存在奧灰導(dǎo)升，再加上工作面回采造成的底板破壞，16#煤開采突水危險(xiǎn)性較大。

3 奧灰區(qū)域探查與超前治理技術(shù)的實(shí)踐及應(yīng)用

3.1 奧灰區(qū)域探查

奧灰區(qū)域超前探查與治理。具體來講就是利用區(qū)域奧灰水位自然疏降的有利條件，按照工作面帶壓程度由小到大合理規(guī)劃開采順序，采用井上、下長距離定向鉆探等新工藝進(jìn)行區(qū)域超前探查及治理。棋盤井煤礦16#煤的特點(diǎn)是煤層底板與奧灰頂面有一定間距（平均45.95m）且?guī)r層厚度穩(wěn)定，但存在破碎薄弱帶，可利用此特點(diǎn)在井下進(jìn)行隔水層注漿改造，形成穩(wěn)定隔水層后再開展工作面回采工作。也可在地面對奧灰頂部加以注漿改造，將奧灰改造為隔水層段后，再開展工作面回采工作。

（1）探查范圍的確定。井底車場位于01采區(qū)南側(cè)，東與主斜井、副斜井和回風(fēng)斜井相接，西與16#煤輔助運(yùn)輸大巷、膠帶運(yùn)輸大巷和回風(fēng)大巷相連，本次治理區(qū)主要為井底車場范圍，同時(shí)兼顧II011601 工作面和16#煤三條大巷，為此盡可能地讓水平定向鉆孔向前延伸，擴(kuò)大治理區(qū)域范圍。本次治理范圍編輯主體分為三個(gè)部分，第一部分為井底車場部分，東和南部以外水倉為治理邊界；第二部分為II011601工作面部分，以工作面輔助運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽外側(cè)30m 為邊界；第三部分為16#煤大巷部分，以兩側(cè)大巷外推30m 為治理邊界，初步擬定治理區(qū)面積為0.18km2，如圖2所示。

圖2 治理范圍平面位置示意圖

（2）探查的基本思路。針對待治理區(qū)水文地質(zhì)條件，防治水方針以探查垂向?qū)ǖ罏橹?，采用地面定向近水平鉆孔，以奧灰頂界面以下15m 地層為主要探查層位，主要沿著奧灰頂面下方一定距離順層鉆進(jìn)探查治理，揭露可能存在的垂向?qū)ǖ啦⒆{充填加固，改造奧灰頂部含水層為隔水層。此次井底車場底板奧灰地層探查注漿改造的基本思路如下：

鉆探方面：本次設(shè)計(jì)11 分支孔，共計(jì)29 個(gè)控制點(diǎn)或靶點(diǎn)，其中主孔4個(gè)靶點(diǎn)，需要說明的是實(shí)際施工時(shí)，根據(jù)上一個(gè)分支孔的施工情況可適當(dāng)調(diào)整下一個(gè)分支孔的靶點(diǎn)坐標(biāo)，并且適當(dāng)增加靶點(diǎn)，具體參數(shù)情況如表1所示。

表1 靶點(diǎn)坐標(biāo)一覽表

根據(jù)各分支孔軌跡設(shè)計(jì)參數(shù)即可繪制鉆孔平面、垂面分布圖，如圖3和圖4所示。

圖3 鉆孔設(shè)計(jì)平面位置圖

圖4 鉆孔設(shè)計(jì)剖面位置圖

3.2 鉆探技術(shù)要求

（1）注漿孔鉆進(jìn)過程中要嚴(yán)格按照鉆探規(guī)程施工，嚴(yán)防掉鉆埋鉆等鉆探事故。

（2）鉆孔施工中嚴(yán)格按照有關(guān)要求做好鉆孔的簡易水文觀測工作。

（3）巖屑錄井。第四系不撈砂樣，但必須判定基巖界面，接近9#煤時(shí)，每1m 撈1 包砂樣至完鉆，并做好鑒定，建立地層剖面?，F(xiàn)場整理、匯總巖屑錄井表，對地層做出初步的判定和劃分。

（4）鉆時(shí)錄井。

①間距要求：自基巖段開始，進(jìn)行鉆時(shí)錄井每1m記錄1個(gè)點(diǎn)，至完井。

②要隨時(shí)記錄鉆時(shí)突變點(diǎn)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤層，卡準(zhǔn)煤層深、厚度等。

③盡量保持鉆井參數(shù)的相對穩(wěn)定，以便提高鉆時(shí)參數(shù)反映地層巖性的有效性，并記錄造成假鉆時(shí)的非地質(zhì)因素。

④必須經(jīng)常核對鉆具長度和井深，每打完一個(gè)單根和起鉆前必須校對井深，井深誤差不得超過0.1m。

⑤全井漏取鉆時(shí)點(diǎn)數(shù)不得超過總數(shù)的0.5%，目的層井段鉆時(shí)點(diǎn)不得漏取。

（5）鉆井液錄井。

①每8h做一次全性能測定；每2h測定一次一般性能（密度、粘度）。

②煤層井段或發(fā)現(xiàn)氣體顯示異常時(shí)，要連續(xù)測定鉆井液密度、粘度，并做好記錄。

（6）簡易水文觀測。

①全井鉆進(jìn)過程中均應(yīng)做好簡易水文觀測記錄工作。

②每次起鉆后、下鉆前測量一次水位（井筒液面）；每鉆進(jìn)2h記錄一次鉆井液消耗量（泥漿池液面），進(jìn)入洛河組后每1h記錄一次鉆井液消耗量，不足1h但大于30min時(shí)也應(yīng)觀察鉆井液消耗量。

（7）鉆進(jìn)過程中做好鉆孔原始記錄，鉆探過程中如遇漏水、塌孔、縮徑、掉鉆等現(xiàn)象時(shí)，要詳細(xì)記錄其發(fā)生的層位、深度及量值，對換徑變層等重要環(huán)節(jié)也要進(jìn)行詳細(xì)記錄。

3.3 注漿工程實(shí)踐

3.3.1 注漿站布置

（1）根據(jù)鉆探工程布置的情況，需設(shè)計(jì)1 座地面注漿站，鋪設(shè)注漿管路至鉆孔，修建堆料場及蓄水池，單個(gè)注漿站占地約6畝。

（2）注漿站功能要求。采用散裝水泥送入現(xiàn)場水泥罐，利用螺旋上料機(jī)將水泥倒入坑式攪拌機(jī)，在地面進(jìn)行制漿。

（3）注漿站要具備儲(chǔ)存400t 水泥/粉煤灰的能力要求，注漿站日注漿能力不低于2000m3（83m3/h）水泥漿或水泥—粉煤灰混合漿。

3.3.2 注漿材料

（1）漿液類型。本次探查治理工程采用地面注漿站造漿，通過專用輸漿管路送至探查治理鉆孔，水泥漿液管兩趟，管徑50.80mm。采用主要漿液類型為水泥單液漿，水灰比在（1∶1）~（3∶1）之間。

（2）注漿材料。

①水泥采用32.5#礦渣硅酸鹽水泥，其質(zhì)量應(yīng)符合國家GB175-2007標(biāo)準(zhǔn)，不得使用受潮結(jié)塊的水泥或過期的水泥。

②造漿用水水質(zhì)須滿足國家混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)（JGJ 63-2006），其SO42-含量應(yīng)小于2700mg/L，pH應(yīng)大于4。

③水泥單液漿中可加入0.03%~0.05%三乙醇胺和0.3%~0.5%食鹽作為早強(qiáng)劑。

3.3.3 注漿工藝（1）本次注漿工程采用分段下行式、孔口封閉靜壓注漿法進(jìn)行注漿。注漿目的層位是奧灰頂部，鉆探中若有漏失或涌水的其他地層，也要進(jìn)行注漿。注漿采用分段下行式注漿法，孔口止?jié){方式為連續(xù)與間歇相結(jié)合。

（2）注漿前先進(jìn)行壓水，注漿中若吃漿量大，可用稠漿進(jìn)行注漿或采用間歇式注漿法。若吃漿量小，可用稀漿進(jìn)行注漿。

（3）單回次注漿起壓等凝后，要進(jìn)行掃孔再注漿，若能吃漿還需繼續(xù)注漿，然后再掃孔，直至掃孔不吃漿然后繼續(xù)向前鉆進(jìn)，如此循環(huán)式前進(jìn)。

（4）注漿順序采用插花式跳孔施工方法，先注兩邊孔，再注中間孔，然后再在已注漿孔之間穿插注漿。后序鉆孔注漿時(shí)可對前序鉆孔的注漿效果進(jìn)行檢查。

（5）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。終孔壓力在不對巷道造成破壞的前提下，一般選取靜水壓力的2~2.5倍作為單孔終壓結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，本次選擇注漿壓力為10MPa。當(dāng)注漿壓力達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，應(yīng)逐次換擋降低泵量，直至泵量達(dá)到60L/min，并維持30min。

3.3.4 注漿量預(yù)計(jì)

在不揭露大溶洞或陷落柱的情況下，本次區(qū)域治理注漿量按下式估算：

式中：S——注漿范圍，0.18km2；

H——受注層段厚度，取值30m；

η——煤層底板巖石平均孔隙率，取值0.25%；

ξ——充填率，取值90%；

ω——漿液結(jié)石率，取值80%；

σ——流失系數(shù)，取值1.3。

把參數(shù)帶入公式計(jì)算后，預(yù)計(jì)總注漿量約為14000m3。按水泥漿液平均比重為1.3t/m3來核算，共需消耗水泥10000t。

4 效果分析

（1）通過奧灰區(qū)域探查與超前治理技術(shù)的實(shí)踐有效地治理了奧灰水透水事故的發(fā)生；

（2）通過奧灰區(qū)域探查與超前治理技術(shù)的實(shí)踐提高了礦井的防災(zāi)抗災(zāi)能力；

（3）通過奧灰區(qū)域探查與超前治理技術(shù)的實(shí)踐確保了棋盤井煤礦的安全生產(chǎn)；

（4）該防治水技術(shù)可以同類煤層條件下推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論

基于國家能源集團(tuán)棋盤井煤礦技術(shù)的得出如下結(jié)論：

（1）作為防治水工程措施（疏降、注漿堵水、加固改造、排水及配套工程）施工組織設(shè)計(jì)的技術(shù)依據(jù)；

（2）作為主體防治水工程方案的技術(shù)操作、工程量、工期和費(fèi)用編制的依據(jù)；

（3）根據(jù)井底車場巷道及16#煤首采工作面掘進(jìn)實(shí)際情況和前期探查情況，適時(shí)調(diào)整措施方法及工程量獲得常規(guī)開采的安全保障與效率保證。