張延穎:葛泉礦煤層高承壓岩溶含水層上帶壓開采下組煤技術探索

張延穎 長期以來，在華北地區開采受奧灰水威脅的9號煤資源，一直是煤炭行業麵臨的難題，雖開采才甚眾，卻全部因遭受水害而中止。由冀中能源控股的金牛能源葛泉礦與煤炭科學研究總院西安研究院共同完成的葛泉礦東井《雙層複合高承壓岩溶含水層上帶壓開采下組煤綜合防治水技術》，使這一技術得到解決。並形成了一整套以煤層底板注漿改造為主體的帶壓開采綜合防治水技術，被專家評定為“達到了國際先進水平”。

能源意識 使創新觸角向下組煤延伸

金牛能源葛泉礦，年 設計能力為60萬噸，開采煤層為2號、2號下、5、7號、8號及9號煤層，1989年投產以來，一直在2號、2號下、5號煤層進行生產。由於地質構造,使該礦井田南翼F13斷層的東北部分抬起，構成了獨立塊段，下組煤賦存較淺，其9號煤層厚度為4.89m，儲量為892.4萬噸。下組煤距奧陶紀灰岩很近。奧陶紀灰岩為強含水層，水壓很高。開采下組煤如同在灌滿水的劣質容器上從事生產，稍有不慎，碰破容器，強大的水壓便會把礦井淹沒，其風險性極高。但強烈的能源意識和科學創新精神，卻使他們瞄準了這個極具挑戰意義的課題進行了不懈探索。
03manbetx 資料，他們發現這塊煤層距奧灰頂麵的隔水層厚度為38～55m，奧陶係灰岩水水位標高為+40m左右， -150水平煤層承受的水壓為1.9 Mpa。如果對煤層底板隔水層及本溪灰岩含水層進行注漿加固改造，並采取有效的高承壓岩溶含水層上帶壓開采下組煤配套防治水 措施，-150水平以上的下組煤即可具備高承壓岩溶含水層上帶壓開采下組煤的水文地質條件。也正是基於這些原因，金牛股份公司於2006年，投資1.49億元，在這塊煤層中新建了可年產30萬噸煤炭的葛泉礦東井,以科學的態度、攻關的精神把創新的觸角向下組煤延伸。試采區走向長約2200m，傾斜寬約1900m，麵積3.8km2。位於試采區西側的首采工作麵1192的直接充水水源為9號煤層底板下伏本溪灰岩含水層和頂板大青灰岩含水層，其中本溪灰岩含水層由於厚度較大（平均7.59m），富水性強，且與奧陶係灰岩含水層之間存在密切的水力聯係。
　　要確保試采圓滿成功,就必須在巷道掘進階段，應該對煤層底板導水通道進行精細探查；在工作麵回采前，對煤層底板隔水層及本溪灰岩含水層進行注漿加固與改造；在工作麵回采過程中，還應對底板水害及采動破壞深度進行監測。為此,該礦將首采 1192工作麵防治水工作的基本思路確定為：在巷道掘進階段，對頂板大青灰岩含水層進行合理受控疏放，對掘進頭前方垂向導水構造進行探查並對薄弱區段進行超前預注漿；在工作麵回采之前，對煤層底板進行注漿加固，補強其阻水性能。同時，對本溪含水層進行全麵注漿改造，將其改造為相對隔水層；在工作麵回采過程中對工作麵底板水害和煤層底板采動破壞深度進行動態監測,預防突水災害，實現工作麵的 安全回采。

透徹03manbetx 對首采麵進行正確評價

河北金牛能源集團葛泉礦高承壓岩溶含水層上帶壓開采下組煤的試采工作麵1192，為傾斜長壁工作麵，傾向長約400m，走向寬75m，工作麵巷道均沿9號煤層底板掘進，煤厚4～6m，傾角約10°，在工作麵巷道掘進階段，共揭露斷層9條，其中，落差在5m以上的斷層1條，落差均小於2m斷層8條，斷層發育密度約0.8條/100m，且幹燥無水。
1192工作麵采用綜合放頂煤開采工藝，頂板 管理方式為全部垮落法。1192工作麵底板至奧灰含水層的隔水岩層為由淺部向深部逐漸增大， 厚度為41～45m，其中，切眼附近為41～42m，停采線附近為44～45m。岩性以粉砂岩、細砂岩、灰岩和鋁土質泥岩為主，其中，粉砂岩、細砂岩占總厚度的75%左右；本溪灰岩厚度占總厚度的18%強；泥岩厚度占總厚度的5%左右。科學認為，這種軟硬相間具有一定厚度的隔水層結構在未受構造破壞的情況下，具有較好的阻水性能。但本溪灰岩含水層與奧陶係灰岩含水層之間的隔水層厚度最薄處僅為8m，卻很容易受構造破壞使二者發生水力聯係，使本溪灰岩含水層局部富水性增強，進而使隔水層的阻水性能下降。為 安全完成首采麵試采，他們通過鑽探和對本溪灰岩水顯示出奧陶係灰岩水的水文地質特征進行 03manbetx ，在掌握了1192工作麵9號煤底板至本溪灰岩間距為14.6-23.7m，岩層結構以粉砂岩、砂岩為主，裂隙發育程度較高，阻水性能一般，底板裂隙發育方向多為30-35°，本溪灰岩承壓水在局部地段存在原始導升高度，底板裂隙密集發育段可直接到9#煤底板等相關數據後，認為工作麵開采過程中存在有本溪灰岩水沿導水裂隙上升，並突破9號煤層底板對井巷工程充水的危險性，及工作麵本溪灰岩與奧陶係灰岩含水層之間隔水層，存在奧灰水垂向越流補給現象或其它形式的補給方式後，他們又根據1964至2002年38年奧灰水位動態觀測統計資料，及工作麵附近奧灰孔實測水位標高，以及采動對底板擾動破壞深度等方麵，對組織力量對工作麵的高承壓岩溶含水層上帶壓開采下組煤 安全評估 ，對工作麵的突水係數進行計算，在得出大部分區域相對 安全的結論後。他們又根據巷道掘進階段的井下鑽探成果，即：1192工作麵底板下伏本溪灰岩含水層與奧陶係灰岩含水層之間存在水力聯係，大多數區段本溪灰岩含水層與奧陶係灰岩含水層水位一致，本溪灰岩含水層富水性較強並普遍發育5-10m的導升裂隙。本溪灰岩含水層與9號煤層之間隔水層平均厚度隻有18m， 12m的煤層底板采動破壞深度和5m的本灰水導升高度，使得9號煤與本溪灰岩含水層之間有效隔水層厚度隻有1m，突水係數高達2MPa/m，進行 03manbetx ，認為：這種複雜的水文地質條件會嚴重威脅礦井安全，隻有通過人工幹預的方式補強隔水層的阻水性能，改造本溪灰岩含水層為相對隔水層，才能預防底板突水，實現帶壓回采。
　　也正是對首采區工作麵的正確 評價，使他們在 措施製定上有了具體而又充分的依據，也為高承壓岩溶含水層上帶壓開采下組煤奠定了堅實基礎。

嚴密組織 多管齊下進行綜合探查

　　為安全開采9號煤資源，河北金牛能源集團葛泉礦在公司領導的大力支持下，自2006年起，多種技術手段並用，分礦井上下，以三維地震探測、瞬變電磁從地麵探測工作麵的內部構造和底板隔水層構造；以直流電法、瞬變電磁、電測深、坑透和音頻電透視等方法對試采區的煤層構造、煤層底板的富水區段和巷道前方、巷道側方的富水性，及本灰、奧灰水的原始導高、已掘巷道底板的富水性進行探查，並對工作麵底板隔水層富水區段的注漿效果檢驗，較好地指導了工作麵的布置 設計及采掘過程中防治水工程技術的實施。
通過三維地震，他們成功實現了對9號煤層底板等高線及斷層位置等相關數據控製的基本準確；通過地麵瞬變電磁，他們實現了對9號煤底板到奧灰頂麵的隔水層厚度、薄弱點發育情況的圈定和本溪灰岩隔水層富水性等相關數據控製的基本準確。而在通過直流電法對巷道頂、底板浸水區段進行超前探測時，由於頂板大青灰岩含水層對探測效果幹擾和電法測量的多解性，則使局部巷道段出現了假異常。為此，他們又通過經驗積累，改善探測方法，在最終取得了理想效果後，又通過坑透對工作麵的構造發育情況進行檢驗，並印證了工作麵內部沒有發育大於1/3煤層厚度的斷層及陷落柱後，為謹慎起見，他們又通過井下音頻電透視對工作麵構造發育情況進行再次檢驗，進一步堅定了自己的信心。但高承壓岩溶含水層上帶壓開采下組煤是一項極為嚴密的 科技工作，為確保探查的準確和開采過程的安全，在首采1192工作麵的巷道掘進過程中，他們又將掘進頭前方煤層底板導水構造的探查作為防治水工作的重點，以“有疑必探，先探後掘”為原則，以“物探先行，鑽探驗證”為手段。應用綜合防探技術，在巷道掘進前，以直流電法對掘進頭前方的水文地質情況進行超前探測，並在遇到低阻異常區後，采用鑽探手段進行探查驗證，進一步查明導水構造，再以注漿加固的方式進行治理；如未遇低阻異常區，他們便以20m以上的超前探測距離正常掘進，使巷道掘進較好地處在相對安全的保護之中。而對於已成巷道的可疑段底板和側幫，他們也沒有放任不管，並堅持進行了直流電法垂向和側向雙重探測，對可疑的垂向導水構造一旦確認，即迅速進行注漿加固，進而使巷道底板及側幫的滯後突水得到有效防止。


正視困難 精確製定防治水路線

　　為將高承壓岩溶含水層上帶壓開采下組煤的風險性降到最低，並保證首采工作麵順利采出，河北金牛能源集團葛泉礦在通過對試采區9號煤首采工作麵1192進行認真的高承壓岩溶含水層上帶壓開采下組煤條件 評價後，將工作麵的防治水工作劃分成工作麵掘進前、巷道掘進、工作麵回采前、工作麵回采4個階段。並根據各個階段的具體情況，將防治水工作的側重點分別放在了下列方麵：
　　工作麵掘進前，在地麵進行三維地地震和瞬變電磁綜合勘探，並完善礦井的防排水係統。同時對頂板水進行合理疏放。在巷道掘進階段，繼續對頂板水進行合理疏放。同時采用直流電法進行超前探測，並采用鑽探進行探測驗證。得到證實後，對巷道底板進行注漿改造。在工作麵回采前，對煤層底板隔水層及本溪灰岩含水層進行全麵注漿改造，並對注漿效果采用坑透、音頻電透視、瞬變電磁進行有效檢驗，對不符合要求的地段進行補充注漿。在工作麵回采階段，對常規水文地質情況進行全天候監測，並及時預報工作麵生產過程中的出水情況。
　　防治水工作的技術路線製定之後，為確保技術工作的順利實施，他們又綜合國內外眾多資料，即：目前用於煤層底板注漿加固與改造的注漿材料主要有單液水泥漿類、水泥-粘土類、水泥-砂漿類、水泥水玻璃類、水玻璃類、砂礫石等骨料類以及有機化學材料類等，煤層底板注漿加固與改造技術一般的施工工藝為：分析與探查注漿工程的水文地質條件；注漿方案 設計；建立注漿站；施工注漿孔；注漿係統試運轉並對管路進行耐壓試驗；鑽孔衝洗與耐壓試驗；造漿注漿；觀測與記錄；注漿結束；封孔；關閉孔口閥門、拆洗孔外管路及設備；分析檢查注漿效果等12個步驟進行分析從四方麵展開了工作。即：建立完善的排水係統，以最大限度地保證礦井的排水能力；疏降為主、疏堵結合，在可控的前提下對頂板大青灰岩水進行有效疏放；有疑必探，先治後掘，對煤層底板垂向導水構造進行有效探查，並對巷道底板進行超前預注漿；先治後采，對工作麵底板潛伏導水構造進行注漿加固，並對本溪灰岩含水層進行全麵注漿改造和效果檢驗；在回采過程中對底板隔水層及本溪灰岩含水層，及煤層底板破壞深度和突水征兆進行全程的動態監測，進而使既定的防治水路線得到了有效落實。


全力推動 對煤層底板進行全麵改造

　　河北金牛能源集團葛泉礦在高承壓岩溶含水層上帶壓開采下組煤上針對9號煤 “一薄、二強、三高” 的水文地質特點，采用先進的注漿工藝、優化注漿孔布置方案，加固煤層底板隔水層，對垂向導水裂隙和構造進行封堵，補強其阻水性能；全麵改造本溪灰岩含水層為相對隔水層，對導（富）水溶隙進行封堵，有效阻隔了煤層底板下伏高壓奧灰水導升裂隙的向上延伸。

為使注漿改造取得預期效果，他們根據煤層底板的采動破壞深度，將注漿加固的目的層確定為煤層底板下10m至本溪灰岩底板下2m的含導水構造，進而使注漿目的層實現了定位準確；在對於至關重要的注漿孔布置上，他們又采用了漿液擴散半徑20m，注漿加固範圍內鑽孔終孔間距40m以下等方法。並在實際操作中，使鑽孔的裸孔段盡可能多的穿過注漿加固的目的層段，使鑽孔方向盡可能垂直於構造裂隙的發育方向，給漿液向垂直裂隙帶擴散創造條件。同時，他們還對工作麵的切眼位置、初次來壓位置、周期來壓位置，以及巷道直接底板兩側10m、停采線附近、物探異常區及構造發育區段進行了重點加固與改造。
在注漿係統選取上，他們根據東井注漿量大、注漿範圍廣、注漿時間長等實際情況，選用了具有風動下料、射流造漿、製漿過程自動跟蹤控製，粘土、水泥注漿量自動計量、注漿密度自動監測等優點，並可井上下聯合注漿的先進係統。並在工藝和流程上，應用了三階段漸進式動態注漿工藝。即：注漿封堵與充填較大的含導水裂隙；加密注漿，對第一階段尚未充填或封堵效果不理想的導水裂隙進行充填與封堵；補充注漿，對前兩階段遺漏的含導水裂隙進行封堵。同時，在注漿改造過程中他們還堅持兼顧相鄰工作麵的底板預注漿。
　　在動態分析和注漿流程的優化上，他們通過不斷積累鑽孔湧水量、初見本灰深度、注漿量等數據，針對分析結果確定下一步重點注漿區段，共施工注漿鑽孔195個，其中：前期48個，中期加密71個，後期補充及檢驗76個，鑽探總進尺12134.3m，注入水泥12915.85 t，從而使1192工作麵的底板注漿麵積達到40000m2，注漿孔密度達到205m2/孔，鑽孔平均間距達到10m左右；實現更加理想的注漿效果。
在驗證注漿效果上，他們在采用綜合檢測手段對工作麵底板進行全麵注漿加固與改造後，采用電測深和音頻電透視技術對注漿加固效果進行了檢驗，並對仍然存在的物探異常區進行了鑽探驗證，對驗證存在的注漿薄弱區段補充注漿。期間，共抽檢注漿孔個數近40%，發現單孔湧水量均小於15m3/h； 75%的區段初見本灰水深度大於15m，初見本灰水量小於3m3/h。1192工作麵的底板經過全麵改造，已較好地符合了開采條件。並安全采出後，他們又對1190工作麵的注漿工程進行優化，使底板注漿麵積達到58000 m2，注漿孔密度達到464m2/孔，鑽孔平均間距達到15m左右，並抽檢注漿孔30%。當發現單孔湧水量均小於20m3/h，80%的區段初見本灰水深度大於15m，初見本灰水量小於3m3/h後，即進入回采，目前1190工作麵已經安全回采250m。


大膽探索 形成底板注漿改造的量化指標

　 河北金牛能源集團葛泉礦在高承壓岩溶含水層上帶壓開采下組煤上，對鑽孔布置、注漿材料選擇和製漿工藝進行大膽探索，並成熟了本區9號煤層底板注漿改造的量化指標，使這一技術得到了發展。
　　在鑽孔布置上，他們以注漿孔單孔由孔口管（Ф108mm）、止水套管（Ф89mm）和裸孔注漿段（Ф75mm）組成，裸孔注漿段長度和鑽孔傾角及孔口管、套管長度在符合相關 01manbetx 的基礎上，因鑽孔位置岩性、水壓以及初見水量大小而不同，止水套管埋深在煤層底板下6~10m，終孔位置為穿過本溪灰岩底2m為鑽孔結構，並從9個方麵進行了把握。即：漿液擴散半徑20m，終孔位置間距應不大於40m；目的層為煤層底板下10m至本溪灰岩底板下2m的含導水構造；鑽孔裸孔段盡可能多的穿過注漿加固的目的層段；鑽孔方向盡可能垂直於構造裂隙發育方向；對物探異常區、斷層帶有所側重；在工作麵切眼位置、初次來壓位置、周期來壓位置、巷道直接底板兩側15m範圍內和停采線附近重點加固；鑽窩位置設在利於排水、通風、逃生和圍岩相對完整的區段；注漿鑽孔一般布置在利於施工與運輸的巷段；利用現有巷道對其兩側相鄰工作麵底板進行注漿改造降低成本。
　　在注漿材料選擇和製漿工藝上，為了保證漿液質量的穩定性、可控製性和注漿改造工程質量的可靠性，初次采用大麵積注漿工藝對煤層底板隔水層及本溪灰岩含水層進行全麵注漿改造中，采用425標號純水泥漿灌注。在首采工作麵取得經驗的基礎上逐步研究適合本區水文地質特點，選用價格低廉、易於取材的替代材料，並在地麵建成了由粘土造漿係統、水泥下料係統、製漿係統、跟蹤控製計量係統及灌注係統組成的注漿站。其中：水泥下料係統包括散裝水泥罐、調速螺旋機、壓風機、氣動閥門、電磁閥等組成，采用風動下料方式。製漿係統包括射流泵、射流造漿器、吸漿池、攪拌機等組成，采用射流造漿方式；跟蹤控製計量係統由微機、計量螺旋機、電磁流量計、轉換控製櫃等組成。由電磁流量計計量產生的信號經轉換放大後輸入微機，微機根據標定的初始參數和漿料係數確定水泥下料量，由變頻調速器調節計量螺旋機的轉速，實現漿料的自動跟蹤控製。
　　在量化指標的確定上，他們以鑽孔密度、檢查孔個數、單孔湧水量和見本灰水深度作為注漿效果 評價的量化指標，並以注漿孔密度達到450 m2/孔，鑽孔平均間距小於15m； 檢查孔個數占注漿孔個數的30%以上；檢查孔單孔湧水量小於20m3/h；80%的區段初見本灰水深度大於15m，初見本灰水量小於3m3/h進行高承壓岩溶含水層上帶壓開采下組煤量化評價，進而使底板注漿改造更好地實現了科學有效。

完善工藝 成熟煤層底板注漿改造技術

河北金牛能源集團葛泉礦9號煤層底板注漿改造技術上完善工藝和流程，並采用“動態分析法”進行效果評價，在“一薄、二強、三高”的水文地質條件下，較好地成熟了這一技術。
在注漿的工藝流程上，他們將鑽探和注漿次序分為三個階段，即均勻布孔，全麵注漿；有針對性加密注漿；檢驗和補充注漿。並在注漿材料與配比上采用純水泥漿液灌注，漿液濃度由稀到濃，結束時又略變稀，在吸漿量小於35L/min，穩定在20～30min後即掃孔下鑽進行下一孔段的注漿。注漿結束，對注漿孔予以封閉，並進行壓水試驗。為保證注漿工藝的順利實施，他們還製定四方麵技術要求。即：當注漿壓力保持不變，吸漿量均勻減少或吸漿量不變，壓力均勻升高時，注漿工作應持續下去，並不得改變水灰比；改變漿液水灰比後，如注漿壓力突增或吸漿量突減，立即查明原因進行處理；注漿前後及注漿時都必須觀測鄰孔的水量、渾濁度及水位變化情況，以判斷或發現鑽孔串漿，便於及時處理；當注漿孔段已經用到最大濃度的漿液，吸漿量仍然很大，孔口壓力無明顯上升或發生底鼓及底板裂隙漏漿時，采用間歇式注漿仍然出現吸漿量不減，壓力不升的情況下可以考慮添加速凝劑或注砂、碎石、石渣等骨料。
在注漿過程中，采用“動態分析法”對各階段單孔湧水量、本灰導升高度、注漿量變化情況進行分析，在評價與 總結上一階段注漿改造效果的同時，對下一階段注漿的重點區段、重點層段進行分析，根據分析結果適時調節鑽孔布置的位置與方向，從而使實現本溪灰岩含水層富水性變弱，單孔湧水量大幅度減少,在後期檢查孔注漿之前，整個工作麵已經沒有湧水量大於20 m3/h的鑽孔；本溪灰岩水導升高度明顯降低，75%的後期檢查孔初見本灰水深度在15m以下，初見本灰水量在3m3/h以下；單孔平均注漿量的迅速減少，水泥漿液已經占據了絕大多數儲水空間，進而為工作麵開采創造了條件。
　　綜合1192工作麵高承壓岩溶含水層上帶壓開采下組煤防治水技術的研究成果的特點：克服了本灰與奧灰之間隔水層薄；奧灰岩溶發育，巨厚、富水性極強；本灰厚度大、岩溶裂隙發育、與奧灰之間存在水力聯係，富水性較強；奧灰水壓高、突水係數高、本灰導升高等“一薄、二強、三高”的水文地質特點，通過人工幹預的方式補強隔水層的阻水性能，改造本溪灰岩含水層為相對隔水層，使1192工作麵不發生底板突水得到避免，實現了安全帶壓回采。