薄隔水层条件下深部山青煤开采双重水害防治研究

贺文涛，申 伟，王 军

（邯郸市孙庄采矿有限公司，河北 邯郸 056200）

1 概 况

我国煤矿开采的水文地质条件复杂，矿井突水类型多，成因机制和防治方法也渐趋复杂化。我国东部矿区的开采深度不断加大，强富水、高承压的奥灰、寒灰造成的突水威胁日趋严重，有些矿区底板承压已达10 MPa 以上；河下、湖下、海下、水库下等大型水体下开采的情况也越来越多；老窑水造成的突水事故也越来越严重。

煤矿防治水是一项复杂的系统工程，断层、褶曲、隐伏导水裂隙带、陷落柱等地质异常使矿井水文地质条件评价十分困难，采掘活动及其伴生的矿压作用使该问题更加复杂。矿井突水问题普遍具有空间规模小、时空变化大等特点，仅靠一种或几种传统地质手段已无法达到预期勘探的目的。以先进的地质理论为指导，采用现代化的勘探技术手段，采取井上、井下相结合的立体勘查模式，从“宏观”到“微观”，从区域到矿区再到采区、工作面，不断深化探查工作，是防止煤矿水害的趋势。

本项目对探索我国华北地区受深部大青、奥灰水威胁的薄煤层开采进行了尝试，积累了薄隔水层水平孔地面注浆施工与管理经验，其工程设计、工程管理方面的技术参数，安全管理措施等都具有推广应用价值。

2 防治研究实施方案

2.1 水文地质条件分析

孙庄矿井田在区域水文地质分区上属太行山东麓邯邢地区南部水文地质单元，位于该单元黑龙洞泉域的西南强径流带上。综合分析大青灰岩、奥陶系灰岩地下水的补给、径流、排泄及水动力循环规律，孙庄矿山青煤层水害威胁主要是底板的大青灰岩水与奥灰水。区域治理工程实施之前，防治水工作以大青水、奥灰水双重水害为主。

以《煤矿防治水细则》为依据，以大青灰岩水、奥灰水为突水水源，综合分析山青煤开采的突水危险性。注浆改造前、后山青煤开采充水条件、突水危险性对比分析，通过工程实施后的井下探放水数据，对比分析注浆前后的充水条件与突水危险性，给出进一步的防治水工作建议。

设计工作面内山青煤层最低开采标高为-200 m，煤层底板距大青灰岩含水层顶面最小距离41.5 m，近3 a 大青含水层最高水位标高+107 m，奥灰含水层最高水位＋130 m。由于大青含水层与奥灰含水层水力联系较密切，为了增加安全系数，计算山青煤底板隔水层承受的水压值时，水位取奥灰水位，隔水层厚度取山青煤至大青灰岩顶面的距离。经计算，山青煤底板隔水层承受的水压值为3.715 MPa，底板突水系数0.09 MPa/m，大于0.06 MPa，不满足《煤矿防治水规定》安全开采的要求。

2.2 试采区区域治理实施方案

在地面施工定向水平钻孔，以大青灰岩含水层为目的层，进行区域水文地质条件探查及全面预注浆加固治理，完成查明水文地质条件、改造大青灰岩含水层、封堵奥灰导水通道的基本任务。为井下巷道安全掘进奠定良好基础后，再在井下巷道掘进中进行物探和施工部分。本次治理范围南北长约1 200 m，东西宽约360 m，水平面积约432 000 m2。查明治理范围内有无隐伏导（含） 水构造，封堵导水通道，加固山青煤底板隔水层，将大青含水层改造成弱含水层或相对隔水层，使深部山青煤底板完整性和阻隔水能力进一步提高，为实现安全带压开采奠定基础。

地面水平定向钻进技术施工技术要求如下。

（1） 层位控制。注浆加固治理目的层选择大青灰岩含水层，采用自然伽玛、钻压、扭矩、泥浆压差、涡轮转速等工程地质参数以及岩粉鉴定等综合手段判定、控制层位，每10 m 测定1 个轨迹和层位数据点，目标层钻遇率应大于90%。

（2） 水平孔间距40 m 南北向平行布置，其中北部9 个，南部9 个。对覆盖范围内煤层底板大青灰岩含水层进行全面注浆改造加固。钻孔轨迹是动态的，施工时应根据现场情况适时进行调整，具体施工时应根据调整的钻孔设计坐标控制钻孔轨迹，采用无线随钻定向钻井技术进行钻孔轨迹控制，造斜段钻孔轨迹与设计轨迹误差不大于5 m，关键落点误差不大于1.5 m。水平分支孔保证目标层钻遇率不小于90%，与钻孔设计轨迹误差不大于5 m，关键落点误差不大于2.0 m。注浆后扫孔轨迹与原轨迹偏差不大于10 m，但钻孔间距应符合设计要求。

（3） 注浆参数控制。采用GZ-2000 自动化高速涡流自动配比制浆系统，实现了浆液自动配比、自动计量、数据在线监测，保证正常顺利注浆。

（4） 采取“遇漏则注”原则，出现漏失后分析判断层位，确定漏失原因。施工时要及时观测钻井液消耗量，钻井过程中遇孔内钻井液消耗量≥5 m3/h 时，应起钻注浆；当钻井液消耗量＜5 m3/h时，每钻进100～150 m 进行一次注浆；特殊层段如构造破碎带可适当增加注浆次数。注浆前应充分洗孔后进行高压压水试验，根据试验结果，确定注浆参数。

（5） 做好施工过程中水文地质观测和判层工作，发现水文异常应及时进行分析。

（6） 注浆过程中如遇裂隙较发育，注浆量大的情况，可采取注骨料或使用粉煤灰等作为辅助注浆材料，或采取专门措施。

3 施工效果

孙庄矿12661 试采工作面深部山青区域治理工程竣工后，对完成的水平分支孔注浆覆盖范围内进行了井下验证工作。根据已完成的井下验证孔资料分析，与治理前相比，大青含水层涌水量明显变小，涌水量降至10 m3/h 以下，区内山青煤底板隔水层完整性和阻水能力全面提高，满足突水系数小于0.1 MPa/m 要求，治理效果良好，符合相关规定要求。

12661 试采工作面深部山青区域治理整体工程完成后，可解放山青煤25.2 万t，每吨煤增加成本约157.8 元。2018 年矿井吨煤完全成本500 元，预计市场售价为750 元/t，地面区域治理工作完成后可采出原煤25.2 万t，区域治理后吨煤成本预计为657.8 元，预计可盈利达到2 323.44 万元。

4 结 语

该工程为首次尝试解放深部薄煤层、薄隔水层，为深部薄隔水层注浆加固与薄含水层注浆改造的大型工程实践。项目综合以往大青灰岩突水防治的成功经验，在地面水平孔施工的设计参数、施工工艺等进行探索，形成了一套针对大青、奥灰水双重水害治理的防治水技术路线，总体经济效益可行，为后续深部山青开采和河北省南部受奥灰水威胁的“下三层”煤开采提供借鉴经验。