以地面區(qū)域水害治理作引領(lǐng)

以“地面區(qū)域水害治理”作引領(lǐng)為礦井安全高效生產(chǎn)保駕護(hù)航焦作煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司趙固一礦2021年4月目錄TOC\o"1-3"\h\u18785一、礦井基本情況 以“地面區(qū)域水害治理”作引領(lǐng)為礦井安全高效生產(chǎn)保駕護(hù)航尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)：大家好！趙固一礦地面區(qū)域水害治理是在迫于無奈情況下實(shí)施的。礦井自建井投產(chǎn)以來，共發(fā)生底板突水35次，僅采用井下底板注漿加固及改造技術(shù)，不能滿足礦井安全高效生產(chǎn)需要。2016年6月實(shí)施地面區(qū)域水害治理工程以后，未再發(fā)生底板突水，實(shí)現(xiàn)了安全平穩(wěn)發(fā)展，經(jīng)濟(jì)效益大幅度提升。幾年來，在地面區(qū)域水害治理工程實(shí)施過程中，河南煤監(jiān)局及豫北分局領(lǐng)導(dǎo)多次深入現(xiàn)場，幫扶指導(dǎo)水害治理工作，提出了諸多寶貴意見及建議。今天，河南省煤礦水害地面區(qū)域超前治理技術(shù)推進(jìn)會的召開，搭設(shè)平臺讓我們與各位領(lǐng)導(dǎo)、專家進(jìn)行交流，必將對地面區(qū)域水害治理工作起到積極推動作用，共同提升水害治理水平。值此，我謹(jǐn)代表趙固一礦對各位領(lǐng)導(dǎo)、專家的到來表示熱烈歡迎！對多年來關(guān)心、支持趙固一礦地面區(qū)域水害治理工作的河南煤監(jiān)局、豫北分局等領(lǐng)導(dǎo)、專家表示衷心感謝！下面，由我向各位領(lǐng)導(dǎo)、專家匯報趙固一礦地面區(qū)域水害治理工程開展情況，不足之處，敬請指正。一、礦井基本情況（一）礦井概況趙固一礦位于焦作礦區(qū)東部，太行山南麓，隸屬輝縣市管轄，井田含煤面積43.77km2，總資源儲量3.73億t,剩余可采儲量1.27億t。礦井于2005年6月19日開工建設(shè)，2009年5月10日正式竣工投產(chǎn)，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力240萬t/年，核定生產(chǎn)能力300萬t/年。礦井采用立井單水平盤區(qū)式開拓，采煤方法為分層開采和放頂煤開采，采煤工藝為綜采。主采山西組二1煤，煤層平均厚度5.29m。礦井屬低瓦斯礦井，絕對瓦斯涌出量為5.30m3/min，相對瓦斯涌出量為1.13m3/t；煤層為Ⅲ類不易自燃煤層，煤塵無爆炸危險性。礦井水文地質(zhì)類型極復(fù)雜，預(yù)計正常涌水量2377.36m3/h，最大涌水量2971.7m3/h。通過井上下聯(lián)合水害治理，目前實(shí)際涌水量約950m3/h。（二）礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)概況礦井屬第四系、新近系全掩蓋區(qū)，松散層厚（厚度366.7～808.1m），二1煤層埋深大（深度410～870m）。井田總體構(gòu)造形態(tài)為一走向北西、傾向南西，傾角2～12°的單斜構(gòu)造，構(gòu)造特征以斷裂為主，局部發(fā)育小幅度褶皺，區(qū)域斷層由西北向東南將井田切割為階梯狀長條形斷塊。井田范圍內(nèi)共有7個主要含水層及5個主要隔水層（見圖1）。含水層自上而下分別為：第四系含水層，新近系中部～底部砂、礫石含水層，基巖風(fēng)化帶含水層，二1煤層頂板砂巖含水層，太原組中上段灰?guī)r（L8）含水層，太原組下段（L2）灰?guī)r含水層，奧陶系中統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r（O2）含水層。隔水層自上而下分別為：新近系泥、泥質(zhì)隔水層，二疊系下統(tǒng)山西組小紫泥巖隔水層，二1煤層底板砂泥巖隔水層，太原組中段砂泥巖隔水層，本溪組鋁質(zhì)泥巖隔水層。1.主要含水層對開采的影響二1煤層頂板各含水層對開采的影響：根據(jù)礦井地面及井下幾千個頂板探查鉆孔資料分析，趙固一礦位于古河床“岸灘”，井田范圍內(nèi)大部分區(qū)域煤層頂板基巖以上直接覆蓋有厚度5m以上的粘土層，可有效阻隔頂板以上沖積層含水層水進(jìn)入采場；頂板砂巖及基巖風(fēng)化帶含水層富水性弱，一般不會對礦井形成危害。二1煤層底板各含水層對開采的影響：太原組L8灰?guī)r含水層巖溶裂隙較發(fā)育，連通性好，富水性強(qiáng)，水壓高（2.5～5.5MPa），且與二1煤層底板間距?。?8～40m），為二1煤層直接充水含水層（礦井水害治理主要目標(biāo)層）；太原組L2灰?guī)r和奧陶系O2灰?guī)r含水層巖溶裂隙發(fā)育，富水性強(qiáng)，水壓高達(dá)6.0MPa以上，為礦井間接充水水源，在構(gòu)造破碎帶區(qū)域，對礦井安全生產(chǎn)威脅程度較大。圖1二1煤層與主要含、隔水層上下關(guān)系示意圖2.地質(zhì)構(gòu)造對開采的影響礦井地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，目前已發(fā)現(xiàn)斷層418條、褶皺13個。構(gòu)造破壞了煤層底板完整性，降低了煤層底板隔水層阻水性能，形成導(dǎo)水通道，采掘過程中在水壓、礦壓共同影響下極易引發(fā)突水。綜上所述，煤層埋深大、水壓高、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、底板隔水層薄是礦井水文地質(zhì)條件的顯著特征，水害防治難度大、投入高、治理時間長，嚴(yán)重影響和制約礦井安全高效生產(chǎn)。二、實(shí)施地面區(qū)域水害治理工程的必要性（一）歷史突水事故教訓(xùn)慘重礦井自2005年6月建井至今，共發(fā)生底板突水35次，主要突水水源為L8灰?guī)r。其中掘進(jìn)工作面底板突水26次，水量＞600m3/h的突水2次（均為斷層滯后突水），60m3/h＜水量≤600m3/h的突水5次（斷層滯后突水4次），水量≤60m3/h的突水19次（斷層滯后突水13次）。采煤工作面底板突水9次，60m3/h＜水量≤600m3/h的突水4次（斷層突水3次），水量≤60m3/h的突水5次（斷層突水4次）?？傮w上，以掘進(jìn)工作面突水居多，占總突水次數(shù)的74.3%，且多次為斷層滯后突水。掘進(jìn)工作面比采煤工作面底板突水多發(fā)的原因是：采煤工作面回采前實(shí)施了底板注漿加固及改造；掘進(jìn)工作面除在構(gòu)造帶實(shí)施注漿加固外，其余區(qū)域沒有、也無時間進(jìn)行超前探查工作?！?015年2月24日，16011上順槽施工至通尺1049m時揭露1條正斷層（落差4.3m），5天后發(fā)生了斷層滯后突水，最大突水量達(dá)1100m3/h，造成西翼運(yùn)輸大巷-565m以下巷道淹沒，北翼4個掘進(jìn)工作面停掘，西二盤區(qū)12051工作面停產(chǎn)，北翼盤區(qū)投產(chǎn)滯后2年，突水點(diǎn)封堵費(fèi)用高達(dá)1500萬元以上，礦井當(dāng)年產(chǎn)量較計劃欠產(chǎn)約100萬t?！?015年4月～8月，11251上順槽掘進(jìn)期間先后揭露3條正斷層（落差2.0～3.0m），均發(fā)生了斷層滯后突水（水量分別為60m3/h、250m3/h、300m3/h），致使11251工作面掘進(jìn)工期延長6個月。（二）前期底板水害治理采取主要措施在未實(shí)施地面區(qū)域水害治理前，礦井主要采用井下底板注漿加固及改造、斷層立體注漿加固等技術(shù)手段進(jìn)行底板水害治理。一是掘進(jìn)工作面對三維地震解釋斷層進(jìn)行超前預(yù)注漿加固；巷道揭露小斷層后停止掘進(jìn)，對斷層進(jìn)行注漿加固。二是在采煤工作面回采前，通過實(shí)施底板注漿加固及改造工程，將底板L8灰?guī)r含水層改造為隔水層，對煤層底板下一定深度范圍內(nèi)導(dǎo)水裂隙進(jìn)行充填加固，隔斷深部導(dǎo)水通道。（三）底板突水主要原因分析1.井下常規(guī)鉆進(jìn)是一種類似“納鞋底”的點(diǎn)接觸鉆進(jìn)方式，鉆孔揭露含水層距離短，雖然井下施工了大量的注漿鉆孔，但仍有鉆孔錯失揭露導(dǎo)水裂隙的現(xiàn)象。2.井下巷道距含水層近，注漿期間巷道易發(fā)生底鼓、變形等情況，故注漿壓力低、漿液擴(kuò)散半徑小，在水文地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域不易充實(shí)導(dǎo)水通道，影響注漿效果。3.構(gòu)造發(fā)育區(qū)域井下鉆孔施工過程中塌孔、抱鉆現(xiàn)象嚴(yán)重，套管受擠壓變形、斷裂現(xiàn)象多，注漿期間巷道極易出現(xiàn)底鼓、漏漿等情況，注漿加固效果不佳。4.井下注漿加固工程投入人員多、效率低、施工工期長。以一個開采面積15萬m2的采煤工作面為例，井下底板水害治理工期長達(dá)29個月，其中掘進(jìn)巷道超前探工期24個月（一次超前探查工程最大控制距離90m，工期約20天，單進(jìn)僅90m/月）、底板注漿加固及改造工期5個月，導(dǎo)致出現(xiàn)邊回采邊加固現(xiàn)象，防治水工程預(yù)留時間不足，影響治理效果。趙固一礦開采至今，底板水害事故多發(fā)，嚴(yán)重制約礦井安全高效生產(chǎn)。面對歷次底板突水事故，尤其是2015年16011上順槽底板突水事故的發(fā)生，我們痛定思痛，深刻認(rèn)識到水害治理效果直接關(guān)系到礦井的存亡，影響著企業(yè)的興衰。只有解放思想，走出去、請進(jìn)來，引入先進(jìn)的水害治理理念、技術(shù)，從源頭上進(jìn)行根本性治理，安全才有保障，企業(yè)才有效益。三、地面區(qū)域水害治理工程開展情況（一）高度重視，提高認(rèn)識為徹底解決水害這一制約礦井安全高效發(fā)展的難題，2015年，由焦煤集團(tuán)主要領(lǐng)導(dǎo)親自帶隊，組織相關(guān)人員到冀中能源學(xué)習(xí)借鑒先進(jìn)的地面區(qū)域水害治理經(jīng)驗(yàn)及做法，多次組織召開專題會議，進(jìn)行可行性論證分析，研究制定方案，快速推動地面區(qū)域水害治理工作全面開展。（二）引進(jìn)隊伍，實(shí)踐鍛煉2016年6月，引進(jìn)了地面區(qū)域水害治理專業(yè)化隊伍（北京大地高科煤層氣工程技術(shù)研究院），對礦井11291工作面（發(fā)育斷層21條、褶皺2個）首次實(shí)施了地面區(qū)域水害治理工程，該工程于2017年12月施工結(jié)束，工作面采掘過程中均未出現(xiàn)底板突水。同時，焦煤集團(tuán)充分認(rèn)識到開展地面區(qū)域水害治理的必要性，積極培育了企業(yè)內(nèi)部的地面區(qū)域水害治理專業(yè)化隊伍（神龍水文地質(zhì)工程有限公司）。該隊伍近4年在趙固一礦西六盤區(qū)成功實(shí)施了5個采煤工作面的地面區(qū)域水害治理工程，均實(shí)現(xiàn)了安全回采。（三）探索技術(shù)，優(yōu)化工藝礦井探索實(shí)施了地面長距離定向水平分支孔技術(shù)。即：利用千米鉆機(jī)在地面施工垂直孔，然后造斜進(jìn)入灰?guī)r含水層一定深度變成近水平孔，靈活地對治理目標(biāo)層進(jìn)行多方位控制和充分揭露，從而達(dá)到“治本”的目的。1.參考井下鉆孔資料，合理確定技術(shù)參數(shù)通過分析研究礦井前期井下鉆孔注漿資料，參考多年來焦煤集團(tuán)的水害治理經(jīng)驗(yàn)，確定了地面區(qū)域水害治理的漿液擴(kuò)散半徑（30m）及注漿終壓（10MPa），為地面區(qū)域水害治理工程設(shè)計提供了依據(jù)。2.精細(xì)分析地層資料，精確掌控鉆孔軌跡針對11291工作面底板L8灰?guī)r含水層較?。ê穸?～8m），地面定向鉆孔施工中易出目標(biāo)層的難題，礦井通過對工作面地質(zhì)資料進(jìn)行精細(xì)分析，根據(jù)工作面構(gòu)造及地層起伏變化，首先，繪制鉆孔軌跡設(shè)計圖，隨鉆上圖，時刻掌握軌跡與地層之間的關(guān)系。其次，利用隨鉆測量儀和伽瑪數(shù)據(jù)實(shí)時分析鉆孔處于L8灰?guī)r的相對位置，及時糾偏，有效保證鉆遇率。圖2地面長距離定向水平分支孔平面布置示意圖圖3地面長距離定向水平分支孔剖面示意圖3.合理優(yōu)化注漿工藝，提高鉆孔注漿質(zhì)量針對地面區(qū)域水害治理工程前期制漿效率低、漿液質(zhì)量差、設(shè)備易損壞等問題，礦井嚴(yán)格督促施工單位，嚴(yán)把工程質(zhì)量關(guān)。通過更換注漿泵、增加密度傳感器、壓力傳感器、流量記錄儀等設(shè)備，注漿量由原100m3/日提高至500m3/日，使注漿工藝更加科學(xué)，注漿流程更加規(guī)范，注漿質(zhì)量更有保障。（四）固化路線，構(gòu)建體系通過近5年地面區(qū)域水害治理工程的成功實(shí)踐，在不斷總結(jié)、提煉的基礎(chǔ)上，確立了“井上下聯(lián)合治理、超前治理”水害治理理念，固化了“地面區(qū)域超前治理，井上下聯(lián)合治理，井下物探、鉆探驗(yàn)證，異?，F(xiàn)象注漿補(bǔ)強(qiáng)”水害防治技術(shù)路線，形成了具有趙固一礦特色的水害治理體系，促進(jìn)了礦井順利接替及可持續(xù)發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)保駕護(hù)航。四、地面區(qū)域水害治理工程實(shí)施效果地面區(qū)域水害治理實(shí)現(xiàn)了“先治后掘”及探治與掘進(jìn)分離，保證了水害治理效果，解決了采掘接替緊張問題。實(shí)現(xiàn)了“不掘突水頭、不采突水面”安全開采目標(biāo)。具體效果體現(xiàn)為“四提高、兩減少”：（一）巷道掘進(jìn)效率明顯提高自實(shí)施地面區(qū)域水害治理工程后，巷道掘進(jìn)期間不再進(jìn)行井下超前注漿加固，僅進(jìn)行物探查異、有異鉆探驗(yàn)證，真正實(shí)現(xiàn)了安全、快速、連續(xù)掘進(jìn)，有效解決了井下超前探注制約巷道掘進(jìn)效率的難題。（二）水害治理效果明顯提高11291工作面水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，煤層底板裂隙極其發(fā)育，井下治理難度大，效果難以保證，未實(shí)施地面區(qū)域水害治理前該工作面未列入礦井回采范圍，通過實(shí)施地面區(qū)域水害治理以及治理效果分析，經(jīng)過巷道掘進(jìn)檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)煤層裂隙被注漿材料填充密實(shí)，且固結(jié)良好（圖4），經(jīng)分析論證，達(dá)到了水害治理預(yù)期目的，能夠保證安全回采，該工作面才列入礦井開采計劃，回采期間未發(fā)生底板突水，實(shí)現(xiàn)了安全回采。圖411291工作面采掘過程中提取的樣本（三）斷層探查精度明顯提高礦井北翼盤區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，地面區(qū)域水害治理工程主孔多布置在區(qū)域斷層（F15及F25斷層）的北側(cè)，鉆孔過斷層時兼顧三維地震斷層探查，對斷層參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)探查，驗(yàn)證查明了4條落差10～220m的三維地震斷層位置，對斷層位置進(jìn)行了糾偏，另探查發(fā)現(xiàn)了2條落差10～20m的隱伏斷層。在治理區(qū)域采掘活動中未發(fā)現(xiàn)新的斷層，驗(yàn)證了鉆探探查成果，有效防止了巷道掘進(jìn)誤揭區(qū)域大斷層，為合理調(diào)整接替盤區(qū)設(shè)計提供了可靠地質(zhì)資料。（四）水害治理效率明顯提高以11251（未實(shí)施地面區(qū)域水害治理）與16031工作面（實(shí)施了地面區(qū)域水害治理）為例進(jìn)行對比（兩個工作面參數(shù)及水文地質(zhì)條件基本一致），11251工作面井下治理工期24個月；而16031工作面井下治理工期僅12個月，有效解決了水害治理工程與工作面回采之間相互制約的矛盾。（五）井下大水鉆孔數(shù)量明顯減少以11251（未實(shí)施地面區(qū)域水害治理）與16031工作面（實(shí)施了地面區(qū)域水害治理）為例進(jìn)行對比，11251工作面井下每11個鉆孔中就有1個水量＞30m3/h鉆孔（L8灰?guī)r含水層）；而16031工作面井下每256個鉆孔中才有1個水量＞30m3/h鉆孔（L8灰?guī)r含水層），減少井下大水鉆孔的同時，降低高承壓水鉆孔施工安全風(fēng)險。（六）井下治理工程注漿量明顯減少以11251（未實(shí)施地面區(qū)域水害治理）與16031工作面（實(shí)施了地面區(qū)域水害治理）為例進(jìn)行對比，11251工作面井下注干料6.5萬t；而16031工作面井下注干料1.4萬t，較11251工作面減少5.1萬t。截止目前，礦井已對17個采煤工作面及北翼三條大巷實(shí)施了地面區(qū)域水害治理工程，共完成22個主孔、89個分支孔，鉆探進(jìn)