构建地面水害治理模式

1、构建地面水害治理模式推动企业安全高效发展焦作煤业（集团）有限责任公司二二一年四月目 录TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc68546167 一、概况 构建地面水害治理模式推动企业安全高效发展一、概况（一）企业简介焦作煤业（集团）有限责任公司（以下简称焦煤集团）是河南能源化工集团的成员企业。目前在册员工2.6万余人，所属单位46家。现有6对生产矿井，除赵固二矿水文地质类型为复杂型外，其他5对矿井水文地质类型均为极复杂型。（二）矿区水文地质条件焦作矿区位于太行山南麓，处于东西向构造和新华夏系构造的复合部位，主要以断裂构造为主，发育有东西、北东和北西向三组构造。矿区构造主

2、要为单斜构造，地层倾向135左右，倾角525，主采山西组二1煤层。矿区水文地质条件具有以下特点：1.地下水补给充沛，焦作矿区北部晋东南太行山出露有1900km2的奥陶系灰岩，接受大气降水补给充分，补给量约48000m3/h,并以17的水力坡度流入矿区。2.煤层底板各含水层间水力联系密切，受裂隙、断层切割， L2 、O2灰岩含水层与L8灰岩含水层水力联系密切。3.底板隔水层薄，二1煤层距L8灰岩1840m；距L2灰岩75102m；距O2灰岩95142m；二1煤层与底板各含水层之间的位置关系见图1。图1.焦作矿区二1煤层与底板主要含水层位置关系示意图焦作矿区水文地质条件极复杂，L8灰岩含水层是矿井

3、主要的突水水源，局部区域接受L2 、O2灰岩含水层水源补给，最大突水量可达1800m3/h。在断裂构造影响的情况下，L2、O2灰岩含水层亦可直接突水，L2灰岩含水层最大突水量达5400m3/h，O2灰岩含水层最大突水量达19200m3/h。（三）历史突水情况焦作矿区是全国著名的大水矿区之一，水患严重。自解放以来曾发生过上千次突水，其中600m3/h以上的突水78次，3000m3/h以上的突水15次，6000m3/h以上的突水7次。发生突水淹井事故17次，淹采区事故14次，经济损失惨重。最大一次突水为1985年5月13日演马庄矿底板岩巷掘进揭露断层引发O2灰岩含水层突水，突水量达19200m3/

4、h,5小时后全矿井被淹。（四）水害防治历程焦煤集团长期以来高度重视底板承压水防治工作，主要历经以下几个阶段：(1)1949年至1985年，疏水强排治理模式阶段。主要采取疏排为主的水害防治手段,巷道主要布置在煤层底板或直接布置在L8灰岩含水层中，井巷一旦出水，仅采取疏放强排，但因矿井排水能力不足以排出大型突水，造成淹井9次；因探放水措施执行不到位，巷道揭露断层引发L2、O2含水层突水淹井事故8次，其中在1985年一年内就发生中马村矿、演马庄矿两次淹井事故。(2)1985年至1998年，疏水强排截流堵水治理模式阶段。在煤矿防治水工作条例实施之后，逐步采取强排、疏水降压、帷幕注浆截流、突水点封堵、超

5、前探放水等水害防治措施，水害防治工作由单一强排手段向多种手段、被动预防向主动治理过渡。如在强排方面，中马村矿在井底原老泵房基础上又增加了一个新泵房，使矿井排水能力增加了一倍；九里山矿井底泵房安装有21台卧泵（见图2），三台德国进口潜水电泵，综合排水能力达13800m3/h（当时九里山矿最大涌水量达6480m3/h）。在超前探放水方面，加强了物探、钻探工作，防止了误揭较大落差断层，避免了L2、O2含水层突水事故的发生。但在此期间矿井突水仍较为频繁，突水量仍居高不下。图2.九里山矿井底排水泵房卧泵(3)1998年至2016年，井下底板注浆加固治理模式阶段。1998年焦煤集团引进了煤层底板注浆加固技

6、术，在九里山矿14041工作面进行试验，并获得成功，随后推广到其他矿井；2002年开展了“煤矿突水点井下动水注浆封堵”活动，减少了各矿井涌水量，提高了矿井抗灾能力；2011年引进了井下区域水害治理技术，尝试进行井下区域水害治理，在赵固一矿11151、11052等工作面推广应用。这一阶段，通过采取底板注浆加固、突水点封堵、井下区域水害治理等手段，初步扭转了水害治理的被动局面，与前一阶段相比，突水次数及突水量均有较大幅度下降，但仍有突水事故发生。如赵固一矿11251工作面掘进时揭露断层，加固期间发生突水事故3次，突水量60300m3/h，给矿井生产接替带来极大影响，造成当年减产60万吨。(4)20

7、16年至今，地面区域水害治理及井下验证治理模式阶段。2016年，焦煤集团学习引进了冀中能源地面区域水害治理技术，在赵固一矿11291工作面进行地面区域水害治理工程试验并取得成功，随后推广到其他矿井。在实施地面区域水害治理后，井下采掘工作面仅进行物探验证、钻探查异及底板注浆加固工程补强，并对断层破碎带进行立体注浆加固，这一阶段杜绝了底板突水事故的发生。水害治理实现了“过程治理向源头治理、局部治理向区域治理、井下治理向井上下联合治理、措施防范向工程治理”的转变。二、井下底板水害治理模式面临的困扰和局限性焦煤集团在采用井下底板注浆加固及改造治理模式阶段，虽然施工了大量的底板水害治理工程，开展了科研攻

8、关，取得了一定的成效，但仍未杜绝采掘工作面底板突水事故，1998年至2016年仍发生底板突水事故75次。井下底板水害治理模式有其局限性，主要存在以下几方面的困扰：1.井下水害治理周期长(1)井下掘进巷道循环超前钻探和注浆工程量大、周期长，掘进工作面每轮超前钻探和注浆（允许掘进距离90m）一般用时半个多月，每个月的掘进时间仅有十多天，严重影响巷道掘进进度，经常出现因施工超前钻探和注浆，巷道被迫停工不能掘进的情况，个别矿井甚至出现为保证工作面接替而不超前钻探、不加固的冒险行为，从而引发突水事故。如何解决超前钻探、注浆加固与巷道掘进之间的矛盾，成为制约矿井安全生产的“顽疾”。(2)回采工作面井下底板

9、水害治理工程量大、工期长。为保证工作面接替，巷道掘进与底板注浆加固需平行作业，工作面贯通后，初采评价区域的水害治理工程仍需要三个多月才能完成，工作面开采时间一般要滞后三个月以上。个别矿井为提前开采，抢进度、减工程，侥幸提前回采而引发的突水事故仍时有发生。2.井下水害治理施工困难(1)井下高承压水（5-9MPa）区域打钻时，套管止水、防喷难度大，受井下空间、设备能力等条件限制，顶钻、钻机冲翻、钻孔失控、喷孔伤人事件时有发生。据不完全统计，19982016年十九年间，焦煤集团共发生井下打钻伤人事故125次。如2013年9月，方庄二矿在23091工作面打钻时突然出水，钻杆被高压水顶出，插入顶板，数根

10、钻杆被拧成“麻花状”，钻机侧翻造成钻工李某重伤，在焦煤集团内部造成恶劣影响。(2)井下高压注浆易造成巷道底鼓、跑浆，影响注浆效果。在井下水害治理工程施工期间，受底板隔水层薄、抗压强度低等因素影响，钻孔出水注浆时，极易破坏围岩完整性，造成巷道底鼓、变形、跑浆，甚至诱发底板突水。如九里山矿在14141工作面运输底抽巷施工断层注浆加固工程时，DJ27号钻孔揭露断层出水，钻孔水量180m3/h，注浆过程中，在注浆压力及高水压的共同作用下，巷道底鼓、变形严重，引发突水事故，突水量达330m3/h。3.井下水害治理效果难以保证(1)巷道掘进超前探注治理效果差，小断层探查精度低，极易造成巷道揭露断层突水，严

11、重制约矿井安全生产。据不完全统计，19982016年十九年间，焦煤集团虽进行了巷道超前探注,但仍发生揭露断层突水53次（突水量301100m3/h）。如演马庄矿25091煤下山揭露小断层滞后突水，突水量1080m3/h，造成工作面被淹。(2)回采工作面井下水害治理影响因素多，治理效果难以保证。井下打钻钻孔揭露目标含水层长度短，注浆压力、注浆量不易满足设计需求，回采工作面突水事故仍时有发生。19982016年十九年间，焦煤集团回采工作面共发生60m3/h以上的突水事故76次，最大突水量1500m3/h。如演马庄矿22041工作面和古汉山矿11092工作面，虽进行了底板注浆加固改造，但在回采期间仍

12、分别发生1320m3/h与1500m3/h的突水事故，造成工作面被淹，损失惨重。4.井下水害治理工程隐蔽性强、监管难度大井下水害治理工程施工地点分散、工序繁多，存在下设多级套管、固管止水、耐压试验、层位控制、注浆、封孔等多个关键工序，任何一个工序出现纰漏都可能影响治理效果，且工程施工隐蔽性强，监管难度大，施工质量不易保证。5.井下水害治理受限员影响严重以赵固一矿为例，为保证工作面正常接替，初采500m（评价长度为500m）底板注浆加固及改造工程必须在工作面掘进期间开始施工，一条掘进巷道至少需要6部钻机，18名水害治理施工人员；在工作面回采时，仍需对工作面外段进行水害治理，上下巷共需30名治理人

13、员。按照限员相关规定，仅水害治理人员就超过了限员规定，造成水害治理和采掘作业两者必停其一。针对这些问题我们开展了大量的科技攻关，如与中煤科工集团西安院合作，利用井下深孔定向钻进技术在赵固一矿11151、11052等回采工作面进行井下区域水害治理工程试验，取得了一定的成效，但该技术仍存在不能在灰岩（硬度大）和泥岩（易塌孔）中连续钻进，钻进效率低等问题，没有达到预期效果。2015年3月，赵固一矿16011工作面上顺槽掘进期间揭露断层突水，突水量达1100m3/h，造成整个北翼盘区生产系统瘫痪，矿井当年减产100余万吨，亏损严重。面对这些困扰，焦作矿区亟需探寻、引进新的水害治理技术，助力企业打破底板

14、水害威胁这一瓶颈。三、地面区域水害治理技术探索应用情况为彻底消除底板高承压水害威胁，解决井下底板水害治理的局限性，2015年6月，焦煤集团组织有关人员到河北冀中能源学习地面区域水害治理技术，听取了该治理技术的原理、钻探注浆设备、施工流程、管理体系、治理效果、安全经济效益对比等情况介绍，双方进行了深入交流，随后又到施工现场实地考察。在充分论证后，决定引进该技术，在焦煤集团实施地面区域水害治理。（一）引入试点在考察、论证、招标的基础上，2016年6月14日赵固一矿11291工作面地面区域水害治理工程开始施工，2017年12月9日施工结束，累计完成钻探进尺7728.23m、注浆量220228.96t

15、。在实施过程中，焦煤集团克服了巨厚冲积层、高硬度灰岩、地层起伏大、地质构造复杂等不利因素，实现了目标含水层的长距离钻进，注入了大量粘土水泥浆，对底板进行了有效加固及改造；井下物探、钻探验证时异常区数量、钻孔出水量、注浆量均大幅减少。实现了11291工作面“快速掘进、安全回采，底板零突水”的目标，地面区域水害治理技术在焦作矿区成功应用。（二）推广实施地面区域水害治理技术在赵固一矿11291工作面的成功应用，为其他矿井推广应用该技术奠定了基础，随后在赵固二矿、古汉山矿先后推广应用了地面区域水害治理。截止目前已完成工程项目12个，主孔27个、分支孔149个，对29个采掘头面进行了“地毯式”治理，完成

16、钻探进尺13.2万米、注浆量112万吨、资金投入3.45亿元，已治理煤量2194万吨，地面区域水害治理吨煤成本约15.7元。目前已安全掘进巷道22643m，安全回采煤量1100余万吨。（三）在建项目施工情况目前焦煤集团在建地面区域水害治理项目13个，计划投资3.3亿元。共20部钻机正在施工，设计主孔20个、分支孔123个，总进尺118709m，总注浆量1204393t。截至2021年3月底，17个主孔、31个分支孔已施工结束，完成钻探进尺43429.79m、注浆量386021.87t；3个主孔、17个分支孔正在施工。正在治理的采掘工作面超前矿井采掘接替3到5年。四、地面区域水害治理技术优势（一

17、）能够实时控制钻孔轨迹，保证在目标层内钻进地面区域水害治理采用定向测控装置，利用泥浆脉冲传输信号，可以在钻进过程中实时测量、实时调控钻孔轨迹，从而保证钻孔始终在目标层内钻进，通过布置多分支钻孔，可实现注浆加固由点到面“地毯式”治理，避免产生空白带，确保水害治理效果。（二）能够及时捕获异常信息，实现构造超前探查地面区域水害治理采用岩屑录井、钻时录井、伽马录井、井深测量、轨迹参数测量等手段，能够及时掌握钻孔轨迹和地层信息，通过对异常信息分析，能够及时发现构造，并通过施工多分支探孔对构造进行验证，从而实现超前探查构造，为采掘设计提供技术保障。（三）能够有效增加注浆量，显著提高治理效果地面区域水害治理

18、注浆终压对目标含水层可达1521MPa，注浆泵额定流量可达1400L/min；而井下底板注浆加固注浆终压一般为815MPa，注浆泵额定流量260L/min，地面区域水害治理注浆压力及流量明显高于井下。在高压力、大流量的共同作用下，能够有效增加注浆量，从而更好的充填加固目标层及周围岩层的溶洞、裂隙、破碎带，充分堵塞导水通道，能够把含水层改造成非含水层、把导水层改造成隔水层，提升治理效果。如赵固二矿西部地面区域水害治理工程1-2-4分支孔单孔注入干料（粘土、水泥）92424.2t；赵固一矿11291工作面实施地面区域水害治理，单面注入干料（粘土、水泥）220228.96万t。（四）能够构建小帷幕截

19、流，有效封堵突水点在井下突水点位置不清或地表存在建筑物无法施工垂直钻孔的情况下，地面区域水害治理钻孔可充分发挥可造斜、可拐弯、多分支、远距离封堵等优势，对突水点附近导水通道进行小帷幕封堵截流，有效封堵突水点。（如中马村矿、鹤煤十矿）（五）能够改善水文地质条件，提高施工安全系数地面区域水害治理可在未采掘区域超前施工钻孔对底板进行注浆加固，能够改善区域水文地质条件，减少井下水害治理工程量、降低井下水害治理施工风险，杜绝治理时巷道底鼓、漏浆、跑浆等现象，保障作业人员人身安全。（六）能够降低限员影响，缓解矿井水害治理压力地面区域水害治理能够在地面超前对矿井未采掘区域进行治理，治理后工作面掘进前仅需施工

20、物探探测、有异钻探验证，工作面回采前仅需进行物探探查、补强注浆加固，从而减少井下水害治理工程量及作业人数，降低限员对矿井的影响，缓解矿井水害治理压力。五、地面区域水害治理取得的成效1.有效提高水害治理效果，杜绝底板突水事故发生自2016年实施地面区域水害治理以来，已安全掘进巷道22643m，安全回采煤量1100余万吨，采掘期间均未发生底板突水。与仅在井下实施水害治理相比，其可靠性显著提高。以赵固一矿仅进行井下治理的11251工作面和井上下联合治理的11291工作面相比，在两个工作面位置相邻、面积相近、采煤工艺相同、水文地质条件类似的情况下，11251工作面注入干料64797.8t，采掘过程中曾

21、发生底板突水4次，最大突水量300m3/h，而井上下联合治理的11291工作面注入干料220228.96t，采掘过程中均未发生突水。2.节约井下水害治理时间，大幅提高巷道单进水平地面区域水害治理提前对巷道掘进区域底板含水层进行了注浆加固，巷道掘进前仅需进行物探探测，没有异常即可正常掘进，节省大量超前探注时间。如赵固一矿实施地面区域水害治理后，煤巷单进水平由之前的平均90m/月提升到目前的300m/月，煤巷单进是原来的3倍以上。3.减少井下治理工程量，缓解接替紧张局面地面区域水害治理超前对底板进行注浆加固及改造，探明了区域水文、地质情况，节省了井下超前探注时间，大幅提升了掘进效率；工作面回采前进

22、行物探探查，补强加固，井下钻探进尺及注浆量显著降低，提升了水害治理效率效果，缩短了治理工期，缓解了接替紧张局面。4.超前查清断层位置及产状，解放煤炭资源自引进地面区域水害治理技术以来，利用地面区域治理钻孔共验证物探断层8条（如赵固一矿F15、DF46断层、赵固二矿F17-1、F18断层），新发现断层3条（如古汉山矿F1、F2断层），查清了断层的位置及产状，并施工探孔对断层进行立体注浆加固，为合理划分采区、调整采掘布局、安全留设防隔水煤（岩）柱提供了依据，在保证安全的前提下解放了大量煤炭资源。如古汉山矿1705工作面地面区域水害治理工程注6-3分支孔施工期间，通过对钻孔资料综合分析，初步判断在工

23、作面西部存在两条落差10m左右断层组成的地堑构造。为进一步验证该构造，在注6-5分支孔的基础上又补充施工了6-5-1、6-5-2两个探孔（见图3、图4），查清了F1（落差710m）和F2（落差13m）断层的位置及产状。提前对断层裂隙带进行了注浆加固，为后期工作面布置提供了可靠依据。图3.古汉山矿1705工作面地面区域水害治理6-5钻孔平面示意图图4.古汉山矿1705工作面地面区域水害治理6-5钻孔剖面示意图5.对突水点进行封堵，降低矿井排水费用经过近五年的地面区域水害治理，焦煤集团所属生产矿井均未发生底板突水事故，且对部分老突水点进行了封堵，实施地面区域治理的矿井在采场范围不断扩大的同时，矿井

24、涌水量呈稳定或逐年下降趋势。如中马村矿利用地面区域水害治理技术对211采区西翼的突水点进行注浆封堵，突水点涌水量由390m3/h降至30m3/h，堵水率达92%，减少了矿井涌水量360m3/h，年节省排水电费328万元。6.降低井下限员影响，改善作业环境通过实施地面区域水害治理，改善了区域水文地质条件，减少了井下治理工程量，缩短了水害治理周期，有效减少了水害治理与采掘平行作业的频率及时间，减少了井下作业人数，降低了限员影响。地面区域水害治理实施后，避免了钻孔出大水对钻场内部及附近巷道的冲刷，工作面钻场数量、施工人员、设备材料均大幅减少，显著改善了井下现场环境。7.保障矿井稳产达产，推动矿井安全高效可持续发展未实施地面区域水害治理前，矿井受井下水害治理工期长、效果难以保证等因素影响，产量忽高忽低，很难保证正常的采掘接替，也很难稳产达产。如2015年赵固一矿16011工作面掘进期间底板突水导致当年产量锐减100余万