峰峰矿区突水特点及定向水平井封堵技术研究_李江华.pdf

第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0300引言我国多个矿区随着浅部资源开采枯竭，逐渐向深部转移，受到底板水害威胁愈发严重。许多学者和峰峰矿区突水特点及定向水平井封堵技术研究*李江华1，2，王铁记3，黎灵1，2，靳子栋3（1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室（煤炭科学研究总院），北京100013；3.冀中能源峰峰集团有限公司，河北 邯郸056107）摘要：煤矿底板突水常采用注浆封堵治理方法，而受开采历史技术条件的限制，遗留了很多传统方法无法封堵的突水点，时刻威胁矿井的安全生产。基于峰峰矿区的水文地质特征，对各突水点进行分类，分析突水的主要影响因素。通过数值分析和现场实践，研究了灰岩含水层浆液扩散规律，确定了适合峰峰矿区的堵水材料参数。研究表明，峰峰矿区突水事故由多种因素耦合作用引起，主要突水水源为大青灰岩水和奥陶系灰岩水，大型及特大型突水占比接近50%；突水通道以底板采动裂隙和正断层断裂带为主，采用定向水平井封堵时，水平段应距断层面小于30 m，充填骨料粒径范围宜为140 mm。提出的水平井“查钻注检”快速封堵突水点方法应用于牛儿庄矿特大型突水点残余水量治理中，彻底有效封堵了突水通道，为我国大水矿区老突水点的高效封堵治理提供了技术手段。关键词：突水类型；突水因素；定向水平井；封堵治理中图分类号：TD745文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 160 07Study on Characteristic of Water Inrush and Plugging Technology ofHorizontal Directional Drilling in Fengfeng Mining AreaLI Jianghua1，2，WANG Tieji3，LI Ling1，2，JIN Zidong3（1.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2.State Key Laboratory ofCoal Mining and Clean Utilization,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;3.Jizhong Energy FengfengGroup Co.,Ltd.,Handan 056107,China）Abstract:Grouting treatment method is often used to plug the water inrush pathway for water inrushaccidents from coal seam floor.However,many old water inrush areas cannot be plugged throughtraditional methods effectively.Water inrush area threats mining safety of coal mine momently.Basedon the hydrogeological characteristics of Fengfeng coal mining area,water inrush areas were classifiedand the main factors of water inrush were also analyzed.Through numerical analysis and filed practice,diffusion range of grouting and grouting effect were researched under different space between horizontaldrillings and aggregate size was confirmed for water plugging and treatment in Fengfeng coal miningarea.The research results showed that water inrush accidents caused by coupling of high pressurewater.Sources of water inrush were from Daqing limestone and Ordovician limestone,the proportion oflarge and super-huge water inrush accidents was near 50%.Mining floor fractures and normal faultswere the main water inrush pathways.When the fault pathway was grouted through horizontaldirectional drilling,the distance between horizontal drilling and fault face should be less than 30 m andthe particle size of filling aggregate should be 1 to 40 mm.Based on searching,drilling,grouting andchecking,horizontal directional drilling treatment method was proposed and was used to govern remnantwater inflow of super-huge water inrush in Niuerzhuang coal mine.Water inrush pathway wascompletely plugged after checking evaluation,which supplied technological means for the treatment ofold water inrush area.Key words:water inrush type;water inrush factor;horizontal directional drilling;water plugging andtreatment*国家自然科学基金资助项目（51804162）160现场技术人员多年来致力于矿井底板突水治理中，常采用注浆封堵方法降低突水危险性和涌水量，具有技术可行、治理效果显著、工程规模灵活等优点。但采用传统钻探技术进行突水工作面注浆堵水治理时存在一定的局限性，其主要缺点：施工钻孔数量多，占地面积大，钻孔施工浅，斜孔对裂隙、断层破碎带等探遇率低，注浆治理成本高且效果较差，在开采历史上由于受技术限制留下了很多无法完全封堵的突水点，排水方面极大地增加了生产成本，同时大量的地下水排放也造成了水资源的巨大浪费。近些年来，定向水平井在煤炭地质勘查领域成为钻探施工中的新技术，很大程度上拓展了钻探工程应用领域。由传统的直孔发展成U型煤层气井、L型水平对接井、地下水平分支井，并开辟了煤层气开发、瓦斯、矿压及突水灾害防治等多个领域。针对底板高承压水老突水点井下施工难度大、无效进尺多、治理周期长、安全风险大，且影响采掘正常衔接等问题，通过分析近些年峰峰矿区突水事故特征及类型，研究定向水平井注浆堵水工艺，并优化注浆堵水工艺参数，提出定向水平井快速封堵老突水点的方法，并应用于20世纪六、七十年代老突水点治理中，减少了矿井排水费用，提高了经济效益，保护了地下水资源。1峰峰矿区水文地质特征峰峰矿区位于河北省南部，邯邢水文地质单元南单元，太行山东麓，属于我国典型的大水矿区，区内地质、水文地质条件极其复杂，地质构造比较发育。随着浅部煤层开采殆尽，大部分矿井开采深度超过650 m，煤层底板承受奥灰水压高达510 MPa。峰峰矿区主要开采地质、水文地质条件相对简单的上组煤（2#、4#和6#煤层）及受灰岩水威胁较大的下组煤（7#、8#和9#煤层）。深部煤层开采防治水形式日趋严峻，煤层底板突水风险增大。根据矿区水文地质勘探以及采掘揭露，矿区范围内共有9个含水层，其中对采煤产生影响的主要有4个含水层：大煤顶板砂岩含水层，厚度0.8018.70 m，裂隙不发育，富水性弱，以静储量为主，易疏干；野青灰岩裂隙岩溶含水层，厚度0.303.40 m，裂隙较发育，富水性弱，局部与奥灰含水层存在一定的水力联系时，接受奥灰水补给，富水性增强；大青灰岩裂隙岩溶含水层，厚度46 m，裂隙发育，局部有溶蚀现象，在构造发育部位接受奥灰水补给时，富水性较强；奥陶系中统灰岩岩溶裂隙含水层，平均厚度605 m，裂隙岩溶发育，富水性强或极强，为深部煤层开采的主要威胁含水层。煤层和主要含水层层位关系柱状图如图1所示。图1煤层与主要含水层层位关系柱状图2峰峰矿区突水类型及影响因素分析2.1矿区主要突水类型（1）按突水水源分类自1993以来，峰峰矿区发生突水共28次，其中，底板突水高达25次，占总数的89.3%。按突水水源分类，老空水1次（最大水量125 m3/h），地表洪水1次（最大水量2 940 m3/h），顶板砂岩水1次（最大水量132 m3/h），大青灰岩水6次（最大水量2 388 m3/h），奥灰岩突水19次（最大水量34 000 m3/h）。突水水源类型占比如图2所示，由此看出，矿区内主要突水水源为大青灰岩水和奥灰水。近几年随着矿井开采深度的增加，奥灰水突水发生的次数越来越频繁，突水量也在增大。图2突水水源类型占比图（2）按导水通道分类底板导水通道通常包括采动底板裂隙、断层及陷落柱。峰峰矿区历次突水资料统计如图3所示，由底板采动裂隙引起突水9次，占突水事故40.9%；断层引起的突水事故占总突水事故的50%，基本都是由正断层引起，且多数突水点位于断层的上盘；陷落柱突水仅占9.1%。第42卷第03期Vol.42 No.03峰峰矿区突水特点及定向水平井封堵技术研究李江华，等大青灰岩水21.43%顶板砂岩水3.57%地表水3.57%老空水3.57%奥灰岩突水67.86%岩性主要为灰、深灰色厚层灰岩，花斑状、角砾状灰岩及白云灰岩含水层特征岩性为细砂岩、中砂岩及少量粗砂岩，裂隙不发育，富水性弱。以静储量为主，易疏干岩性为青灰色厚层状石灰岩，含燧石结核，裂隙较发育，富水性弱大煤顶板砂岩含水层含水层（煤层）地质时代柱状2#煤野青灰岩裂隙岩溶含水层4#煤6#煤7#煤岩性主要为深灰、青灰色石灰岩，裂隙发育，但多充填方解石，富水性弱至中等8#煤9#煤大青灰岩裂隙岩溶含水层奥陶系中统灰岩岩溶裂隙含水层奥陶系峰峰组本溪组原组太石炭系161图3按导水通道分类突水次数（3）按突水量大小分类依据突水量大小，将突水点突水类型划分为小型突水、中型突水、大型突水和特大型突水4种类型。峰峰矿区突水点突水量统计如图4所示，小型突水2次，占总突水次数8%；中型突水13次，占比44%；大型突水2次，占比8%；特大型突水11次，占比40%。由此看出，峰峰矿区大型及特大型突水达13次，占比接近50%，属于大水矿区。图4矿井突水点突水量大小统计图（4）按突水与生产阶段的关系分类依据突水与生产阶段的关系，将煤层底板突水分为掘进过程中突水和回采过程中滞后突水2种类型。掘进过程中突水是指在掘进巷道过程中接近或揭露未探明或隐伏的导水构造，煤层底板隔水层厚度或阻水能力不足于抵抗所承受的水压而发生的突水现象。峰峰矿区矿井掘进过程中底板发生突水9次。回采过程中滞后突水是指在回采过程中接近或揭露工作面中未探明或隐伏的导