奥灰区域探查与超前治理技术在棋盘井煤矿的实践与应用

刘 恺

（国家能源集团内蒙古煤焦化公司煤炭管理部，内蒙古鄂尔多斯 016000）

我国煤矿资源非常丰富，是我国能源的主体部分，占一次能源的70%左右。在未来一段时间内，煤炭作为主要能源的形式仍然难以改变[1]。要使社会生产顺利运行，煤矿持续正常化供应是前提，因此，确保煤炭安全高效生产是影响社会发展的一个重要因素。其中，煤矿发生透水事故是造成煤矿灾害的主要方式，因此，要治理煤矿水灾是是煤矿安全生产的重要环节。根据现有资料统计，全国95%的煤炭来源于地下开采，经常遇到矿井水灾害，严重制约了煤炭开采的进度，同时严重威胁着员工的生命安全和财产安全[2]。因煤矿水灾导致员工死亡数在煤矿灾害中居第二位，发生次数方面是第三位[3]。近10 年来，矿井中出现了17 例死亡超过30人的突水事故，共造成857人死亡；死亡超过50 人的突水事故8 例，总计526 人死亡；2021 年山西一煤矿发生透水事故，导致21人被困。目前，矿井水灾防治工作仍面临严峻和复杂的局面[4]。近五十年来，国外煤矿防治水技术有了很大的发展，含水层预先疏干降压方法逐渐代替被动排水，在煤矿防治水发展趋势中占有主导地位，围绕这种主动防治水方法，发展了相应的钻探，排水新技术。同时由于煤矿排水量逐年增大，如何充分利用矿井水问题，已成为煤矿的重要课题。作为煤矿防治水的重要辅助措施，堵水截流方法也有了很大的发展，出现了很多的新技术[5]。疏干降压前苏联及欧美将疏干降压统称为疏干，降压疏干是顶板及煤层本身含水层的疏干，及底板含水层的降压。目前，国外疏干方法主要采用主动防护法，即采用地面垂直钻孔，以水泵预先疏干[6]。目前国内常见的带压开采技术包括底板改造、疏降奥灰、改造奥灰、特殊开采等技术[7]。底板改造技术适用于煤层底板有薄层灰岩强含水层且其与下伏奥灰有水力联系的矿区，国内肥城、焦作、皖北、邢台等矿区均采用该技术进行带压开采，目前该技术使用比较普遍[8]。疏降奥灰适用于奥灰水文地质条件特殊的矿区，如矿井奥灰水文地质单元相对独立封闭、补给条件差的矿区，开滦赵各庄矿、单侯矿和邢台章村矿采用该技术进行带压开采，但国内疏降奥灰的矿区总体较少[9]。改造奥灰适用于加固底板仍然无法满足安全隔水层厚度要求的矿区，直接改造奥灰含水层顶部，变含水层为隔水层，增加隔水层厚度及强度。该技术适用于煤层距离奥灰顶面的距离小，及奥灰水存在原始导高的矿区[10]。特殊开采包括减少工作面斜长、减小空顶距、充填开采或强制放顶以进行带压开采，国内许多高水压高突水系数的矿井采用特殊开采方法，如邢台东庞矿采用减少工作面斜长的带压开采方法，该矿下组煤的工作面斜长约为70m。为了有效地治理奥灰水，确保煤矿安全生产，本论文重点采取了奥灰区域探查与超前治理技术来治理棋盘井煤矿的奥灰水的威胁，收到了较好的效果。

1 矿井概况

国家能源集团棋盘井煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市鄂托克旗棋盘井镇。该矿含可采煤层6层，其中9#和16#煤层为全区可采煤层。区内煤层平均倾角5°，斜立井混合开拓方式，其中主井、斜井为进风井，棋盘井东回风立井为回风井，2021年由中煤科工集团重庆研究院有限公司鉴定矿井的绝对瓦斯涌出量为7.2min/m3，相对瓦斯涌出量为2.9m3/t，矿井属低瓦斯矿井。该矿井底车场位于01采区南侧，东与主斜井、副斜井和回风斜井相接，西与16#煤辅助运输大巷、胶带运输大巷和回风大巷相连，本次治理区主要为井底车场范围，同时兼顾II011601 工作面和16#煤三条大巷，为此尽可能地让水平定向钻孔向前延伸，扩大治理区域范围。

2 分析问题

2.1 井田奥灰水文地质条件分析

棋盘井井田奥陶系灰岩含水层厚度较厚，上部100m 较富水，岩性为深青色灰岩，单位涌水量平均q=0.025~4.687L/(s·m)，渗透系数K=0.1043~4.656m/d，水质类型为Cl·SO4-Na 型水，矿化度2.60g/L，总硬度622mg/L，pH值7.95。奥灰含水层富水性不均一，局部富水性极强，如水文补勘施工的井下O 观1孔，施工至16#煤顶板处即开始出水，终孔水量达220m3/h；16#煤巷道掘进期间，胶运大巷2J1-2 号探放水孔钻进至139m时（垂距距16#煤底板18.30m）即发生涌水，水量达108m3/h。

此外区域整体上分析，井田构造控水规律性较强。首先，桌子山煤田岩溶陷落柱整体不发育，目前仅骆驼山发现一例，也为西北地区首例，由点状导水通道造成突水的概率相对较低。其次，桌子山煤田奥灰富水性受断裂构造控制明显，富水区域一般集中在东西向横张断裂构造附近，规律性较强，防治水重点明确。奥灰含水层连通性较好，目前奥灰水位＋995m，区域岩溶水补给量有限，处于超采状态，奥灰水位逐年下降如图1所示，奥灰含水层可疏性较好，煤层承受的水头压力逐渐降低，相应的带压开采危险性也逐年降低。

图1 棋盘井煤矿奥灰水位动态观测历史曲线图

2.2 奥灰突水危险性综合分析

棋盘井煤矿01 采区16#煤带压0~1.6MPa，突水系数在0~0.045MPa/m之间，突水系数由采区东北至西南逐渐加大，采区南侧井底车场及16#煤三条大巷位置突水系数为最高点。设计01采区范围内未发现落差较大的断裂构造及导水陷落柱，构造条件中等，但通过水文补勘及探放水资料，区域地质构造复杂，裂隙发育，煤层底板隔水层局部破碎，存在奥灰导升，再加上工作面回采造成的底板破坏，16#煤开采突水危险性较大。

3 奥灰区域探查与超前治理技术的实践及应用

3.1 奥灰区域探查

奥灰区域超前探查与治理。具体来讲就是利用区域奥灰水位自然疏降的有利条件，按照工作面带压程度由小到大合理规划开采顺序，采用井上、下长距离定向钻探等新工艺进行区域超前探查及治理。棋盘井煤矿16#煤的特点是煤层底板与奥灰顶面有一定间距（平均45.95m）且岩层厚度稳定，但存在破碎薄弱带，可利用此特点在井下进行隔水层注浆改造，形成稳定隔水层后再开展工作面回采工作。也可在地面对奥灰顶部加以注浆改造，将奥灰改造为隔水层段后，再开展工作面回采工作。

（1）探查范围的确定。井底车场位于01采区南侧，东与主斜井、副斜井和回风斜井相接，西与16#煤辅助运输大巷、胶带运输大巷和回风大巷相连，本次治理区主要为井底车场范围，同时兼顾II011601 工作面和16#煤三条大巷，为此尽可能地让水平定向钻孔向前延伸，扩大治理区域范围。本次治理范围编辑主体分为三个部分，第一部分为井底车场部分，东和南部以外水仓为治理边界；第二部分为II011601工作面部分，以工作面辅助运输顺槽和回风顺槽外侧30m 为边界；第三部分为16#煤大巷部分，以两侧大巷外推30m 为治理边界，初步拟定治理区面积为0.18km2，如图2所示。

图2 治理范围平面位置示意图

（2）探查的基本思路。针对待治理区水文地质条件，防治水方针以探查垂向导水通道为主，采用地面定向近水平钻孔，以奥灰顶界面以下15m 地层为主要探查层位，主要沿着奥灰顶面下方一定距离顺层钻进探查治理，揭露可能存在的垂向导水通道并注浆充填加固，改造奥灰顶部含水层为隔水层。此次井底车场底板奥灰地层探查注浆改造的基本思路如下：

钻探方面：本次设计11 分支孔，共计29 个控制点或靶点，其中主孔4个靶点，需要说明的是实际施工时，根据上一个分支孔的施工情况可适当调整下一个分支孔的靶点坐标，并且适当增加靶点，具体参数情况如表1所示。

表1 靶点坐标一览表

根据各分支孔轨迹设计参数即可绘制钻孔平面、垂面分布图，如图3和图4所示。

图3 钻孔设计平面位置图

图4 钻孔设计剖面位置图

3.2 钻探技术要求

（1）注浆孔钻进过程中要严格按照钻探规程施工，严防掉钻埋钻等钻探事故。

（2）钻孔施工中严格按照有关要求做好钻孔的简易水文观测工作。

（3）岩屑录井。第四系不捞砂样，但必须判定基岩界面，接近9#煤时，每1m 捞1 包砂样至完钻，并做好鉴定，建立地层剖面。现场整理、汇总岩屑录井表，对地层做出初步的判定和划分。

（4）钻时录井。

①间距要求：自基岩段开始，进行钻时录井每1m记录1个点，至完井。

②要随时记录钻时突变点，以便及时发现煤层，卡准煤层深、厚度等。

③尽量保持钻井参数的相对稳定，以便提高钻时参数反映地层岩性的有效性，并记录造成假钻时的非地质因素。

④必须经常核对钻具长度和井深，每打完一个单根和起钻前必须校对井深，井深误差不得超过0.1m。

⑤全井漏取钻时点数不得超过总数的0.5%，目的层井段钻时点不得漏取。

（5）钻井液录井。

①每8h做一次全性能测定；每2h测定一次一般性能（密度、粘度）。

②煤层井段或发现气体显示异常时，要连续测定钻井液密度、粘度，并做好记录。

（6）简易水文观测。

①全井钻进过程中均应做好简易水文观测记录工作。

②每次起钻后、下钻前测量一次水位（井筒液面）；每钻进2h记录一次钻井液消耗量（泥浆池液面），进入洛河组后每1h记录一次钻井液消耗量，不足1h但大于30min时也应观察钻井液消耗量。

（7）钻进过程中做好钻孔原始记录，钻探过程中如遇漏水、塌孔、缩径、掉钻等现象时，要详细记录其发生的层位、深度及量值，对换径变层等重要环节也要进行详细记录。

3.3 注浆工程实践

3.3.1 注浆站布置

（1）根据钻探工程布置的情况，需设计1 座地面注浆站，铺设注浆管路至钻孔，修建堆料场及蓄水池，单个注浆站占地约6亩。

（2）注浆站功能要求。采用散装水泥送入现场水泥罐，利用螺旋上料机将水泥倒入坑式搅拌机，在地面进行制浆。

（3）注浆站要具备储存400t 水泥/粉煤灰的能力要求，注浆站日注浆能力不低于2000m3（83m3/h）水泥浆或水泥—粉煤灰混合浆。

3.3.2 注浆材料

（1）浆液类型。本次探查治理工程采用地面注浆站造浆，通过专用输浆管路送至探查治理钻孔，水泥浆液管两趟，管径50.80mm。采用主要浆液类型为水泥单液浆，水灰比在（1∶1）~（3∶1）之间。

（2）注浆材料。

①水泥采用32.5#矿渣硅酸盐水泥，其质量应符合国家GB175-2007标准，不得使用受潮结块的水泥或过期的水泥。

②造浆用水水质须满足国家混凝土用水标准（JGJ 63-2006），其SO42-含量应小于2700mg/L，pH应大于4。

③水泥单液浆中可加入0.03%~0.05%三乙醇胺和0.3%~0.5%食盐作为早强剂。

3.3.3 注浆工艺（1）本次注浆工程采用分段下行式、孔口封闭静压注浆法进行注浆。注浆目的层位是奥灰顶部，钻探中若有漏失或涌水的其他地层，也要进行注浆。注浆采用分段下行式注浆法，孔口止浆方式为连续与间歇相结合。

（2）注浆前先进行压水，注浆中若吃浆量大，可用稠浆进行注浆或采用间歇式注浆法。若吃浆量小，可用稀浆进行注浆。

（3）单回次注浆起压等凝后，要进行扫孔再注浆，若能吃浆还需继续注浆，然后再扫孔，直至扫孔不吃浆然后继续向前钻进，如此循环式前进。

（4）注浆顺序采用插花式跳孔施工方法，先注两边孔，再注中间孔，然后再在已注浆孔之间穿插注浆。后序钻孔注浆时可对前序钻孔的注浆效果进行检查。

（5）注浆结束标准。终孔压力在不对巷道造成破坏的前提下，一般选取静水压力的2~2.5倍作为单孔终压结束标准，本次选择注浆压力为10MPa。当注浆压力达到结束标准后，应逐次换挡降低泵量，直至泵量达到60L/min，并维持30min。

3.3.4 注浆量预计

在不揭露大溶洞或陷落柱的情况下，本次区域治理注浆量按下式估算：

式中：S——注浆范围，0.18km2；

H——受注层段厚度，取值30m；

η——煤层底板岩石平均孔隙率，取值0.25%；

ξ——充填率，取值90%；

ω——浆液结石率，取值80%；

σ——流失系数，取值1.3。

把参数带入公式计算后，预计总注浆量约为14000m3。按水泥浆液平均比重为1.3t/m3来核算，共需消耗水泥10000t。

4 效果分析

（1）通过奥灰区域探查与超前治理技术的实践有效地治理了奥灰水透水事故的发生；

（2）通过奥灰区域探查与超前治理技术的实践提高了矿井的防灾抗灾能力；

（3）通过奥灰区域探查与超前治理技术的实践确保了棋盘井煤矿的安全生产；

（4）该防治水技术可以同类煤层条件下推广应用。

5 结论

基于国家能源集团棋盘井煤矿技术的得出如下结论：

（1）作为防治水工程措施（疏降、注浆堵水、加固改造、排水及配套工程）施工组织设计的技术依据；

（2）作为主体防治水工程方案的技术操作、工程量、工期和费用编制的依据；

（3）根据井底车场巷道及16#煤首采工作面掘进实际情况和前期探查情况，适时调整措施方法及工程量获得常规开采的安全保障与效率保证。