以创新技术引领企业安全高效可持续发展

▊ 文/郝永军

冀中能源峰峰集团是我国最早开发利用的矿区之一，至今已有140多年的开采历史，现已发展成为以煤为主、多元发展的国有现代化能源化工集团，是中国优质焦煤和动力煤重要生产基地。峰峰矿区地质条件复杂，水、火、瓦斯等自然灾害因素多，峰峰集团本部现有7对生产矿井，其中煤与瓦斯突出矿井5对，水文地质复杂、极复杂型矿井5对，受煤层瓦斯、奥灰含水层水威胁严重，安全管理难度大。

作为一个老矿区，峰峰矿区煤炭资源逐渐趋于枯竭，剩余资源多为“三下”压煤，这严重制约着峰峰集团的安全高效可持续发展。为解决这些难题，近年来，峰峰集团不断解放思想、探索尝试，创新性地采用防治水地面区域治理技术、地面水射流径向水平破煤瓦斯治理技术和覆岩隔离注浆充填开采等先进技术，取得了一定成果，为矿井资源解放和安全高效可持续发展创造了条件。

一、峰峰矿区煤层底板复合承压含水层突水机理与立体化区域治理技术的应用实践

峰峰矿区水文地质条件极其复杂，断层、褶皱和陷落柱比较发育，煤系基底赋存有厚度达600米的强富水奥陶系灰岩，矿区煤层开采标高在-850米左右，大部分矿井开采深度超过650米，煤层底板承受奥灰岩溶水水压高达10.8～11.2MPa。

突水水源富水性特征、突水形式与特征主要表现为：含水层富水性不均一，底板突水多发生在局部连通性强的富水带；底板复合含水层结构使得设防层位上移，缩小了底板相对隔水层厚度；采动诱发的原生各形态裂隙活化，常形成采场滞后突水。

结合区域治理定向钻进技术、钻探装备与钻进工艺、定向钻探孔型组合与控制技术、水平定向钻孔长距离高压注浆等关键技术，提出“突水点定向钻一体化查治模式”“井下掘进条带区域超前补强治理模式”“井下地面超前区域治理模式”“井上下立体多层次区域治理模式”四种区域治理模式。

通过利用煤层底板复合承压含水层三维立体区域治理技术及其效果全周期立体化检测—监测技术，累计解放煤量3276.8万吨，产出煤量804.1万吨。成功解决了大采深高承压奥灰水害和煤系薄层灰岩及矿井突水点治理的技术难题，实现了深部高承压水上减水开采和无害化开采，创新了水害治理的思路和模式。

二、地面水射流径向水平破煤瓦斯治理技术的应用实践

峰峰矿区瓦斯地质条件复杂、含量丰富。解决煤与瓦斯共生资源开采和安全生产之间的矛盾，传统的方法是采用施工顺层钻孔预抽瓦斯或施工“底板岩石巷+穿层预抽钻孔+水力冲孔消突”措施，并在回采期间施工“顶板抽采巷或高位钻场+顺层钻孔”等治理瓦斯工程，这样不仅工程量巨大、费用高、治理时间长，且受生产衔接紧张、没有足够的瓦斯治理时间、人为因素等影响，导致瓦斯治理措施往往不能取得实效，从而造成严重的瓦斯灾害隐患，对安全生产构成较大威胁。峰峰集团通过借鉴现有煤层气地面开发经验，在河北省首创了地面水射流径向水平破煤瓦斯治理技术，实现了井下瓦斯地面治理。

通过地面钻孔对井下煤层进行纵深多层、横向多角度扩散，采用超高压、超长度的定向水力射孔，引导地面规模化压裂，实现压裂以井为中心在煤层水平横向360°、纵深向整个煤层厚度均匀地进行裂缝扩散，压裂规模可成倍提升。同时，采用微震监测指导压裂全过程。该技术体系的应用和实施，实现了被治理区域裂缝全覆盖无压裂盲区，瓦斯解吸和释放速度快，彻底消除了传统地下巷道瓦斯治理工艺成本高、风险高、效率低的弊端。

地面水射流径向水平破煤瓦斯治理技术特点：一是定向钻孔速度快，25分钟可达100米，水平孔眼长度为80～120米，超高压（60～150MPa）水力钻井的特点适合各种软硬度的煤层，不会出现塌孔情况。二是定向水平井组成蜂窝式立体孔结构，彻底破坏了被治理区域煤层应力结构，能顺利引导压裂方向，延伸压裂长度，扩大压裂波及范围，实现被治理煤层区域立体均质化全覆盖，消除压裂盲区，实现煤层瓦斯压力均质化、瓦斯解吸快速、渗流通道畅通。三是超高压水力钻孔形成的多层次、多方向、超长度孔眼，可使裂缝起裂，摆脱直井火药爆破射孔或定向射孔应力集中的影响。超高压水力水平射孔形成的水平长孔眼无塌孔，从而在地层深处改变了周围煤层应力状态。压裂微震监测显示，压裂裂缝沿煤层靶点，在上下纵深整个煤层和横向360°水平面上均匀地沿着超高压水力水平钻孔方向延伸，形成一个半径为80～120米、高度为5～20米的不规则立体圆柱冲击波体系。而且压裂规模成倍提升，解决了传统射孔压裂仅沿着最大应力方向扩展而造成瓦斯治理区域出现众多盲区的工艺弊端。

该项目率先在九龙矿实施，治理范围预估产煤260万吨，比传统瓦斯治理模式可节约成本7600万元，瓦斯吨治理成本仅为传统模式的1/8，年回收纯度为100%的天然气约70万立方米。截至2023年3月，九龙矿三口钻井稳定排采，1号井套压0.25MPa，全天排气360立方米；2号井套压0.55MPa，全天排气800立方米；3号井套压0.45MPa，全天排气730立方米；合计全天排采气总量1890立方米，总累计排采量119万立方米。地面抽采出的瓦斯，可压缩后出售，年创经济效益208万元；也可用于瓦斯发电，效益约300万元/年。

▎ 瓦斯抽采

三、“三下”覆岩离层注浆充填技术的应用实践

峰峰矿区“三下”压煤量大面广，“三下”采煤量占总产量的比例呈逐年增加的趋势，从2005年的30%发展到目前的60%左右。在“三下”采出量中，建筑物下采出量最大，其次是铁路下，水体下较少。从2005年协调全采技术，到2006年膏体充填开采技术，再到2020年的隔离注浆充填开采技术，峰峰集团坚持不断探索与创新，始终致力于解决“三下”压煤无法高效回收的问题。

煤层开采后自下向上分别形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带（离层区）。垮落带为煤层开采后直接垮落，垮落后岩层破碎程度巨大；裂隙带位于垮落带上方，因下部岩层垮落后而产生裂隙，裂隙较小，但导水畅通；弯曲下沉带位于裂隙带上方，受垮落带影响，离层区呈弯曲下沉状态，此状态可延展至地表，导致地表整体下沉，但岩层完整性较好，其间岩层在下沉过程中会产生离层。此技术就是在岩层弯曲下沉带离层内进行注浆，充填粉煤灰，控制地表下沉。

覆岩隔离注浆充填开采技术自2020年引入峰峰集团以来，成功地将传统村庄下条带式开采50米宽的工作面增加到150米，在不搬迁村庄的情况下实现了最大限度地回收村庄下的煤炭资源。已经在大社矿921203工作面和梧桐庄矿韦武庄村下182211工作面成功实施，减沉效果明显，其中，921203工作面采出煤炭资源16.07万吨，地表最大下沉178毫米，房屋没有出现明显损坏。182211工作面采出煤炭资源37.9万吨，地表仅下沉302毫米，房屋没有出现明显损坏。

上述创新技术在峰峰集团的成功应用，为解放呆滞资源和安全开采提供了技术保障，保证了矿井正常生产衔接，同时实现了找煤增量，为峰峰集团安全高效可持续发展提供了强大动力。