大型导水陷落柱综合探查与阻水塞建造关键技术研究

研发起止时间：2018.1～2020.12

完成单位：晋能控股集团有限公司、中煤科工集团西安研究院有限责任公司、晋能控股煤业集团有限公司、晋能控股山西科学技术研究院有限公司

成果水平：国际领先

1 项目背景

岩溶水害一直是影响我国煤矿安全生产的主要水害之一。随着我国浅部煤炭资源逐渐枯竭，煤炭开采深度不断增大，煤矿生产受岩溶水害影响更加突出。目前，塔山矿煤层开采深度逐渐增大，带压开采程度不断增强，再加上井田断裂构造、陷落柱发育，在矿井采掘过程中发生奥灰突水的可能性越来越大，直接威胁矿井安全生产，奥灰水是矿井今后防治水工作的主要安全隐患。为了进一步提升晋能控股煤业集团矿井奥灰水害防治技术水平，提高矿井奥灰水害防治技术能力，有效指导今后矿井安全生产，有必要以塔山矿8228工作面奥灰水害注浆治理工程为示范工程，开展对晋能控股煤业集团塔山矿大型导水陷落柱综合探查与治理技术等关键技术进行分析研究，在确保矿井安全采掘生产的同时，也将为矿井防治水积累技术经验与科学数据，并形成晋能控股煤业集团矿井导水陷落柱综合探查与治理技术体系，对实现矿井今后安全生产具有重要的理论和实际指导意义。

2 研究内容

(1）收集矿井地质及水文地质资料和奥灰水害综合探查成果，进一步分析塔山矿8228工作面充水水源和导水通道。

(2）根据定向水平钻进钻速、钻液消耗量、岩屑录井、随钻测井等综合探查资料，分析研究陷落柱发育范围及空间分布特征，建立三维地质模型，并对陷落柱内部松散体胶结程度进行三维刻画分区研究，指导陷落柱治理中采取合理有效的注浆治理工艺。

(3）依据陷落柱松散体胶结特征，研究不同分区介质定向水平分支孔成孔关键技术和注浆工艺方法。

(4）依据煤层开采水文地质条件，对阻水塞立体建造技术进行研究，实现大型通道的有效封堵截流。

3 主要研究成果

（1）利用井上下物探和地面定向水平钻井探查技术，实现了对导水陷落柱空间发育范围的准确探查（图1-图3）。

图1 突水区地面三维地震探查成果示意图（左）

图2 突水区地面CSAMT探查成果示意图（右）

图3 导水陷落柱发育边界探查成果示意图

（2）根据松散体胶结不同特征，采用钻进轨迹控制技术，实现了陷落柱松散体内定向水平孔轨迹有效控制（如表1）。

表1 陷落柱松散体各分区定向水平钻成孔控制技术一览表

（3）基于地面定向水平钻等综合探查成果，利用Surpac软件对陷落柱松散体空间发育特征进行了主通道区、裂隙区和次生裂隙区分区(如图4)，为陷落柱注浆分类治理提供了依据。

图4 基于钻液漏失量陷落柱破碎体三维刻画分区图

（4）创建了陷落柱阻水塞立体建造注浆工艺分区控制技术（如表2），实现了对导水陷落柱有效治理。

表2 阻水塞建造注浆工艺控制技术一览表

4 应用效益

该项研究成果在塔山煤矿8228 工作面及8226 接续工作面成功应用，实现了对8228工作面奥灰水害的截流堵源，解放了煤炭资源，获取了大型导水陷落柱综合探查与阻水塞建造的关键技术，形成了一套适合大同矿区类似条件下导水陷落柱治理技术，项目成果为塔山煤矿奥灰水害防治积累了防治水技术经验，为大同矿区奥灰水害防治提供了重要评价依据和基础资料。

本项目于2021年4月8日通过了中国煤炭工业协会组织的专家鉴定，研究成果达到国际领先水平。