▊ 文/郝永軍

冀中能源峰峰集團是我國最早開發(fā)利用的礦區(qū)之一，至今已有140多年的開采歷史，現(xiàn)已發(fā)展成為以煤為主、多元發(fā)展的國有現(xiàn)代化能源化工集團，是中國優(yōu)質(zhì)焦煤和動力煤重要生產(chǎn)基地。峰峰礦區(qū)地質(zhì)條件復雜，水、火、瓦斯等自然災(zāi)害因素多，峰峰集團本部現(xiàn)有7對生產(chǎn)礦井，其中煤與瓦斯突出礦井5對，水文地質(zhì)復雜、極復雜型礦井5對，受煤層瓦斯、奧灰含水層水威脅嚴重，安全管理難度大。

作為一個老礦區(qū)，峰峰礦區(qū)煤炭資源逐漸趨于枯竭，剩余資源多為“三下”壓煤，這嚴重制約著峰峰集團的安全高效可持續(xù)發(fā)展。為解決這些難題，近年來，峰峰集團不斷解放思想、探索嘗試，創(chuàng)新性地采用防治水地面區(qū)域治理技術(shù)、地面水射流徑向水平破煤瓦斯治理技術(shù)和覆巖隔離注漿充填開采等先進技術(shù)，取得了一定成果，為礦井資源解放和安全高效可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造了條件。

一、峰峰礦區(qū)煤層底板復合承壓含水層突水機理與立體化區(qū)域治理技術(shù)的應(yīng)用實踐

峰峰礦區(qū)水文地質(zhì)條件極其復雜，斷層、褶皺和陷落柱比較發(fā)育，煤系基底賦存有厚度達600米的強富水奧陶系灰?guī)r，礦區(qū)煤層開采標高在-850米左右，大部分礦井開采深度超過650米，煤層底板承受奧灰?guī)r溶水水壓高達10.8～11.2MPa。

突水水源富水性特征、突水形式與特征主要表現(xiàn)為：含水層富水性不均一，底板突水多發(fā)生在局部連通性強的富水帶；底板復合含水層結(jié)構(gòu)使得設(shè)防層位上移，縮小了底板相對隔水層厚度；采動誘發(fā)的原生各形態(tài)裂隙活化，常形成采場滯后突水。

結(jié)合區(qū)域治理定向鉆進技術(shù)、鉆探裝備與鉆進工藝、定向鉆探孔型組合與控制技術(shù)、水平定向鉆孔長距離高壓注漿等關(guān)鍵技術(shù)，提出“突水點定向鉆一體化查治模式”“井下掘進條帶區(qū)域超前補強治理模式”“井下地面超前區(qū)域治理模式”“井上下立體多層次區(qū)域治理模式”四種區(qū)域治理模式。

通過利用煤層底板復合承壓含水層三維立體區(qū)域治理技術(shù)及其效果全周期立體化檢測—監(jiān)測技術(shù)，累計解放煤量3276.8萬噸，產(chǎn)出煤量804.1萬噸。成功解決了大采深高承壓奧灰水害和煤系薄層灰?guī)r及礦井突水點治理的技術(shù)難題，實現(xiàn)了深部高承壓水上減水開采和無害化開采，創(chuàng)新了水害治理的思路和模式。

二、地面水射流徑向水平破煤瓦斯治理技術(shù)的應(yīng)用實踐

峰峰礦區(qū)瓦斯地質(zhì)條件復雜、含量豐富。解決煤與瓦斯共生資源開采和安全生產(chǎn)之間的矛盾，傳統(tǒng)的方法是采用施工順層鉆孔預抽瓦斯或施工“底板巖石巷+穿層預抽鉆孔+水力沖孔消突”措施，并在回采期間施工“頂板抽采巷或高位鉆場+順層鉆孔”等治理瓦斯工程，這樣不僅工程量巨大、費用高、治理時間長，且受生產(chǎn)銜接緊張、沒有足夠的瓦斯治理時間、人為因素等影響，導致瓦斯治理措施往往不能取得實效，從而造成嚴重的瓦斯災(zāi)害隱患，對安全生產(chǎn)構(gòu)成較大威脅。峰峰集團通過借鑒現(xiàn)有煤層氣地面開發(fā)經(jīng)驗，在河北省首創(chuàng)了地面水射流徑向水平破煤瓦斯治理技術(shù)，實現(xiàn)了井下瓦斯地面治理。

通過地面鉆孔對井下煤層進行縱深多層、橫向多角度擴散，采用超高壓、超長度的定向水力射孔，引導地面規(guī)?；瘔毫?，實現(xiàn)壓裂以井為中心在煤層水平橫向360°、縱深向整個煤層厚度均勻地進行裂縫擴散，壓裂規(guī)?？沙杀短嵘?。同時，采用微震監(jiān)測指導壓裂全過程。該技術(shù)體系的應(yīng)用和實施，實現(xiàn)了被治理區(qū)域裂縫全覆蓋無壓裂盲區(qū)，瓦斯解吸和釋放速度快，徹底消除了傳統(tǒng)地下巷道瓦斯治理工藝成本高、風險高、效率低的弊端。

地面水射流徑向水平破煤瓦斯治理技術(shù)特點：一是定向鉆孔速度快，25分鐘可達100米，水平孔眼長度為80～120米，超高壓（60～150MPa）水力鉆井的特點適合各種軟硬度的煤層，不會出現(xiàn)塌孔情況。二是定向水平井組成蜂窩式立體孔結(jié)構(gòu)，徹底破壞了被治理區(qū)域煤層應(yīng)力結(jié)構(gòu)，能順利引導壓裂方向，延伸壓裂長度，擴大壓裂波及范圍，實現(xiàn)被治理煤層區(qū)域立體均質(zhì)化全覆蓋，消除壓裂盲區(qū)，實現(xiàn)煤層瓦斯壓力均質(zhì)化、瓦斯解吸快速、滲流通道暢通。三是超高壓水力鉆孔形成的多層次、多方向、超長度孔眼，可使裂縫起裂，擺脫直井火藥爆破射孔或定向射孔應(yīng)力集中的影響。超高壓水力水平射孔形成的水平長孔眼無塌孔，從而在地層深處改變了周圍煤層應(yīng)力狀態(tài)。壓裂微震監(jiān)測顯示，壓裂裂縫沿煤層靶點，在上下縱深整個煤層和橫向360°水平面上均勻地沿著超高壓水力水平鉆孔方向延伸，形成一個半徑為80～120米、高度為5～20米的不規(guī)則立體圓柱沖擊波體系。而且壓裂規(guī)模成倍提升，解決了傳統(tǒng)射孔壓裂僅沿著最大應(yīng)力方向擴展而造成瓦斯治理區(qū)域出現(xiàn)眾多盲區(qū)的工藝弊端。

該項目率先在九龍礦實施，治理范圍預估產(chǎn)煤260萬噸，比傳統(tǒng)瓦斯治理模式可節(jié)約成本7600萬元，瓦斯噸治理成本僅為傳統(tǒng)模式的1/8，年回收純度為100%的天然氣約70萬立方米。截至2023年3月，九龍礦三口鉆井穩(wěn)定排采，1號井套壓0.25MPa，全天排氣360立方米；2號井套壓0.55MPa，全天排氣800立方米；3號井套壓0.45MPa，全天排氣730立方米；合計全天排采氣總量1890立方米，總累計排采量119萬立方米。地面抽采出的瓦斯，可壓縮后出售，年創(chuàng)經(jīng)濟效益208萬元；也可用于瓦斯發(fā)電，效益約300萬元/年。

▎ 瓦斯抽采

三、“三下”覆巖離層注漿充填技術(shù)的應(yīng)用實踐

峰峰礦區(qū)“三下”壓煤量大面廣，“三下”采煤量占總產(chǎn)量的比例呈逐年增加的趨勢，從2005年的30%發(fā)展到目前的60%左右。在“三下”采出量中，建筑物下采出量最大，其次是鐵路下，水體下較少。從2005年協(xié)調(diào)全采技術(shù)，到2006年膏體充填開采技術(shù)，再到2020年的隔離注漿充填開采技術(shù)，峰峰集團堅持不斷探索與創(chuàng)新，始終致力于解決“三下”壓煤無法高效回收的問題。

煤層開采后自下向上分別形成垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶（離層區(qū)）?？迓鋷槊簩娱_采后直接垮落，垮落后巖層破碎程度巨大；裂隙帶位于垮落帶上方，因下部巖層垮落后而產(chǎn)生裂隙，裂隙較小，但導水暢通；彎曲下沉帶位于裂隙帶上方，受垮落帶影響，離層區(qū)呈彎曲下沉狀態(tài)，此狀態(tài)可延展至地表，導致地表整體下沉，但巖層完整性較好，其間巖層在下沉過程中會產(chǎn)生離層。此技術(shù)就是在巖層彎曲下沉帶離層內(nèi)進行注漿，充填粉煤灰，控制地表下沉。

覆巖隔離注漿充填開采技術(shù)自2020年引入峰峰集團以來，成功地將傳統(tǒng)村莊下條帶式開采50米寬的工作面增加到150米，在不搬遷村莊的情況下實現(xiàn)了最大限度地回收村莊下的煤炭資源。已經(jīng)在大社礦921203工作面和梧桐莊礦韋武莊村下182211工作面成功實施，減沉效果明顯，其中，921203工作面采出煤炭資源16.07萬噸，地表最大下沉178毫米，房屋沒有出現(xiàn)明顯損壞。182211工作面采出煤炭資源37.9萬噸，地表僅下沉302毫米，房屋沒有出現(xiàn)明顯損壞。

上述創(chuàng)新技術(shù)在峰峰集團的成功應(yīng)用，為解放呆滯資源和安全開采提供了技術(shù)保障，保證了礦井正常生產(chǎn)銜接，同時實現(xiàn)了找煤增量，為峰峰集團安全高效可持續(xù)發(fā)展提供了強大動力。