一种煤矿大采深与下组煤开采防治水综合治理方法

摘要

本发明涉及一种煤矿大采深与下组煤开采防治水综合治理方法，其步骤如下：（1）整体区域超前全面注浆封堵治理：a.地面物探；b.地面勘探，整体区域内超前全面注浆治理；（2）井下掘前“条带”超前注浆治理；（3）采区内注浆补强及相邻未采区域超前注浆治理，回采工作面掘出后，采面内用两种以上物探指导煤层底板全面注浆改造；（4）回采。本发明所提出的由以往局部多点一面一治理改为以相对独立受地质构造分割的水文地质单元或采区、阶段水平区域单元，实行整体区域超前治理防治水综合治理方法，在防止矿井突水，保护地下水环境及水资源等方面取得显著效果，极大地提高了大采深和开采下组煤矿井安全保障程度，取得了明显的环境和社会效益。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤矿大采深与下组煤开采防治水综合治理方法，属于煤矿防治水技术领域。

背景技术

几十年来，我国中、东部矿区浅部煤炭资源由于长期开采已近枯竭，大部分矿井转入深部和下组煤开采，且每年以10m～25m向下延深，截止到2013年底，全国有47对矿井采深达到1000m以深。深井和下组煤开采受高承压底板突水威胁，为煤矿安全生产带来严重危害。另外，奥灰含水层是工农业和生活用水的重要水源，矿井突水必然带来较大的地下生态环境扰动和损害,严重影响矿区及周边地下水环境和用水保障供给。因此，解决好奥灰水环境保护和深部煤炭资源安全开采问题具有重要的现实意义。

（1）  我国煤矿大采深与下组煤开采现状

a. 上组煤可采储量严重不足，但受煤系基底奥灰承压水威胁的深部及下组煤资源丰富，地质储量巨大；

b. 随下组煤多年开采，浅部资源已采完，采深加大使得突水系数将达到《煤矿防治水规定》所规定的上限；大采深矿井已无所谓明显上、下组煤之分；上组煤开采同样受高承压奥灰水的威胁；

c.  极度缺水省份，水环境及水资源保护日趋紧迫；

d. 随着下组煤开采规模逐渐增大，大区衔接非常紧张。

(2)  目前煤矿大采深与下组煤开采防治水主要方法及存在问题

a.主要方法

目前防治水工作重点实行的是“一面一探查、一面一治理、一面一评价，边探边掘、边采边探”的模式，其主要方法如下：

地面物探——地面钻探（验证物探异常区）——井下钻探、物探——掘进——异常区注浆加固——对回采工作面物探——对回采工作面注浆加固、补其阻水性——建立预警系统和应急预案——回采。

b.存在问题

① 矿井深部隐伏导（含）水构造尤其是隐伏含水陷落柱呈垂向点状形态赋存，分布无规律，发育层位低，超前探测探明难度非常大；一旦揭露或间接揭露致突水，使导水能力增强致灾害性突水。

②  以往探查和治理的重点只限于煤层底板隔水层，未及奥灰强承压含水层，限于目前的探查治理技术和手段，还不能完全避免大的突水事故。

③ 井下钻探施工存在着安全威胁问题，高压或超高压钻孔安全施工非常困难，发生出水很难控制。

④ 原有的“一面一治理”的矿井防治水方式，是一种治理在后的方式，存在突水后很难控制和生产效率低等问题。

⑤ 适合较小规模开采，不能满足较大规模开采的采区衔接要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种整体区域超前治理的煤矿大采深与下组煤开采防治水综合治理方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

本发明的方法步骤如下：

（1）整体区域超前全面注浆封堵治理

a.地面物探

在所述整体区域进行物探，根据物探结果确定垂向主孔及其相应的水平定向分支孔的数量和分布位置；所述整体区域为采区、阶段水平区域单元或受地质构造分割的水文地质单元；

b.地面勘探，整体区域内超前全面注浆治理

所述地面勘探为钻探、验证；首先在地面施工垂向主孔，然后造斜进入奥灰含水层后，再施工水平定向分支孔；在钻进中以寻找导水溶蚀溶洞、断裂构造或裂隙带；

若遇导水构造或裂隙带造成浆液大量流失，立即注浆治理；

若进入奥灰含水层未发现导水裂隙，继续施工水平定向分支孔，并查找导水构造或裂隙带，在找到导水构造或裂隙带或在钻进中有漏浆流失时，做压水试验，根据水量的大小决定注浆量和注浆浓度，然后注浆治理；

所述水平定向分支孔以“带状、羽状、网状”方式进入奥灰含水层后，以井斜大于86°方向沿奥灰含水层延伸，使原来在水平方向无联系的导水裂隙、溶洞渗流通道互相连通；

所述水平方向分支孔采用煤矿井下水平方向钻进技术或采用径向高压水射流水平定向钻进技术进行钻孔；

（2）井下掘前“条带”超前注浆治理

大采深或开采下组煤矿井掘进头前方采用直流电法及上述步骤（1）的探测方法进行超前探测，若两种探测方法在同一位置都存在低阻异常区，须采用钻探验证查明，并采用超前注浆治理后，方可继续掘进，做到“不掘突水头”；

在掘进前方加固煤层底板掩护煤层巷道掘进，首先要注浆加固一定厚度巷道底板岩层和封堵潜在的出水通道；

（3）采区内注浆补强及相邻未采区域超前注浆治理

回采工作面掘出后，采面内用两种以上物探指导煤层底板全面注浆改造，为创造相邻未采区域掘进“不掘突水头”条件，工回采工作面巷道每掘进50m开一个钻窝，煤层底板注浆加固改造范围要在本工作面设计参数基础上外延30m以上，实行全面注浆超前加固；

（4）回采。

本发明上述步骤（1）应在突水系数大于0.06MPa·m-1时实施；采用以下三种整体区域超前治理模式：

a. P≤0.06MPa ·m-1，以查找封堵出水垂向通道为主；

b. 0.06＜P＜0.1 MPa ·m-1，煤层底板全面注浆改造；

c. P≥0.1 MPa ·m-1，改造奥灰岩层顶部为相对隔水层。

本发明上述步骤（1）和步骤（2）的超前注浆量要达到总工程量的注浆量的70%以上。

本发明的有益效果是本发明提出的由以往局部多点一面一治理改为以相对独立受地质构造分割的水文地质单元或采区、阶段水平区域单元，实行整体区域超前治理防治水综合治理方法，为在大采深矿井和深部下组煤开采提供了一种切实可行的方法，在防止矿井突水，保护地下水环境及水资源等方面取得显著效果，首次在煤矿实现了“不掘突水头，不采突水面”的安全生产方式，极大地提高了大采深和开采下组煤矿井安全保障程度，取得了明显的环境和社会效益。

本发明防治水的指导原则：

（1） 整体区域超前治理防治水指导思路

a. 从局部 “通道封堵”向“全面改造”转变

在以往正常的矿井防治水中，一般通过物、钻探等手段超前探测，查出潜在的导水通道后进行封堵治理。但是在大采深高承压水头条件下，一般小型断裂构造或裂隙带都有可能形成突水通道，在目前超前探测技术还不能完全解决探明隐伏构造的情况下，应予采取区域超前全面注浆改造煤层底板的技术指导原则。

b. 由局部分散治理向整体区域超前治理转变

在大采深高承压水头条件下，为保障采掘正常接替，适应较大规模化开采的需要，要打破“一面一治理”的常规，实现更加超前主动的区域治理。区域治理一般以采区或更大区域为地质单元，以保证采掘的正常衔接。

（2）整体区域超前治理防治水指导原则及内涵

结合近十多年来邯邢矿区所发生的矿井突水大部是隐伏导水构造所致，有突水量大，隐蔽性强，不易探查的特点。以及目前邯邢矿区大采深矿井和下组煤开采的突水威胁和防探水技术还不能完全满足安全生产的现状。邯邢矿区在矿井防治水的预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”十六字指导方针的基础上，提出了“超前主动、区域治理、全面改造、带压开采”矿井防治水指导原则，其实质是区域超前查治结合，先探先治后掘采的原则。其技术内涵是在大采深高承压水头条件下，以不掘突水头，不采突水面为目标，在煤层底板超前治理方面，从一面一治理到以采区、阶段水平区域或受地质构造所分割的水文地质单元区域，甚至打破矿与矿之间界限进行区域治理。区域超前治理方式从井下转变为以地面为主，钻孔功能“探查、治理、验证”三体合一。从施工程序上，注浆治理要移到掘进之前，以实现煤层底板超前条带加固，先治后掘。采掘设计要从局部多点或采面转移到在区域治理基础上整体全面考虑。防治水探查治理目标由原来每层底板的隔水层延伸到奥灰强含水层顶部。地面区域超前治理是治本，掘前条带注浆和采面补强治理是保障。

 附图说明

图1为实施例1的15445工作面注1的垂向主孔及其一分支的6个水平定向孔的设计示意图。

图2为实施例1的掘进超前条带注浆示意图。

图3为实施例1的相邻未采工作面超前加固示意图。

在附图中，1.注1的垂向主孔，2.注1的分支，2-1~2-6.分别为1分支的1号至6号水平定向分支孔，3.巷道，4.煤层，5.钻孔，6.标志层，7.未采区域，8.已回采工作面，9.未采工作面；L1.工作面长度，L2.煤层底板加固范围，β.为已回采工作面边缘与煤层底板加固范围边缘的连线与垂直竖线的夹角。

具体实施方式

实施例1（本发明在邯郸及邢台矿区的应用）：

邯邢矿区自10多年来，先后发生过10次底板承压突水。某矿自1998年10月开采4号野青煤层开采以来，开采的4个野青工作面都发生突水，尤其以2009年1月8日作为保护层的15423N工作面采空区内发生滞后突水最为严重，突水量超过矿井最大排水能力，矿井被迫停产。根据水文观测资料及水质监测资料确定突水水源为奥灰水，突水通道为隐伏导水陷落柱，充分说明了预防煤层底板高承压奥灰含水层的重要性。采深已达到850m以深，突水系数逐步接近《煤矿防治水规定》上限（p＜0.1MPa ·m-1），因此，采取以地面治理为主，井下治理为辅方式，即采用本发明的技术方案。具体步骤如下：

（1）整体区域超前全面注浆封堵治理

a.地面物探

在所述整体区域进行物探，根据物探结果确定垂向主孔及其相应的水平定向分支孔的数量和分布位置；所述整体区域为采区、阶段水平区域单元或受地质构造分割的水文地质单元；

在地面三维地震测探的基础上结合矿井水文地质勘探资料，将奥灰岩含水层顶部峰峰组顶部作为改造目标层，注浆封堵煤层底板高承压奥灰含水层顶部各种导水通道，将奥灰顶部改造为相对隔水层。设计北翼-650m水平某二采区为单元，依据已有水文探测成果设计布孔，布置4个垂向主孔，垂向主孔间距1006m；每个垂向主孔根据浆液扩散半径和需要设计6个水平定向分支孔，原则上覆盖全区域，水平定向分支孔层位奥灰七段下部。4个垂向主孔及水平定向分支孔见图1。

b.地面勘探，整体区域内超前全面注浆治理

所述地面勘探为钻探、验证；首先在地面施工垂向主孔，然后造斜进入奥灰含水层后，再施工水平定向分支孔；在钻进中以寻找导水溶蚀溶洞、断裂构造或裂隙带。

若遇导水构造或裂隙带造成浆液大量流失，立即注浆治理。

若进入奥灰含水层未发现导水裂隙，继续施工水平定向分支孔，并查找导水构造或裂隙带，在找到导水构造或裂隙带或在钻进中有漏浆流失时，做压水试验，根据水量的大小决定注浆量和注浆浓度，然后注浆治理。

应用T200XD多功能全液压车载钻机顶驱钻进分支技术，钻机平均钻进速度0.6～2.0m/min。先施工垂向主孔到澳灰岩顶面七段（孔深971.6m）层位，再沿不同方位施工水平定向分支孔。

野青煤层底板含水层的注浆加固伴随着水平定向分支孔施工的整个过程，孔口注浆打压不低于4.0MPa，注浆材料以R32.5矿渣硅酸水泥为主，浆液出现大量流失时添加粉煤灰等作为辅助注浆材料。钻探施工的各个阶段均采用下行式分段注浆方式，即钻探施工过程中一旦浆液大量漏失就立即进行注浆加固。施工至奥灰含水层后出现钻进中漏浆量大时，在压水试验的前提下，确定注浆参数。注浆过程中发现有串浆现象采取各注浆孔联合注浆方式，上一阶段注浆结束后，注浆孔、串浆孔均应进行扫孔，以防孔堵。以终压10MPa、稳定30min和单孔吸浆量小于50L/ min作为注浆结束标准。治理中，根据钻探、注浆情况，及时反馈，不断优化设计，按浆液扩散半径设计施工另一方位水平定向分支孔，直至达到区域治理设计要求。

南翼-650m水平以下二采区治理钻孔累计进尺7434m，其中水平定向分支孔进尺5169m，最大水平钻距达836m,共探查出漏失点25个，累计注浆量77689吨。

由于水平定向分支孔以“带状、羽状、网状”的方式进入奥灰含水层后，以水平或近水平状态沿奥灰含水层延伸，能够探知所钻范围内构造的情况，并使原来在水平方向无联系的裂隙、溶洞等渗流通道互相连通，扩大了钻孔控制范围，改善了区域水文地质条件，为井下不掘突水头提供了保障。在区域超前治理基础上，以4号野青煤层回采工作面为核心，在掘前物钻探基础上，进行掘前条带注浆的治理措施，消除了突水隐患。解决了大采深矿井高承压及隐伏导水构造发育条件下，防止底板突水、保护地下水环境和生产大区衔接问题。

（2）井下掘前“条带”超前注浆治理

大采深或开采下组煤矿井掘进头前方可采用直流电法及前述长距离探测新方法进行超前探测，若两种探测方法在同一位置都存在低阻异常区，须采用钻探验证查明，并采用超前注浆治理后，方可继续掘进，做到“不掘突水头”。

在掘进前方加固煤层底板掩护煤层巷道掘进，首先要注浆加固一定厚度巷道底板岩层和封堵潜在的出水通道。邢台矿区某矿开采下组煤9号煤层，一般按注浆扩散半径20m考虑，9号煤掘进巷道要加固其下18m～20m的改造目标层本溪灰岩（厚度7.0m～9.0m）以下5m，以注浆扩散半径确定合理的超前钻探距离和煤层底板加固厚度。实体煤掘进注浆加固范围和厚度如下图2所示。

掘前注浆加固巷道底板，要坚持“见水必注”的超前治理原则指导下，对巷道前方的底板及侧向一定范围内予以注浆加固，以实现“不掘突水头”。如果，附近有断裂构造等地质异常体，必须利用已有巷道进行超前注浆治理，防止采动活化出水。当然，若是相邻采面设计沿空送巷，其所掘巷道底板隔水层已超前治理加固好了。

（3） 采区内注浆补强及相邻未采区域超前注浆治理

回采工作面掘出后，采面内用两种以上物探指导底板全面注浆改造，为创造相邻未采区域掘进 “不掘突水头”条件，工回采工作面巷道每掘进50m开一个钻窝，煤层底板注浆加固改造范围要在本工作面设计参数基础上外延30m以上，实行全面注浆超前加固。见下图3所示。以保证相邻回采面掘进“不掘突水头”。

（4）回采。