绿色保水采煤在煤矿区域治理中的应用研究

2022-08-08姬朝辉

中国资源综合利用 2022年7期

姬朝辉

（北京大地高科地质勘查有限公司，北京 100040）

过去，我国煤矿开采忽视生态环境保护，造成含水层结构损伤、地下水位下降、河流断流等问题。针对煤矿区水环境问题，我国学者范立民系统地提出了保水采煤的科学内涵和技术规范要点，并构建了保水采煤研究的基本框架。保水采煤的科学内涵不仅包括保水采煤的适用条件、研究内容、研究方法与关键技术，还包括基于矿区水资源保护目标和保护技术的采煤工艺[1-2]。本文结合峰峰矿区九龙矿15252下块工作面，简述了该工作面保水采煤的过程及效果评价，以期促进保水采煤技术的推广和应用，实现绿色开采和区域治理。

1 保水采煤的适用条件

保水采煤适用于干旱缺水区，是针对毛乌素沙漠的富煤区提出的，对于我国西北干旱半干旱地区的煤矿都适用。对于东部地区具有生态价值的含水层赋存区，如邯郸、邢台矿区，其也具有一定的适应性。保水采煤适用于强含水层发育地区，如有中、强富水性含水层的煤矿区，适用于采煤对含水层有影响的浅埋煤层区，适用于通过规划或技术措施可以避免或降低煤对含水层结构影响的矿区[3]。保水采煤可缓解煤炭资源开采和水资源供需平衡的矛盾，以达到资源开发和水环境保护的协调统一[4]。

2 煤矿区域治理的保水采煤案例

峰峰矿区九龙矿隶属河北省邯郸市，位于太行山东麓南段，呈北北东向条带状分布。在区域水文地质单元中，九龙矿位于黑龙洞泉域。黑龙洞泉域西部山区基岩裸露，为奥灰岩溶水的主要补给区。九龙矿位于纸坊至黑龙洞泉水排泄区的下游，属于地下水向深部潜流的滞流区。

2.1 15252下块工作面概况

15252下块工作面位于九龙矿南二下部采区，地处常凝村以东530 m，地面主要为庄稼地及东武仕水库。15252下块工作面地面标高为107.9～109.2 m，井下标高为770.7～820.0 m。工作面走向长度为248～274 m，平均为261 m；倾斜长度为29～75 m，平均为62 m。

2.1.1 地质条件

九龙矿15252下块工作面范围内，地层依次为奥陶系、石炭系和二叠系。石炭二叠系为含煤地层，煤炭资源丰富。该工作面构造较复杂，煤层赋存较稳定，2号煤层厚度为3.1～3.3 m。15252下块工作面在掘进过程中共揭露2条正断层：F01断层在工作面下顺槽揭露，断层走向为54°，落差为1.2 m；DF15-2断层在工作面切眼揭露，断层走向为43°，落差为25 m，同时在工作面上顺槽揭露，断层走向为20°，落差为8 m。

2.1.2 水文地质条件

15252下块工作面布置范围内，水文地质条件比较简单，主要含水层为奥陶系灰岩含水层。奥陶系灰岩含水层与2号煤层的间距为172.5 m。该范围内奥陶系灰岩含水层动、静水储量大，一旦有断裂构造或发育的岩溶陷落柱，使奥陶系灰岩含水层形成垂向导水的条件，就会给该地区的采掘活动造成威胁。因此，奥陶系灰岩含水层为威胁15252下块工作面安全生产的主要含水层，这也是工作面下伏奥陶系灰岩含水层进行区域注浆加固的目的。

2.2 15252下块工作面区域治理

15252下块工作面区域治理范围为：上顺槽外侧204.5 m；下顺槽外侧182.2 m；切眼外侧185 m；停采线外侧188.7 m。该范围内共施工了20个分支水平孔，钻探工程量合计15 361.65 m，注浆量为15 019 t。其中，2019年在15252下块工作面施工4个分支水平孔，即注13-1、注13-2、注13-3和注13（2）-1，钻探工程量合计2 399 m（水平段），注浆量为4 260 t。

2.2.1 注13-1分支水平孔施工概况

2019年3月24日，从注6外-14分支水平孔孔深2 300 m处开始施工注13-1分支水平孔。注13-1分支水平孔钻进至孔深2 852 m（奥陶系灰岩顶面以下17 m）处终孔，验收，测水位；注水泥715 t封固分支钻孔，注浆终压为11 MPa，完孔。注13-1分支水平孔从孔深2 300 m处开分支，2 852 m处终孔，水平进尺为552 m，无漏失，封孔注水泥715 t，共注水泥715 t。

2.2.2 注13-2分支水平孔施工概况

2019年5月12日，从注13-1分支水平孔孔深2 260 m处开始施工注13-2分支水平孔。注13-2分支水平孔钻进至孔深2 260 m（奥陶系灰岩顶面以下34.5 m）处，漏失量为20 m3/h，测水位，注水泥1 080 t，注浆压力为12 MPa，注浆后扫孔，压水试压为7.5 MPa；继续钻进至孔深2 850 m（奥陶系灰岩顶面以下28 m）处终孔，测水位；注水泥485 t封固分支钻孔，注浆终压为11 MPa。注13-2分支水平孔从孔深2 260 m处开分支，2 850 m处终孔，水平进尺为590 m，漏失1次，注水泥1 080 t，封孔注水泥485 t，共注水泥1 565 t。注13-2分支水平孔位于孔深2 260 m处，地层漏失原因为奥陶系灰岩溶隙构造较为发育。

2.2.3 注13-3分支水平孔施工概况

2019年4月19日，从注6外-11分支水平孔孔深2 100 m处开始施工注13-3分支水平孔。注13-3分支水平孔钻进至孔深2 220 m（奥陶系灰岩顶面以下40 m）处，出现全漏失，漏失量为50 m3/h，测水位，注水泥865 t，注浆压力为12 MPa，注浆后扫孔，压水试压为7.5 MPa；继续钻进至孔深2 366 m（奥陶系灰岩顶面以下34 m）处，漏失量为50 m3/h，测水位，注水泥240 t，注浆终压为12 MPa，然后扫孔，压水试压为7.5 MPa；继续钻进至孔深2 852 m（奥陶系灰岩顶面以下25 m）处终孔，测水位；注水泥275 t封固分支钻孔，注浆终压为11 MPa。

注13-3分支水平孔从孔深2 100 m处开分支，2 852 m处终孔，水平进尺为752 m，漏失2次，分别注水泥865 t、240 t，封孔注水泥275 t，共注水泥1 380 t。注13-3分支水平孔位于孔深2 200 m、2 366 m处，地层漏失原因为奥陶系灰岩溶隙构造较为发育。

2.2.4 注13（2）-1分支水平孔施工概况

2019年3月1日，从注6外（2）-2′分支水平孔孔深2 690 m处开始施工注13（2）-1分支水平孔。注13（2）-1分支水平孔钻进至孔深3 195 m（奥陶系灰岩顶面以下26.5 m）处终孔，验收，测水位；注水泥600 t封固分支钻孔，注浆终压为10 MPa，完孔。注13（2）-1分支水平孔从孔深2 690 m处开分支，3 195 m处终孔，水平进尺为505 m，无漏失，封孔注水泥600 t，共注水泥600 t。

3 区域治理效果评价

3.1 工程揭露的构造和地层情况

注13（2）-1分支水平孔主孔施工过程中，揭露地层分别为第四系沉积层、二叠系石盒子组与山西组、石炭系太原组与本溪组，目的层为奥陶系灰岩含水层。在目的层钻进过程中，通过区域地质孔揭露的层间距对比分析，2号煤层与奥陶系灰岩含水层的间距为172.5 m，因此探查范围内不存在大的断层构造。发生漏失处附近的岩粉无明显变化。根据漏失点情况，裂隙发育位置主要是奥陶系灰岩顶面以下35 m左右。漏失地段经过注浆处理后，后续扫孔钻进作业中，未发现原漏失点附近再出现漏失，说明注浆封堵效果明显。

3.2 工程揭露的水文地质条件

野青灰岩含水层及伏青灰岩含水层以静储量为主，补给水源很弱，水量小，随采掘延伸和揭露逐渐疏干。大青灰岩含水层厚度为0～6 m，平均为5 m，为溶蚀裂隙含水层，岩溶裂隙不发育，富水性不均匀，局部富水性较强。在不受奥陶系灰岩含水层补给的情况下，该含水层对上覆野青煤层及以上煤层开采无影响。奥陶系灰岩含水层总厚度为500～600 m，含水层富水性强，具有巨大的动、静水储量。地面施工的分支水平孔钻孔岩屑层正常，注浆没有大的漏失点，未探查到隐伏构造，证明该区域地层稳定，构造简单，水文地质条件已探查清楚。

3.3 区域治理效果

15252下块工作面钻进过程中，地层岩屑正常，未探查到异常区域。钻孔轨迹均按照设计施工，关键落点均处于设计位置，符合设计要求。分支水平孔加固了15252下块工作面下部奥陶系灰岩含水层顶面以下20～40 m的区域，使工作面奥陶系灰岩含水层富水性进一步减弱，奥陶系灰岩顶部含水层改造为相对隔水层，确保工作面安全开采。15252下块工作面施工的分支水平孔共探查到漏失14次，注浆量在0～300 t的漏失有10次，注浆量在300～600 t的漏失有3次，注浆量在800～900 t的漏失有1次。

各个分支水平孔漏失点注浆后，压水试压均符合要求，孔与孔相互交叉或者靠近施工，相互验证，均未发现再次漏失现象。在井下对工作面漏失量较大位置进行钻探验证，未发现异常，在井下超前物探和采前物探中，漏失点位置也未发现异常，进一步验证了漏失点注浆效果。分支水平孔工程量、井身轨迹、落点坐标及落点层位均符合设计要求。各分支孔严格按设计进行施工，呈线网状布置，在施工过程中根据实际需要及时进行调整，达到探查导水构造与含水构造的目的，并对每个漏失点进行注浆，对漏失量大、注浆量大的地段进行补充验证。经验证，注浆效果明显，达到加固目的，为工作面的安全掘采奠定基础。

4 黑龙洞泉域地下水水位变化

有研究通过计算地下水位的年均下降速率，开展邯郸市黑龙洞泉域地下水超采区评价，结果表明，评价期内地下水位下降速率为0.02～9.60 m/a[5]。其中，黑龙洞泉域下游地下水排泄区下降速率稳定，均小于0.42 m/a。由于武安市玉泉岭铁矿矿井疏干水排放量较大，造成小范围的局部开采漏斗，玉泉岭铁矿及周边地下水位下降速率较大，评价期内下降速率最大达9.60 m/a，而位于峰峰矿区的郭庄、西清流监测井的地下水位下降速率分别为0.4 m/a、0.3 m/a，远远小于前者，因此煤矿开采对黑龙洞泉域水资源的影响较小，矿区保水采煤有实际效果。