◎ 邯鄲市孫莊采礦有限公司 賀文濤 申偉

位于邯邢水文地質單元的南單元峰峰礦區(qū)，水文地質條件復雜，奧灰補給面積大，富水性強且極不均一，煤層底板隔水層承受奧灰水壓高，是開采深部煤層的主要威脅。尤其是對位于強徑流區(qū)煤炭資源的開發(fā)，目前探測技術和常規(guī)的礦井防治水技術與手段難以完全滿足礦井安全生產需要，礦井防治水形勢嚴峻。因此，在如此復雜的地質環(huán)境下，探索可以避免煤層災害性奧灰突水的綜合治理技術是實現礦井防治水技術的一次提升和創(chuàng)新。

一、研究意義和研究現狀

位于邯邢水文地質單元的南單元峰峰礦區(qū)地質條件復雜，構造發(fā)育隱蔽性強，目前探測技術難以完全滿足礦井安全生產需要，是河北省境內乃至全國礦井防治水形勢最嚴峻的礦區(qū)。僅近20 年來，曾多次發(fā)生奧灰特大突水災害。

隨著開采深度的加大，一方面煤層底板隔水層厚度明顯減小，煤層底板發(fā)生奧灰突水的風險加大；另一方面，煤層底板承受奧灰水壓、礦壓和煤層底板破壞深度明顯增大，而煤層底板隔水層抗水能力明顯降低，底板導水構造甚至采動裂隙成為誘發(fā)底板突水的通道，奧陶系灰?guī)r含水層成為安全生產的巨大威脅。伴隨著開采深度的增大以及開采淺部下組煤，開采環(huán)境也發(fā)生了相應的變化，礦井安全生產形式趨于嚴峻。主要表現在以下幾個方面：第一經過多期的勘探，淺部勘探程度明顯高于深部，淺部地質、水文地質條件基本查清；第二受勘探程度以及相關種種影響因素的制約，淺部勘探結果可靠度明顯高于深部，深部某些地質構造沒有得到有效控制；第三受勘探程度、勘探結果可靠性和地質、水文地質條件變化的不確定性等因素的制約，深部地質、水文地質條件與淺部相比具有明顯差異性，需要投入相當數量的補充勘探和試驗工作；第四深部煤層底板隔水層承受奧灰水壓和礦壓明顯高于淺部；第五深部煤層開采煤層底板擾動破壞深度明顯大于淺部煤層開采，與此相對應煤層底板有效隔水層的厚度卻明顯小于淺部煤層開采；第六水害類型發(fā)生了明顯的變化，開采淺部煤層主要水害類型以地表水、老空水和老窯水（小煤礦開采和歷史上小煤窯開采形成）為主，大氣降水對開采影響明顯且不具滯后性。開采深部煤層主要水害類型以底板水巖溶水為主，大氣降水對開采影響具有一定的滯后性。開采深部或開采淺部下組煤與開采淺部上組煤存在的上述差異，致使煤層底板巖溶水害成為現狀條件下必須認真對待的現實問題。

大量突水案例和煤層底板突水機理表明，煤層底板突水絕大部分由構造引起，尤其是災害性突水均由導水構造引起。因此，避免煤層底板災害性突水事故的核心科學問題是查明煤層底板的垂向導水構造分布情況，并采取注漿加固措施對其進行加固，以阻斷煤層與下伏奧灰強含水層的垂向水力聯系。煤層底板隔水層的抗水性能是降低煤層底板災害性突水風險的基礎。12661 工作面試采工作前期進行的井下治理工程實踐表明，位于強徑流區(qū)水文地質條件復雜區(qū)域的開采深部山青煤底板大青含水層裂隙發(fā)育各向異性特征更加突出，不存在理論意義的擴散半徑。單純利用井下對大青灰?guī)r含水層注漿改造，無法實現對所謂擴散半徑范圍內實現對目標層巖體的注漿改造，更不可能實現對煤層底板構造的精細探查與治理。必須結合現場的實際情況，探索適用于上述條件的新技術、新手段。

利用水平定向鉆進技術對煤層底板進行綜合治理技術，不僅可以實現對治理區(qū)域空間范圍內的全覆蓋，最關鍵的是通過水平定向鉆孔的軌跡控制實現準確定向，保證分支孔沿目標層進行鉆進，從而實現對底板構造的精細探查與治理以及對非均質各向異性體的加固改造。水平定向鉆進技術已在峰峰集團羊東礦、九龍礦、辛安礦多個礦井開采2#煤（煤層底板與奧灰含水層間距120 米左右）中得到了成功應用，取得巨大的經濟效益和社會效益。但與上述礦井具有本質區(qū)別的孫莊礦要解決的是與煤層底板奧灰含水層間距僅為70 米～103 米的山青煤水害綜合治理問題。

二、山青煤綜合治理成套技術研究

以山青煤層底板突水機理分析為切入點，結合邯鄲市孫莊采礦有限公司（以下簡稱孫莊礦）地質環(huán)境，通過系統分析強徑流區(qū)典型山青工作面水害綜合治理現場施工資料，探索強徑流區(qū)山青煤水害綜合治理成套技術。利用定向分支鉆孔對導水構造和目的層進行注漿加固，達到減低奧灰災害性突水的風險，為實現安全生產奠定基礎。凝練了以“定”“探”“判”“注”“驗”相結合的山青煤綜合治理成套技術。

（一）定：確定綜合治理方案

確定綜合治理方案，主要包括確定目標層、布孔方案（水平定向鉆孔方向、間距、數量、施工順序）、注漿堵水技術與工藝（鉆孔結構、材料選擇、注漿參數等）。綜合治理方案關系到治理效果，應結合具體問題具體分析。治理目標層有兩個選項，大青灰?guī)r或者是奧灰含水層頂部，應依據現場具體情況進行確定。如果以垂向導水構造探查為核心，且采動不會波及到治理目標層，宜選擇大青灰?guī)r含水層作為職位目標層；如果以含水層改造為核心，采動可能會波及到治理目標層（大采深礦井），宜選擇奧灰含水層作為目標層。布孔方案關系到治理效果和投資，水平定向分支孔越密治理效果越好，但投資量也會越大。一般依據治理區(qū)域的地質環(huán)境確定合理的間距。注漿堵水技術和工藝是堵水工程具體實施的環(huán)節(jié)，應以基本的水文地質資料為基礎，同時結合必要現場壓水試驗、室內實驗，以確定所需要的參數（如水灰比、漿液密度、注漿壓力。注漿結束標準等）。通常選擇采用單液水泥漿或水泥+粉煤灰（泥土）漿液進行下行式單孔分段連續(xù)注漿技術與工藝，雙孔注漿、間歇注漿、連續(xù)注漿等聯合注漿技術與工藝。起始漿液密度選擇1.10g/m3，依據現場具體情況進行調整，以避免漿液大量流失。根據實際情況，整個綜合治理方案應分階段按步驟有條不紊地進行，各階段針對具體問題進行施工，環(huán)環(huán)相扣，層層加固，最終達到良好的治理效果。鉆孔布置主要依據突水區(qū)域大小、地層結構、堵水環(huán)境等確定。

（二）探：探查導水構造

利用水平定向鉆進技術對治理區(qū)域實現全覆蓋垂向導水構造和大青灰?guī)r完整性水平定向鉆做測精細探查技術。垂向導水構造水平定向鉆做測精細探查的目的是探明煤層底板垂向導水構造的空間分布形態(tài)、規(guī)模，為底板發(fā)生災害性突水事故的風險評價提供依據。大青灰?guī)r完整性的水平定向鉆做測精細探查就是查明大青灰?guī)r含水層的裂隙連通性、張開性及發(fā)育區(qū)域，以確定大青灰?guī)r含水層的完整性。

（三）判：判段鉆進層位

判定垂向導水構造發(fā)育部位、空間形態(tài)和規(guī)模大小以及大青灰?guī)r裂隙發(fā)育部位、連通性等特征。水平定向鉆孔的軌跡控制實現準確定向，保證分支孔沿目標層進行鉆進，一旦巖性發(fā)生變化表明此部位存在構造，巖性（利用巖粉）判別是垂向構造存在的最有效指標，隨鉆測斜和軌跡控制是關鍵。結合煤層底板巖性組合特征鉆孔揭露情況可以判定其規(guī)模和空間形態(tài)。通過循環(huán)液漏失量、注漿量可以判定構造裂隙發(fā)育程度及導水性。若巖性無變化，則可以利用循環(huán)液漏失量、注漿量對大青灰?guī)r含水層裂隙發(fā)育情況、連通性和張開性進行直接判定。隨鉆測定的自然伽馬則為裂隙發(fā)育程度的間接判別指標，一般灰?guī)r中泥質含量越高，自然伽馬值越大，反之越小?；?guī)r越純巖溶裂隙越發(fā)育，伽馬值越小，通常小于20。

（四）注：注漿加固與改造

通過鉆孔注漿，對導水構造和裂隙實施有效封堵，以達到巖體加固與改造的目的。一般依據制定的綜合治理方案、施工順序，并按確定的注漿參數、工藝，逐孔逐段（依據循環(huán)液漏失量、壓水試驗等確定注漿孔段）進行注漿加固與改造。為減少水泥的消耗，可以選擇粉煤灰、粘土等作為輔助材料，輔助材料參入量應依據室內實驗或工程經驗確定，以保障注漿加固或構造效果為前提。

（五）驗：驗證綜合治理效果

對綜合治理效果進行檢驗，主要對治理目標層的改造效果進行檢驗。一般采用進行施工檢查孔的方式進行檢驗，這個要包括單孔出水量、巖性裂隙充填效果、水位（或水壓）等指標。檢查孔數量與位置由現場具體施工條件決定，最薄弱的部位應施工一定數量的檢查孔。依據各分支鉆孔的井田情況和工作面范圍內沒有發(fā)現規(guī)模較大的垂向導水構造，根據示蹤劑投放后的情況也沒有發(fā)現大青與奧灰存在明顯水力聯系的部位。施工的水平分支中，共發(fā)生了24 次漏失，尤其揭露斷層時漏失量變大，甚至出現不返漿現象，說明大青灰?guī)r含水層主要導水通道以斷層為主，且與上下含水層之間存在垂向或側向補給；巖溶裂隙發(fā)育次之。此外孫莊礦在井下施工了60 個驗證孔，單孔涌水量均小于10m3/h。驗證孔從揭露大青灰?guī)r中的裂隙大多被水泥充填。上述結果表明，12661 綜合治理達到了預期效果。

三、山青煤綜合治理成套技術研究應用前景

該成果以煤層底板導水構造精細探查為核心，凝練了“定”“探”“判”“注”“驗”相結合的山青煤水害綜合治理成套技術，實施了強徑流區(qū)孫莊礦12661 工作面綜合治理工程，實現了山青煤底板導水構造、裂隙的精細探查及暗構造含水層的注漿改造和效果檢驗，實施效果較好，達到了預期目的，開創(chuàng)了將水平定向鉆進技術應用到強徑流區(qū)山青煤層底板水害綜合治理的先例。

該技術的成功運用，不僅可以緩解孫莊礦生產接替緊張的被動局面，對進一步解放剩余的深部山青煤資源，延長衰老礦井服務年限來說具有十分重要的實際意義，同時對類似水文地質條件下的礦井煤層底板水害防治提供借鑒經驗。