底板灰岩水地面超前区域探查治理方法研究

底板灰岩水地面超前区域探查治理方法研究

童守红

中煤能源股份有限公司新集二矿，安徽淮南 232180

摘要：煤矿开采中灰岩水地面区域探查、治理工程是个新课题，采用传统的井下钻探方法对断层的探查与治理难度较大，耗时长，并且危险性大。底板灰岩水地面超前区域探查治理技术是近灰岩水害防治新技术,该技术具有诸多优点，如探查治理时间超前、、水害隐患整体消除效果好等，该项技术值得同行借鉴。

关键词：灰岩水；区域探查；技术路线；方案

新集二矿1煤组属底板灰岩承压水上开采，开采受底板灰岩水威胁，同时隐伏垂向导水通道导通奥灰水也是制约1煤组安全开采重要因素；但受煤系地层上覆巨厚推覆体片麻岩和寒武系地层高屏蔽影响，地面三维地震勘探效果差，未能起到探明隐伏垂向导水通道的作用。因此，按照上级规定采取超前区域探查治理措施。

1 进行超前区域探查治理的必要性和可行性

1.1 超前区域探查治理的必要性

淮南矿区1煤组底板奥灰和寒灰为区域强含水层，若存在垂向导水通道，可造成突水。周边矿井存在或已揭露导水陷落柱，且发生过井巷工程接近陷落柱造成突水淹井事故。因此，垂向导水通道的发育严重制约矿区1煤组安全开采。

上世纪末新集二矿虽然开展了三维地震勘探，但早期的三维地震勘探不能进行二次精细解释，地面已不具备高精度三维地震勘探条件，未能起到探明隐伏垂向导水通道的作用。因此，垂向导（含）水通道查治制约了矿井1煤组的安全开采。

1.2 超前区域探查治理的可行性

地面超前区域探查治理技术原理：地面水平定向分支顺层钻探是指从地面垂直开孔，以一定的角度在目标层位灰岩中顺层钻进的技术，一般通过一个地面主孔施工多个定向分支钻孔，控制灰岩注浆改造范围，达到区域注浆改造的目的。

地面超前区域探查治理技术不仅在河北、河南等地成功应用，更重要的是成功应用于新集二矿2201、2301采区，根据实践结论，该技术符合矿井地质及水文地质情况，采用地面顺层钻孔进行超前区域探查治理技术能查明陷落柱及垂向隐伏导（含）水构造，有效防范煤层底板奥灰水向工作面突水的风险。因此，进行地面超前区域探查治理在技术上是可行的。

2 超前区域探查治理技术路线及总体方案

2.1 地面超前区域探查治理技术路线

地面超前区域探查治理防治水技术路线与目前井下探查治理防治水技术路线是一致的，仅探查手段改变：以“奥灰水”为防治对象，超前探查垂向导（含）水通道；采用井下长距离钻孔或地面定向分支钻孔进行超前区域探查，重点探查煤层底板相对富水区域及垂向导（含）水通道，并采取注浆加固封堵措施，工作面采掘前采用物探进一步探查、钻探验证，查治结合，先治后掘，先治后采，实现安全带压开采。

2.2 超前区域探查治理技术参数

2.2.1 钻孔间距选取

钻孔间距选取60m，选取依据：（1）区域探查治理钻孔探查垂向导（含）水通道除直接揭露外，还可根据浆液耗漏情况、注浆量判断；根据210108工作面底板注浆扩散半径试验实测数据，底板灰岩注浆扩散半径为35m，间距60m能够做到全覆盖探查治理；（2）根据矿井一期工程成果资料，2201采区实测注浆扩散半径39m，2301采区实测注浆扩散半径42.36m。（3）根据马格（magg）公式计算的理论浆液扩散半径为40～75.06m。因此钻孔间距选取60m。

为确保探查效果，采区内每个主孔的第一个定向顺层分支孔钻进期间每百米左右进行一次压水试验，其它顺层分支孔根据工程探查需要每500m进行一次压水实验，实现对构造发育区域的加密探查。

2.2.2 探查治理目的层位选取

地面超前区域探查治理目的层位选取C312灰岩（图5-2），定向分支钻孔设计沿C312灰岩中部施工；理由是：（1）满足奥灰带压开采突水系数要求；根据目前底板奥灰水位-71m～-56m，以满足突水临界值0.1MPa/m反算底板隔水层厚度最大78m，选取C312灰岩满足要求；（2）根据地面补勘及井下探查情况，C3I、C3II组灰岩水文地质条件较清楚，灰岩具弱富水性、低存储、少补给、低渗透特征，且根据《新集二矿1煤底板石炭系太原组C3II组灰岩含、隔水性评价》项目研究结论，C3I、C3II组灰岩可作为相对隔水层使用，继续探查治理C3I、C3II组灰岩意义不大，因此选取C3Ⅲ组灰岩为探查治理层位；（3）C312灰岩全区稳定发育，平均发育厚度13.36m，可以保证较高的钻孔穿层率和成孔率；（4）根据目前实践成果及专家意见，选取薄层灰岩钻孔吸浆量大、扩散半径大，更利于查找垂向隐伏导（含）水通道；（5）C312灰岩顶板发育有较厚的细砂岩及3层煤线，底板为泥岩，且富含少量䗴科化石等有利于判层。

2.3 超前区域探查治理防治水总体方案

1煤组区域超前探查治理以采区为一个探查治理评价单元，超前利用地面定向分支顺层钻孔对采区底板灰岩进行超前探查，重点探查底板灰岩富水异常区域及垂向隐伏导（含）水通道，并进行注浆封堵、加固，从而实现超前区域探查治理目的。地面定向分支钻孔全部沿灰岩走向布置，钻孔布置水平间距60m，覆盖采区外围不小于60m；探查、治理目标层位选择以满足奥灰带压开采突水系数要求为依据。分采区对超前区域探查治理效果进行评价，并经评价有效后方可掘进。

工作面风、机巷、切眼、底板巷掘进期间采用瞬变电磁、地震msp等2种及以上综合物探方法进行超前循环探查，进一步探查灰岩富水异常区域及垂向隐伏导（含）水通道，并施工井下短钻孔对物探异常区及长距离定向钻孔局部注浆加固区域进行验证。综合评价区域钻探、工作面物探探查成果，以物探循环探查距离为一个单元评价工作面巷道掘进安全性。

工作面采前采用瞬变电磁、坑透等2种及以上物探方法进一步探查、验证灰岩富水异常区域及垂向隐伏导（含）水通道；并施工井下短钻孔进行验证，原则上每100m沿走向或倾向方向布置1个验证钻孔，但是针对物探异常区及长距离定向钻孔局部注浆加固区域加密布置验证钻孔。经探查、验证无异常，综合分析区域钻探探查治理及效果验证和工作面物探探查、验证成果，经评价消除底板灰岩水威胁后，进行工作面采前安全评价，工作面方可进行回采。

3 地面超前区域探查治理方案设计

3.1 垂直主孔布置条件

2401采区探查治理走向长度超过2150m，若仅布置1个地面垂直主孔，单个钻孔长至少2950m以上，以目前投入煤矿的定向钻探设备技术基本无法实现。垂直主孔位置选择的基本原则是必须确保各顺层分支孔能正常施工，且顺层分支孔能确保对2401采区及面外30m范围能做到全覆盖探查。另受采区地面水体、铁路、井下采空区影响，可供地面施工的场地极少，综合技术最合理、工程量最优、施工便利等方面考虑，在采区东、西翼两侧分别布置主孔。

3.2 顺层分支钻孔布置方式与主孔位置选择

采区受F10断层影响，构造方向基本上呈东西向，为有效揭露探查目的层垂向导含水通道，顺层分支孔轨迹应与主构造线方向垂直或大角度斜交；顺层分支孔最大长度不宜超过1600m；顺层分支孔至少覆盖工作面内及面外至少30m；2401采区地层整体倾向为NNE,地层倾角大，采区北部布孔造成顺层分支孔上行施工，施工难度大，无法保障钻孔穿层率。

根据矿井2401采区周边对应地表水体、构筑物等分布情况，经现场踏勘，结合2401采区地质及水文地质条件及上覆煤层采空区分布范围，针对2401采区地面区域治理编制设计方案并施工。

4 经济效益分析

1煤组2401采区经底板灰岩水超前区域探查治理后，预计共解放优质煤炭资源1358.5万吨，预计开采总成本费用328594万元；根据目前市场售价测算，预计销售总额547234万元，预计盈利218640万