以地面区域水害治理作引领

以“地面区域水害治理”作引领为矿井安全高效生产保驾护航焦作煤业（集团）有限责任公司赵固一矿2021年4月目录TOC\o"1-3"\h\u18785一、矿井基本情况 以“地面区域水害治理”作引领为矿井安全高效生产保驾护航尊敬的各位领导：大家好！赵固一矿地面区域水害治理是在迫于无奈情况下实施的。矿井自建井投产以来，共发生底板突水35次，仅采用井下底板注浆加固及改造技术，不能满足矿井安全高效生产需要。2016年6月实施地面区域水害治理工程以后，未再发生底板突水，实现了安全平稳发展，经济效益大幅度提升。几年来，在地面区域水害治理工程实施过程中，河南煤监局及豫北分局领导多次深入现场，帮扶指导水害治理工作，提出了诸多宝贵意见及建议。今天，河南省煤矿水害地面区域超前治理技术推进会的召开，搭设平台让我们与各位领导、专家进行交流，必将对地面区域水害治理工作起到积极推动作用，共同提升水害治理水平。值此，我谨代表赵固一矿对各位领导、专家的到来表示热烈欢迎！对多年来关心、支持赵固一矿地面区域水害治理工作的河南煤监局、豫北分局等领导、专家表示衷心感谢！下面，由我向各位领导、专家汇报赵固一矿地面区域水害治理工程开展情况，不足之处，敬请指正。一、矿井基本情况（一）矿井概况赵固一矿位于焦作矿区东部，太行山南麓，隶属辉县市管辖，井田含煤面积43.77km2，总资源储量3.73亿t,剩余可采储量1.27亿t。矿井于2005年6月19日开工建设，2009年5月10日正式竣工投产，矿井设计生产能力240万t/年，核定生产能力300万t/年。矿井采用立井单水平盘区式开拓，采煤方法为分层开采和放顶煤开采，采煤工艺为综采。主采山西组二1煤，煤层平均厚度5.29m。矿井属低瓦斯矿井，绝对瓦斯涌出量为5.30m3/min，相对瓦斯涌出量为1.13m3/t；煤层为Ⅲ类不易自燃煤层，煤尘无爆炸危险性。矿井水文地质类型极复杂，预计正常涌水量2377.36m3/h，最大涌水量2971.7m3/h。通过井上下联合水害治理，目前实际涌水量约950m3/h。（二）矿井地质及水文地质概况矿井属第四系、新近系全掩盖区，松散层厚（厚度366.7～808.1m），二1煤层埋深大（深度410～870m）。井田总体构造形态为一走向北西、倾向南西，倾角2～12°的单斜构造，构造特征以断裂为主，局部发育小幅度褶皱，区域断层由西北向东南将井田切割为阶梯状长条形断块。井田范围内共有7个主要含水层及5个主要隔水层（见图1）。含水层自上而下分别为：第四系含水层，新近系中部～底部砂、砾石含水层，基岩风化带含水层，二1煤层顶板砂岩含水层，太原组中上段灰岩（L8）含水层，太原组下段（L2）灰岩含水层，奥陶系中统马家沟组灰岩（O2）含水层。隔水层自上而下分别为：新近系泥、泥质隔水层，二叠系下统山西组小紫泥岩隔水层，二1煤层底板砂泥岩隔水层，太原组中段砂泥岩隔水层，本溪组铝质泥岩隔水层。1.主要含水层对开采的影响二1煤层顶板各含水层对开采的影响：根据矿井地面及井下几千个顶板探查钻孔资料分析，赵固一矿位于古河床“岸滩”，井田范围内大部分区域煤层顶板基岩以上直接覆盖有厚度5m以上的粘土层，可有效阻隔顶板以上冲积层含水层水进入采场；顶板砂岩及基岩风化带含水层富水性弱，一般不会对矿井形成危害。二1煤层底板各含水层对开采的影响：太原组L8灰岩含水层岩溶裂隙较发育，连通性好，富水性强，水压高（2.5～5.5MPa），且与二1煤层底板间距小（18～40m），为二1煤层直接充水含水层（矿井水害治理主要目标层）；太原组L2灰岩和奥陶系O2灰岩含水层岩溶裂隙发育，富水性强，水压高达6.0MPa以上，为矿井间接充水水源，在构造破碎带区域，对矿井安全生产威胁程度较大。图1二1煤层与主要含、隔水层上下关系示意图2.地质构造对开采的影响矿井地质构造复杂，目前已发现断层418条、褶皱13个。构造破坏了煤层底板完整性，降低了煤层底板隔水层阻水性能，形成导水通道，采掘过程中在水压、矿压共同影响下极易引发突水。综上所述，煤层埋深大、水压高、地质构造复杂、底板隔水层薄是矿井水文地质条件的显著特征，水害防治难度大、投入高、治理时间长，严重影响和制约矿井安全高效生产。二、实施地面区域水害治理工程的必要性（一）历史突水事故教训惨重矿井自2005年6月建井至今，共发生底板突水35次，主要突水水源为L8灰岩。其中掘进工作面底板突水26次，水量＞600m3/h的突水2次（均为断层滞后突水），60m3/h＜水量≤600m3/h的突水5次（断层滞后突水4次），水量≤60m3/h的突水19次（断层滞后突水13次）。采煤工作面底板突水9次，60m3/h＜水量≤600m3/h的突水4次（断层突水3次），水量≤60m3/h的突水5次（断层突水4次）。总体上，以掘进工作面突水居多，占总突水次数的74.3%，且多次为断层滞后突水。掘进工作面比采煤工作面底板突水多发的原因是：采煤工作面回采前实施了底板注浆加固及改造；掘进工作面除在构造带实施注浆加固外，其余区域没有、也无时间进行超前探查工作。——2015年2月24日，16011上顺槽施工至通尺1049m时揭露1条正断层（落差4.3m），5天后发生了断层滞后突水，最大突水量达1100m3/h，造成西翼运输大巷-565m以下巷道淹没，北翼4个掘进工作面停掘，西二盘区12051工作面停产，北翼盘区投产滞后2年，突水点封堵费用高达1500万元以上，矿井当年产量较计划欠产约100万t。——2015年4月～8月，11251上顺槽掘进期间先后揭露3条正断层（落差2.0～3.0m），均发生了断层滞后突水（水量分别为60m3/h、250m3/h、300m3/h），致使11251工作面掘进工期延长6个月。（二）前期底板水害治理采取主要措施在未实施地面区域水害治理前，矿井主要采用井下底板注浆加固及改造、断层立体注浆加固等技术手段进行底板水害治理。一是掘进工作面对三维地震解释断层进行超前预注浆加固；巷道揭露小断层后停止掘进，对断层进行注浆加固。二是在采煤工作面回采前，通过实施底板注浆加固及改造工程，将底板L8灰岩含水层改造为隔水层，对煤层底板下一定深度范围内导水裂隙进行充填加固，隔断深部导水通道。（三）底板突水主要原因分析1.井下常规钻进是一种类似“纳鞋底”的点接触钻进方式，钻孔揭露含水层距离短，虽然井下施工了大量的注浆钻孔，但仍有钻孔错失揭露导水裂隙的现象。2.井下巷道距含水层近，注浆期间巷道易发生底鼓、变形等情况，故注浆压力低、浆液扩散半径小，在水文地质条件复杂区域不易充实导水通道，影响注浆效果。3.构造发育区域井下钻孔施工过程中塌孔、抱钻现象严重，套管受挤压变形、断裂现象多，注浆期间巷道极易出现底鼓、漏浆等情况，注浆加固效果不佳。4.井下注浆加固工程投入人员多、效率低、施工工期长。以一个开采面积15万m2的采煤工作面为例，井下底板水害治理工期长达29个月，其中掘进巷道超前探工期24个月（一次超前探查工程最大控制距离90m，工期约20天，单进仅90m/月）、底板注浆加固及改造工期5个月，导致出现边回采边加固现象，防治水工程预留时间不足，影响治理效果。赵固一矿开采至今，底板水害事故多发，严重制约矿井安全高效生产。面对历次底板突水事故，尤其是2015年16011上顺槽底板突水事故的发生，我们痛定思痛，深刻认识到水害治理效果直接关系到矿井的存亡，影响着企业的兴衰。只有解放思想，走出去、请进来，引入先进的水害治理理念、技术，从源头上进行根本性治理，安全才有保障，企业才有效益。三、地面区域水害治理工程开展情况（一）高度重视，提高认识为彻底解决水害这一制约矿井安全高效发展的难题，2015年，由焦煤集团主要领导亲自带队，组织相关人员到冀中能源学习借鉴先进的地面区域水害治理经验及做法，多次组织召开专题会议，进行可行性论证分析，研究制定方案，快速推动地面区域水害治理工作全面开展。（二）引进队伍，实践锻炼2016年6月，引进了地面区域水害治理专业化队伍（北京大地高科煤层气工程技术研究院），对矿井11291工作面（发育断层21条、褶皱2个）首次实施了地面区域水害治理工程，该工程于2017年12月施工结束，工作面采掘过程中均未出现底板突水。同时，焦煤集团充分认识到开展地面区域水害治理的必要性，积极培育了企业内部的地面区域水害治理专业化队伍（神龙水文地质工程有限公司）。该队伍近4年在赵固一矿西六盘区成功实施了5个采煤工作面的地面区域水害治理工程，均实现了安全回采。（三）探索技术，优化工艺矿井探索实施了地面长距离定向水平分支孔技术。即：利用千米钻机在地面施工垂直孔，然后造斜进入灰岩含水层一定深度变成近水平孔，灵活地对治理目标层进行多方位控制和充分揭露，从而达到“治本”的目的。1.参考井下钻孔资料，合理确定技术参数通过分析研究矿井前期井下钻孔注浆资料，参考多年来焦煤集团的水害治理经验，确定了地面区域水害治理的浆液扩散半径（30m）及注浆终压（10MPa），为地面区域水害治理工程设计提供了依据。2.精细分析地层资料，精确掌控钻孔轨迹针对11291工作面底板L8灰岩含水层较薄（厚度6～8m），地面定向钻孔施工中易出目标层的难题，矿井通过对工作面地质资料进行精细分析，根据工作面构造及地层起伏变化，首先，绘制钻孔轨迹设计图，随钻上图，时刻掌握轨迹与地层之间的关系。其次，利用随钻测量仪和伽玛数据实时分析钻孔处于L8灰岩的相对位置，及时纠偏，有效保证钻遇率。图2地面长距离定向水平分支孔平面布置示意图图3地面长距离定向水平分支孔剖面示意图3.合理优化注浆工艺，提高钻孔注浆质量针对地面区域水害治理工程前期制浆效率低、浆液质量差、设备易损坏等问题，矿井严格督促施工单位，严把工程质量关。通过更换注浆泵、增加密度传感器、压力传感器、流量记录仪等设备，注浆量由原100m3/日提高至500m3/日，使注浆工艺更加科学，注浆流程更加规范，注浆质量更有保障。（四）固化路线，构建体系通过近5年地面区域水害治理工程的成功实践，在不断总结、提炼的基础上，确立了“井上下联合治理、超前治理”水害治理理念，固化了“地面区域超前治理，井上下联合治理，井下物探、钻探验证，异常现象注浆补强”水害防治技术路线，形成了具有赵固一矿特色的水害治理体系，促进了矿井顺利接替及可持续发展，为实现安全高效生产保驾护航。四、地面区域水害治理工程实施效果地面区域水害治理实现了“先治后掘”及探治与掘进分离，保证了水害治理效果，解决了采掘接替紧张问题。实现了“不掘突水头、不采突水面”安全开采目标。具体效果体现为“四提高、两减少”：（一）巷道掘进效率明显提高自实施地面区域水害治理工程后，巷道掘进期间不再进行井下超前注浆加固，仅进行物探查异、有异钻探验证，真正实现了安全、快速、连续掘进，有效解决了井下超前探注制约巷道掘进效率的难题。（二）水害治理效果明显提高11291工作面水文地质条件极为复杂，煤层底板裂隙极其发育，井下治理难度大，效果难以保证，未实施地面区域水害治理前该工作面未列入矿井回采范围，通过实施地面区域水害治理以及治理效果分析，经过巷道掘进检验，发现煤层裂隙被注浆材料填充密实，且固结良好（图4），经分析论证，达到了水害治理预期目的，能够保证安全回采，该工作面才列入矿井开采计划，回采期间未发生底板突水，实现了安全回采。图411291工作面采掘过程中提取的样本（三）断层探查精度明显提高矿井北翼盘区构造复杂，地面区域水害治理工程主孔多布置在区域断层（F15及F25断层）的北侧，钻孔过断层时兼顾三维地震断层探查，对断层参数进行精准探查，验证查明了4条落差10～220m的三维地震断层位置，对断层位置进行了纠偏，另探查发现了2条落差10～20m的隐伏断层。在治理区域采掘活动中未发现新的断层，验证了钻探探查成果，有效防止了巷道掘进误揭区域大断层，为合理调整接替盘区设计提供了可靠地质资料。（四）水害治理效率明显提高以11251（未实施地面区域水害治理）与16031工作面（实施了地面区域水害治理）为例进行对比（两个工作面参数及水文地质条件基本一致），11251工作面井下治理工期24个月；而16031工作面井下治理工期仅12个月，有效解决了水害治理工程与工作面回采之间相互制约的矛盾。（五）井下大水钻孔数量明显减少以11251（未实施地面区域水害治理）与16031工作面（实施了地面区域水害治理）为例进行对比，11251工作面井下每11个钻孔中就有1个水量＞30m3/h钻孔（L8灰岩含水层）；而16031工作面井下每256个钻孔中才有1个水量＞30m3/h钻孔（L8灰岩含水层），减少井下大水钻孔的同时，降低高承压水钻孔施工安全风险。（六）井下治理工程注浆量明显减少以11251（未实施地面区域水害治理）与16031工作面（实施了地面区域水害治理）为例进行对比，11251工作面井下注干料6.5万t；而16031工作面井下注干料1.4万t，较11251工作面减少5.1万t。截止目前，矿井已对17个采煤工作面及北翼三条大巷实施了地面区域水害治理工程，共完成22个主孔、89个分支孔，钻探进