三元煤业四采区超前治理防治水思路探析

张 宏

（晋能控股煤业集团山西三元煤业股份有限公司，山西 长治 046000）

随着华北地区煤矿开采深度的增大及对煤层群下组煤的大规模开采，煤层开采过程中煤系基底巨厚奥陶系灰岩高承压底板突水的威胁问题也日益突出，矿区隐伏导水陷落柱、裂隙带及断层突水事故频繁发生，严重影响煤层开采安全。 此外，奥陶系灰岩强含水层是山西省乃至华北地区工农业生产及人民生活主要的地下水资源，矿井突水必然会对当地地下水环境造成扰动和污染。 因此，研究煤矿矿井水患，高效防治，对于确保煤矿安全开采及区域水环境免遭破坏具有积极意义。

1 采区水患问题概况

三元煤业四采区4302 回采工作面位于井田西南部，其东侧为四采区准备巷道，南侧为正在掘进的4306 回风顺槽，西侧和北侧为矿井边界，整体呈规则的四边形，由6 个拐点坐标连线圈定，长度8 200 m，宽度26.70 m，面积218 956 m2，开采深度标高+507～+563 m。 开采煤层为3#煤层，平均厚度8.0 m。 煤层顶部砂岩裂隙含水层主要为中～细粒长石石英砂岩，硅质胶结，裂隙发育，厚0～85.84 m，平均厚22.52。 奥陶系灰岩致密，坚硬，质较纯，局部相变为泥灰岩，裂隙发育不均，以溶蚀裂隙为主，透水性中等，厚度分布不一，东厚西薄，一般东部25～30 m，西部14～26 m。 工作面内奥陶系灰岩岩溶水水位标高+635.8～+636.4 m。 煤层底板距奥陶系灰岩顶界面124～127.766 m，工作面内3#煤层带压开采区域突水系数0.016 0～0.019 5 MPa/m。4302 回采工作面主要水源是顶板砂岩含水层水，结合工作面水文地质条件，应用地下水动力学解析法结合承压转无压完整井稳定流计算公式，对该回采工作面顶板可能涌水量进行测算[1]，具体公式如下：

式中：Q为该矿井/钻孔或工作面可能涌水规模，m3/d；K为相应地层实际渗透系数，m/d；H为工作面涌水发生后水柱高度，m，通常通过自然水位到含水层底板之间的距离表示；M为含水层出水段的厚度，m；h为疏干标高和含水层底板之间的实际距离，m；R为涌水规模测算时所引用的影响半径值，m；S为疏干水位实际降深，m，可用自然水位距离疏干标高的长度表示；r0为涌水规模测算时的引用半径，m，r0＝0.565；F 为预测区域面积，m2。

根据4302 工作面周边SY-2 水文孔顶板二叠系砂岩裂隙含水层抽水试验成果，本次涌水量预测采用井田内SY-3 号水文孔抽水试验参数，得出的4302 工作面顶板正常涌水量65 m3/h，最大涌水量以1.5 倍计，为97.5 m3/h。 常规的治理重点只限于煤层底板隔水层，并未涉及奥陶系灰岩岩溶含水层，已经无法满足煤层规模化开采下水患防治的需要。

2 采区超前防治水思路

随着三元煤业矿井采深的增大，水压不断增大，用原来制定的防治水措施治理水患，矿井出现涌突水事故难以避免，必须转变水患防治观念和思路，做到“超前治理，带压开采”。 矿井水患超前治理过程中应摒弃单纯局部治理的常规做法，转而应用以采区为治理单元，或是以受地质构造分割而具备很强独立性的水文地质单元为治理目标范围，并以煤层底板岩层为主要治理对象。

根据相关规范及文献，三元煤业矿井超前治理防治水指导的操作思路，应当结合突水系数T的实际取值范围进行采区超前防治水模式的构建[2]：当突水系数T不足0.06 MPa/m 时，则应以查找和封堵出水垂向通道为治理工作的重点；当突水系数取值在0.06～0.09 MPa/m 之间时，应以煤层底板全面注浆改造为防治水主要措施；当突水系数取值在0.09～0.10 MPa/m 之间时，必须在超前治理工作原则下改造奥陶系灰岩，并使煤层至灰岩顶面间成为完整的隔水性较强的相对隔水层。

通过采区超前防治水，在矿井上组煤开采过程汇中全面改造煤层底板，注浆改造奥灰顶部，封堵底板范围内的裂隙带、 奥灰原始导水裂隙带及导水构造，达到提升矿井抗水害安全程度的治理目的。

3 采区超前防治水方式

3.1 定向钻进超前防治

（1）防治思路

考虑到大采深矿井煤层底板承受较高的水压，或导水构造隐伏且裂隙带发育，必须通过定向钻进技术实现采区超前治理防治水。 煤矿井下定向钻进技术主要应用带弯接头螺杆钻具及不回转钻杆，钻头通过高压水驱动螺杆马达后带动回转，并通过分支孔打设增进煤层有效进尺，扩大底板注浆面，增大有效注浆孔段，全面封堵底板范围内的裂隙带、奥陶系灰岩及导水构造，通过底板加固保证煤层安全开采。 采取井下定向水平钻区域治理平面如图1 所示。

图1 采取井下定向水平钻区域治理平面

矿井定向水平钻进施工中，在井下巷道底板处以倾斜方式开孔注浆，浆液以水平或近水平的流动状态延伸渗透，使周围断层及裂隙充分连通，增强注浆改造效果，阻断煤层底板带压水联通通道，保证实现不掘突水头，不采突水面的防治水目标。

（2）防治过程

由于三元煤业四采区4302 回采工作面内奥陶系灰岩岩溶水位标高+635.8～+636.4 m，底板承压水压较大，为保证煤层开采安全，对煤层底板采用井下水平定向钻进为主+ 普通回转钻进为辅[3]的复合定向钻进技术，并对钻孔全面注浆，加固煤层底板隔水层。

采区内3#煤层可开采储量1.45 Mt，煤层层间距较小且断层切割，造成岩层对接频繁。 为此，底板注浆孔应按照全面加固原则设置并均布，避免形成加固盲区。 根据单孔注浆扩散范围确定定向钻孔间距，结合煤矿采区实际以及防治水经验，奥陶系灰岩坚固性系数在16～17 之间，采用实钻方式则会降低机械钻速，影响正常钻进。 故调整底板加固定向钻孔目标层位，采用复合定向钻进技术在煤层底板向下钻进，达到目标层位后按设计要求控制孔距及延伸轨迹，延伸底层主要为奥陶系灰岩，以达到煤底板注浆加固，形成隔水层的目的。

3.2 利用已掘工作面超前治理

（1）注浆改造的可行性

三元煤业四采区奥灰含水层分布较为稳定，但含水量并不均一，奥灰水位主要位于35～130 m范围内。 为确保大采深矿井带压开采的安全性，必须具备足够强度和厚度的隔水层。 但该采区奥灰岩顶部及各煤层间隔水层厚度不足，必须在奥灰岩顶部寻找可改造为相对隔水层的岩层。

根据地勘资料，华北奥陶系灰岩发育厚度并不一致，三元煤业四采区奥陶系灰岩厚度在480～890 m 之间，结合岩性特征，可以根据地层化石将该采区奥陶系划分为三组八段。 奥陶系和晚古生代煤系地层接触面以下存在经历了加里东期风化壳岩溶发育期的碳酸盐岩层，该岩层存在改造为相对隔水层的可能性。 三元煤业四采区奥灰八段为厚度15～50 m 的角砾岩，露头处存在明显的溶孔、溶隙被碳酸盐风化产物，即铁质、铝质黏土和沙土填充的现象，下部则主要充填着方解石、石膏、白云石等化学沉淀物。 该采区在施工井下水源井及钻孔穿过奥灰八段石灰岩期间基本无水。 结合对钻孔情况的观察，奥灰八段石灰岩岩芯内裂隙溶洞主要填充黄褐色泥质物，并紧密接触灰岩。改造后的相对隔水层厚度在10～40 m 之间，且三元煤业四采区约有74.1%的井田发育风化壳均具备改造为相对隔水层的可能性。

（2）超前治理措施

为保证防治水超前治理措施实施效果，采用三维地震+ 瞬变电磁法的勘探技术，以便实现对井田地面的全面勘探，获取清晰准确的断层、隐伏陷落柱等地质构造信息以及富水性资料。 巷道掘进前必须借助直流电法进行超前探测，保证按照前期注浆→中期加密注浆→后期补浆的流程全面注浆加固。

对高承压水进行底板超前定向钻进，以便探测巷道（侧）前方导水构造及裂隙带，每组均在掘进正前方和两侧各设置1 个孔。 为保证煤巷掘进过程的安全性，必须按照20～30 m 的范围进行注浆扩散半径控制，还应根据注浆浆液扩散半径进行钻探注浆距离、 底板可能加固深度等参数的确定。 三元煤业四采区4302 回采工作面底板超前钻终孔层为奥陶系灰岩，在实体煤巷掘进前方底板和侧面超前注浆加固如图2、图3 所示，对相邻沿空掘巷及留设小煤柱掘巷煤层底板岩层超前进行加固。

图2 实体煤巷超前注浆剖面

图3 煤巷超前注浆剖面

根据注浆加固扩散半径进行超前钻探距离及底板加固厚度等参数值的确定。 掘进开挖前应当确定超前底板注浆加固的可行范围，以掩护本煤层掘进巷道，对巷道前方底板和侧向范围进行注浆加固。 断层及陷落柱附近浆液按扩散半径15 m，其余区域浆液按扩散半径20 m，以煤层底板回采工作面掘出后为注浆加固目的层。

4 结语

本文针对三元煤业四采区提出的区域超前治理防治水理念以及“超前治理、带压开采”的防治水原则，做到先治理后掘进、先防治后采掘、不掘突水头、不采突水面，实现防治水目标，确保矿井安全生产。 采用井下定向水平钻进、注浆加固技术用于3#煤层底板岩层防治水，将煤层底板奥陶系灰岩岩溶含水层改造成相对隔水层，彻底阻隔奥陶系灰岩涌水及突水通道；充分利用井下作业面便利条件进行相邻区域涌水超前治理，对下组煤层底板进行有效改善，全面封堵底板范围内裂隙带、奥陶系灰岩原始导水裂隙带及导水构造，达到下组煤安全开采防治水的目的。