底板灰岩水地面区域超前探查治理技术研究

2019-05-05梁海洋

中国资源综合利用 2019年4期

梁海洋

（江苏煤炭地质勘探二队，江苏徐州 221006）

近年来，我国东部煤矿随着矿井采掘深度的增加，煤层底板承受灰岩水压越来越大高，受陷落柱、隐伏断层等构造的影响，煤层底板灰岩水害威胁越来越大。2013年，淮北矿区朱庄煤矿首先开始采用近水平定向钻探技术和注浆技术对煤层底板进行区域探查治理与改造。

地面超前区域探查治理钻探技术是指从地面垂直开孔，以一定角度在目标层位灰岩中施工定向分支钻探孔探查垂直隐伏构造并进行注浆改造的一项新的水害探查治理技术[1-2]。本文根据新集二矿的水文地质条件和工程实践经验，研究2301 治理区1 煤组煤层底板灰岩性均弱。

1 矿水文井地质概况

1.1 地质概况

新集二矿矿井主要开采煤层为13-1 煤、11-2 煤、8 煤、6-1 煤、9上煤、1上煤及1 煤层，目前开采煤层为1 煤。

2301 治理区1 煤组平均厚9.6 m，结构为4.4（1.1）4.1 m。由于受南北主构造应力的影响和控制，煤层为总体倾向NNE 的单斜，倾角5 ～29°，平均倾角10°，局部大于30°。

受构造和冲刷作用的影响，1 煤、1上煤在治理区范围内产状及厚度变化较大。2301 治理区特别是东部距阜凤逆冲断层、阜凤下夹片断层和寿县老人仓断层较近，受三个大断层影响，治理区内地层倾角变化较大，次一级褶皱构造、中小断层及小褶曲较为发育，煤层厚度及产状有一定变化。在治理区南部06 线附近和治理区北部0802 孔附近区域内，1 煤组煤层受冲刷作用影响，造成1上煤缺失，局部1 煤变薄。由于对1上煤缺失区的范围控制不清，治理区内的中小断层、褶曲等构造不详，都给掘进和回采带来较大影响。

1.2 水文地质

1.2.1 太原组灰岩水

根据抽水试验结果，太原组灰岩水各段水位相差不大，一般在-30 m 左右；单孔涌水量10-5～10-3L/（s·m），渗透系数一般在10-3m/d；反映钻孔附近灰岩富水性和渗透太原组灰岩水位呈现大幅下降趋势。

2301 治理区南部为1 煤2101 采区。2101 采区工作面底板截水巷掘进期间均揭露C31～2层灰岩，揭露时未发生出水现象；采区工作面施工见底板灰岩292个，出水钻孔74 个，最大初始水量15 m3/h，出水率为25.34%。太原组灰岩水文长观孔自观测以来，水位总体呈下降趋势，未因1 煤2101 采区采掘出现异常变化。

2101 采区210106 工作面掘进期间对C3I、C3II组灰岩开展了压水试验，根据压水试验结果，说明横、纵向及垂向连通性较差，岩层整体抗压能力达到8 MPa 以上。

目前补勘及井下实际揭露资料表明，1 煤组底板石炭系太原组灰岩补、径、排条件较差，各段及全层灰岩富水性弱，缺少丰富补给水源，以静储量为主，具有高水压、弱富水、不均一、难疏降的特点；太灰之间、太灰和奥灰之间，底板灰岩与其他含水层之间未发现明显的水力联系。但由于富水性不均一，存在局部富水的可能，这是治理区开采的主要水害威胁。

1.2.2 奥陶系灰岩水

奥陶系灰岩水位在-30 m 左右，略高于太原组灰岩水位；单孔涌水量10-2L/（s·m），渗透系数在10-2～10-1m/d，反映钻孔附近处灰岩富水性和渗透性较弱，但强于太原组灰岩水，水位动态则为稳中有降。

群孔抽水试验表明，奥灰与石炭系太原组灰岩水力联系较差，正常情况下底板奥陶系灰岩水基本上不会直接对采区工作面充水而威胁安全生产，但不排除遇垂向导水构造导致底板灰岩出水可能。2018年4月，治理区域奥灰水标高-50 m，基本稳定；2301 采区东翼12灰底板标高-796～-890 m，静水压力7.46～ 8.40 MPa。

2 地面区域超前探查治理技术

定向分支钻孔，就是在地面钻凿直孔，在适当的深度进行定向造斜施工，在一定深度形成轨迹受控水务定向水平（近水平）孔，在水平孔一侧或两侧实施带状若干分支孔[3-5]。与煤矿传统井下探查孔相比，其具有控制面积大、轨迹受控精度高、施工设备能力大、施工安全程度高、不受场地环境影响、可进行超前探查等优点，已越来越多地替代传统井下探查井应用到煤矿底板灰岩水害探查与治理中[6]。

采用地面定向分支钻孔对新集二矿1 煤组2301（东翼治理区底板灰岩水）进行地面超前区域探查治理，重点探查治理1 煤组底板灰岩垂向隐伏含（导）水通道和富水区，结合区域超前探查治理后的井下效果验证，开展地面超前探查治理效果及开采安全性评价，保障1 煤组工作面安全高效开采。

根据地面补勘及井下探查情况，C3I、C3II 组灰岩水文地质条件较清楚，灰岩弱富水性、低存储、少补给、低渗透，且根据新集二矿1 煤底板石炭系太原组C3II 组灰岩含、隔水性评价项目研究结论，C3I、C3II 组灰岩可作为相对隔水层使用，继续探查治理C3I、C3II 组灰岩意义不大，因此选取C3Ⅲ组灰岩为探查治理层位；本次地面超前区域探查治理目的层位选取C312灰岩，定向分支钻孔设计沿C312灰岩层内施工，满足奥灰带压开采突水系数要求；根据目前底板奥陶系灰岩水位-47.94 ～-62.05 m，以满足突水临界值0.1 MPa/m 反算，现阶段超前区域探查治理范围内底板隔水层厚度最大需达到78 m，选取C312灰岩满足要求（C312灰顶板距1 煤底板距离100 m，底板破坏深度19 m）；C312灰岩全区稳定发育，平均发育厚度14.24 m，为太原组各层灰岩之中最厚，可以保证较高的钻孔穿层率和成孔率。

3 地面超前区域探查治理设计

3.1 垂直主孔位置

本次是对2301 治理区东翼采区做探查。从工程量最优、施工便利等方面考虑，治理区东部施工1 个地面主孔，垂直主孔位置选取在09 勘探线以西38 m，地面标高约+20.5 m。地面主孔施工场地为农田，交通便利，管理方便。区内1 煤组底板标高约-650～-760 m，太原组12 灰底板标高约-785 ～-875 m。2301 治理区1 煤底板等高线图和12 灰底板等高线图分别如图1、图2所示。

图1 2301 治理区1 煤底板等高线图

图2 2301 治理区12 灰底板等高线图

3.2 钻孔布置方案

对2301 治理区域全覆盖探查治理，钻孔轨迹沿太原组12 灰岩顺层钻进，与主构造呈大角度斜角，分支钻孔平行间距60 m；自地面主孔施工17 个定向分支顺层钻孔，S2-1#～S2-6#分支为沿工作面走向平行布置，S2-7#～S2-17#分支为羽状平行布置，其中分支顺层段长370～1 390 m，总工程量16 290 m。根据井下采掘要求，为确保230106 底板巷的正常掘进，分支孔施工顺序为：先施工2-2#分支，再施工2-1#、2-3#分支，采用跳注方法检验孔间距的合理性。2301 采区钻孔平面图如图3所示。