煤矿水害地面区域超前治理技术

1、煤矿水害地面区域超前治理技术推进会汇报材料焦作市神龙水文地质工程有限公司2021年4月煤矿水害地面区域超前治理技术推进会汇报材料一、企业简介焦作市神龙水文地质工程有限公司（简称“神龙地质”）始建于1955年3月，隶属河南能源焦煤集团。现有职工345人，其中工程技术人员76人，钻井设备、各类仪器及注浆设备100余台（套）。具有固体矿产勘查和岩土工程（勘察）设计、施工乙级，测绘和地质灾害防治设计、施工丙级等资质；具备煤矿地面区域水害治理、煤层底板注浆加固及改造、矿井注浆堵水、断层注浆加固、各类井型工程孔（水源井、瓦斯抽放孔、电缆孔、输浆孔、排水孔、地热井等）、岩土工程勘察、地质测量工程、矿山环境恢

2、复治理等工程的设计及施工能力。公司成立以来，一直致力于煤矿水害防治工作。曾荣获“全国科学大会奖”、“河南省科技进步奖”等多项荣誉。2020年“立体多水平分支定位孔快速封堵特大突水点技术研究及应用”项目获得中国煤炭工业科学技术奖三等奖；地面定向水平钻孔扩孔修复装置和全液压钻具卸扣装置等多项获国家实用新型专利；近年来“复杂水文地质条件下地面定向超前探查治理综合技术研究与应用”等数十个项目获焦煤集团创新创效成果奖。二、目前国内地面区域水害治理技术应用情况2013年以前，我国华北型煤田水文地质条件复杂矿区主要以地面直孔和井下穿层钻孔进行煤层底板承压水害探查与治理；2013年河北冀中能源首次将石油系统的

3、地面定向水平分支钻孔技术用于底板水害探查与治理，提出了“超前主动是核心 区域治理是基础 全面改造是关键 安全开采是目标”的区域防治水新理念和技术路线，实现了水害治理理念和技术路线的根本性突破，取得了良好的治理效果；2014年安徽两淮矿区也开展了地面区域水害治理工程。目前国内河北冀中能源、安徽两淮等矿区已大范围推广应用该技术，2016年焦煤集团在学习河北邯邢矿区地面区域水害治理理念、技术的基础上，在赵固一矿、赵固二矿、古汉山矿等矿井相继应用该技术实施地面区域水害治理工程，治理效果显著。2018年我公司将该技术应用于鹤煤十矿特大突水点（突水量达4291m3/h）封堵工程，针对突水点位置不清、地面多

4、个垂直钻孔未能查明突水通道、堵水效果不好等情况，提出了定向多水平分支钻孔的堵水方案，该方案的实施快速封堵了突水点，堵水率达98.4%。三、地面区域水害治理工程的技术原理及施工地面区域水害治理技术是指从地面垂直开孔，通过造斜以一定的角度在目标层位着陆后，沿目标层位施工多个定向顺层分支钻孔，覆盖整个治理区域。这些钻孔能够查明区域内的地质、水文情况，然后通过高压注浆进行加固及改造，把含水层改造成非含水层，把导水层改造成隔水层，有效防止水害事故发生。1.施工设备地面区域水害治理定向分支钻孔一般采用石油30、40钻机施工,配备螺杆钻具，实现钻孔轨迹可造斜、可拐弯（见图1）。图1 螺杆钻具示意图钻机配备定

5、向测控装置（无线随钻测斜仪），采用泥浆脉冲传输信号，能够实现随钻、无线测量和控制钻孔轨迹，实时掌握钻进轨迹参数，随钻纠偏。具有实时、准确、精度高的特性，可以实现定向钻进，做到“指哪儿打哪”（见图2）。钻机配备随钻伽马探管，与钻进参数实时结合，可准确判定岩层岩性，收集地层信息，确保钻孔一直在目标层内钻进。图2 无线随钻测斜仪示意图2.钻孔布置地面区域水害治理钻孔由主孔及顺层分支孔组成，一般呈“扇型”（见图3）、“鱼刺型”（见图4）等方式布置，与井下水害治理钻孔相比，分支钻孔能够一直在目标含水层内钻进，最大限度揭露目标含水层。分支钻孔孔间距一般控制在4060m范围内。一个主孔及分支钻孔一般可覆盖走

6、向长1600m、倾向宽300m左右的工作面，覆盖区域面积达48万m2。图3 钻孔呈“扇型”布置示意图图4 钻孔呈“鱼刺型”布置示意图3.钻孔结构钻孔结构一般为三级孔径、两级套管，具体结构见图5。一开孔径311mm，下入244.5mm石油套管，隔离冲积层；二开孔径215.9mm，下入177.8mm石油套管至目标层，隔离煤层、泥岩等易垮塌地层；三开孔径为152mm裸孔段，沿目标层顺层钻进，目前国内孔长可达4000m，能够满足大走向工作面加固需求。图5 钻孔结构示意图该钻孔结构可隔离煤层顶板多个含水层，防止不同层位含水层相互连通，避免顶板含水层水进入采场。4.钻进工艺根据矿井地面区域水害治理工程需要

7、，在地面建立井场，确定主孔位置，采用石油30、40钻机钻进，钻进至一开位置下入一级套管，固管候凝试压后，造斜钻进至二开位置下入二级套管，二级套管固管候凝试压后，进行顺层分支钻进，直至终孔。施工过程中通过岩屑录井（判断岩层岩性）、随钻测井（判定孔底坐标及岩层岩性）、水文观测（判定含水层水位标高及漏失量）、压水试验（验证岩层的漏失量、判定岩层的导水通道、确定岩层的可注性）等多种手段，能够实时捕捉断层、褶皱、陷落柱、溶洞、导水裂隙、导水通道等多种地质信息，获取详实的地质资料，确保地面区域水害治理工程准确可靠及加固效果，保障矿井采掘安全。5.制浆、注浆工艺在地面井场建立注浆站，采用高压水射流+粘土制浆

8、机造粘土粗浆，经沉淀、振动除砂后形成低含砂粘土精浆，粘土精浆加水泥后，经两次搅拌形成混合均匀的粘土水泥浆，采用大功率注浆泵通过钻孔通道将粘土水泥浆注入目标含水层内。该工艺具有压力高、流量大、扩散远、充填实的优点，能够极大地提高注浆效果。制浆、注浆流程见图6。6.地面区域水害治理技术原理地面区域水害治理钻孔能够沿着目标层位长距离钻进，钻孔能够最大限度地揭露目标层位的断层、褶皱、陷落柱、溶洞、导水裂隙、导水通道，施工过程中通过岩屑录井、随钻测井、水文观测、压水试验多种手段，能够实时捕捉这些断层、褶皱、陷落柱、溶洞、导水裂隙、导水通道等地质信息，通过地面高压大流量注浆，使粘土水泥浆沿着导水裂隙远距离

9、扩散，有效充填这些断层、褶皱、陷落柱、溶洞、导水裂隙、导水通道，粘土水泥浆通过高压析水作用，形成高强度结实体，充分充填上述导水通道，把含水层改造成非含水层，把导水层加固成隔水层，能够有效防止水害事故发生。高压射流粘土振动除砂装置二次搅拌水泥罐管汇射流粘土粗浆池管汇粘土精浆池一次搅拌注浆泵注浆钻孔管汇粘土制浆机管汇充填目标含水层的裂隙、溶洞等导水通道通过高压析水、压实、固结形成高强度结实体含水层变为非含水层管汇图6 制浆、注浆工艺流程图四、地面区域水害治理的优势1.设备先进、施工能力强地面区域水害治理多采用石油30、40钻机，配套F-1000、F-1300型泥浆泵施工，其相较于井下钻机具有动力强

10、、提升力大、自动化程度高、钻具组合灵活多变、安全性高、效率高等优点，能够克服顺层硬岩长距离钻进难题。2.施工工艺、技术成熟通过冀中能源、两淮矿区、焦作矿区多年实践验证，地面区域水害治理施工工艺先进、技术成熟，可大范围推广应用于矿井水害治理工程。3.钻孔轨迹可控、钻遇率高地面区域水害治理工程配备的定向测控装置和伽马探管，能够实时掌握钻孔轨迹，随钻调整，做到“指哪儿打哪”，使钻孔按照设计空间坐标有效地在目标层中钻进。4.可实现多水平多分支、治理区域范围大地面区域水害治理工程使用的螺杆钻具，具有能够造斜、拐弯的特点，可实现在平面上、立体上呈多水平多分支多种方式布置，治理区域范围大，能够满足矿井水害治

11、理立体布孔需求。5.精准判层、及时捕获地质信息施工时利用随钻伽马探管与各钻进参数实时结合，可实现精准判层。根据煤层顶板等高线和实钻平、剖面图等地质资料综合分析，可查明施工区域的断层、褶皱、陷落柱、溶洞等地质信息，如古汉山矿19采区、赵固一矿四盘区，根据施工中查明的断层，矿井重新调整了采区设计，避免了大量工程浪费，为矿井中长期采掘布置提供可靠的地质依据，也为矿井安全生产奠定了坚实的基础。6.注浆质量可靠、治理效果显著地面区域水害治理工程采用高压大流量变频调速泥浆泵（见图7）进行注浆，地面最大泵压达16MPa，最大流量达84m3/h，远高于井下普通注浆泵的额定注浆能力，提高了注浆终压和效率，同层位

12、注浆量大幅提高，水害治理效果显著。图7 F-260型高压大流量注浆泵五、神龙地质在地面区域水害治理方面的优势1.综合分析地质信息能力强神龙地质现有地质信息分析方面专业技术人员35人，其中正高级工程师2人、工程师16人、助理工程师17人，在长期的工程实践中积累了大量的工作经验，能够精准地判别异常地质信息。2.施工装备优良神龙地质现有钻井设备、各类仪器及注浆设备100余台（套），可广泛应用于石油、煤炭等行业，能够满足矿井地面区域水害治理工程需要。3.施工经验丰富神龙地质具有六十六年的专业防治水工程实践，在全国各地施工防治水工程150余项，具有深厚的理论知识与丰富的实践经验。2019年成功封堵鹤煤十矿突水量达4291m3/h的特大突水点。4.创新施工工艺（1）大位移悬空侧钻技术。（2）泥浆护壁过垮塌地层技术。（3）极复杂地质条件下大位移定向水平孔精准着陆技术。（4）超大螺杆一次成孔技术。六、地面区域水害治理的效果及展望地面区域水害治理技术成熟可靠、施工装备先进，通过多年工程实践，水害治理效果显著，在矿井