井下综采作业面水害综合防治分析

1 概述

针对深部开采中的水害问题，结合 A 矿工程实际，探究其深部开采中的水害区域综合防治工艺。A 矿为华北地区典型的大型矿井，井田范围内隐伏陷落柱发育明显，地质条件及水位复杂多变，回采作业受奥灰岩含水层威胁严重。特别是随着回采深度的持续增加，近年来该矿先后出现多次隐伏陷落柱突水事件和底板突水事件。针对这些问题，该矿采用“地面区域超前治理”技术，通过地面多分支定向钻进和径向射流造孔，对地下奥灰岩含水层与煤层间的隔水层进行区域防治，有效提高了隔水层强度，从源头实现了对水害的防治[1]。

2 水害区域综合防治问题和难点分析

2.1 关键参数的研究缺乏

a) 针对目标层 (奥灰岩含水层) 相关地质条件的研究仍有待进一步加强。现阶段，水害区域综合防治的目标为奥灰岩含水层上部及其与煤层间的薄隔水层。选定适当的区域防治目标层位是实现有效防治的关键和前提，而结合目标层岩溶发育情况和可注射性，合理确定钻孔间距更是确保防治效果的核心和要点[2]。由于煤层与奥灰岩含水层间的薄隔水层岩体受到断层的切割，其富水性和补给环境有显著的分区特征。这就要求在制订综合防治水措施的基础上充分做好对目标层位水文地质条件的全面探究。b) 最小防治范围有待进一步确定。水害区域综合防治通常应以采区、大构造及水文地质单元为对象，但在实际应用中受限于井下采掘交替紧张等，很多时候在刚完成一个作业面的防治后便立即着手采掘作业，这种情况下的区域防治仅实现了对作业面回采范围内水害问题的防治，并未实现对整个奥灰水影响区域水害的有效防治。

2.2 钻探工艺难点分析

在水害区域综合防治中，钻探施工中的难点如下：a) 套管层位选取。钻孔立孔段套管下入层位及其深度的选取，通常应考虑侧钻造斜孔布设位置和岩层自身稳定性，一旦选择不当，极易造成塌孔，影响施工正常进行。b) 反倾向钻进。布设分支钻孔时，为最大程度缩小盲区范围，很多时候需尽可能增大定向井反倾向钻探角 (现阶段，反倾向钻探角最大已达 18°)，而在到达目标层位后还需迅速减小角度，使得顺层位可以顺利钻进[3]。这种情况会造成钻孔井斜和方位摆动偏大，同时摩擦阻力大增，影响后期钻进速度。

3 水害区域综合防治关键点分析

3.1 岩溶发育规律和水害防治分析

掌握奥陶系岩层在时空上的岩溶发育特性和相应的富水特征，尤其是对奥陶系上部岩溶风化充填后的隔水性及改造可行性进行系统探究，是确保矿井水害综合防治取得有效成果的关键和前提。A 矿对自身井田范围内的奥陶系灰岩研究较为完备，将其整体富水成层性划分为 3 层 8 段，同时针对奥灰岩上部岩体裂隙发育情况和岩溶发育状况进行了专门的深入研究，为自身水害防治工作的有效开展提供了有力指导。在后续的研究中，还要通过岩层渗透性试验、溶蚀试验、分层抽水试验等，对岩溶的发育机理进行进一步深化研究。此外，A 矿在水害区域综合防治中充分结合实际，在深入分析和研究矿井地质资料和其他矿井区域防治经验的基础上，有针对性地总结了不同的防治方法及其相应的适用条件，例如奥灰探查改造、薄层灰岩探查等，为井下水害防治提供了不同的参考方案，提升了水害防治的有效性和针对性[4]。

3.2 定向钻进设计和优化探究

3.2.1 定向井群优化布设

钻孔布设位置的确定是确保水害区域综合防治效果的关键和前提，对整个防治工作的成效和成本控制有着至关重要的影响。钻孔布设位置确定的关键点是实现钻孔在探查防治目标层的全覆盖，但若布设靶前距太大，则会出现治理目标区域外的无效进尺，导致成本浪费;若布设靶前距过小，则会出现治理盲区，影响治理效果。

目前，应用较多的几种定向井群布设方法包括以下几种：a) 定向井最优法。这种方法涵盖了对井身结构及轨迹的优化，能够大幅提升定向井作业的可操作性和安全性。b) 三维井群法。这种方法是基于三维技术进行钻孔布设，可以优化靶前距，最大限度地缩小治理盲区，在降低施工作业量的同时增强对不同作业场地的适应性。c) 含水层复合布孔法。这种方法多应用于受底板含水层威胁的作业条件下。d) 复杂治理区无盲区法。这种方法综合运用井下长距离定向钻探、地面定向钻探和径向射流等技术，能够有效应用于各类复杂的治理环境下[5]。

3.2.2 定向孔施工优化

定向孔施工是实现目标层位构造查找、了解其岩溶裂隙发育情况，并为注浆充填提供通道的关键工程。在实际应用中，必须结合不同的钻探技术和注浆设备的特性对钻孔布置进行优化，以防发生重大施工问题。同时，还需不断总结各类经验，对施工中出现的难题进行有效处理。例如：针对钻孔需反倾向钻进的情况，借助增设水力震荡装置、改良钻具、添加特制润滑剂等式，对钻孔井斜偏大、方位角摆动过猛、井壁托压等进行有针对性的改良;将钻井斜度稳定在适当范围内，避免水平分支孔全角变化率过大，使得施工难度大增。

3.3 注浆工艺综合分析

3.3.1 注浆控制关键点

对薄层灰岩含水层进行注浆作业时，考虑到该含水层存在上下隔水层边界，整个注浆过程属于在有限空间内的注浆作业，若在构造发育区注浆时未有效控制注浆量，则会造成成本浪费。因此，需针对构造发育区域进行有针对性的处置，主要是对其下边界进行铺底作业。

对于奥灰厚岩含水层来说，其上部注浆作业的难度在于如何有效控制浆液扩散。一般来说，多借由对掉钻情况或冲洗液变化来分析所遇构造的规模，进而针对不同规模的构造设定相应的铺底手段，并根据漏失量选用不同的注浆材料及配比。

3.3.2 注浆工艺优化

借由对矿井区域治理相关工程资料的汇总分析和对相关注浆机理的研究，针对井下不同区域治理的需要设定不同的工程类型，并对相关注浆参数进行有针对性的优化，实现注浆工艺及工序的优化。一般来说，采用清水替代浆液或抽水洗井的方式对可注条件进行改良，同时结合注浆试验和压水试验确定最终的最佳注浆方案。

3.3.3 注浆效果检验

常见的注浆效果检验主要包括注浆特征分析、注浆过程监测和钻孔查验三项内容。其中，注浆特征分析主要是对注浆次序、单次注浆过程和注浆空间特性进行分析和研究;注浆过程监测是指对浆液的扩散过程进行全程监控;钻孔查验是指通过布设奥灰含水层定向检查口，对钻进作业中的漏浆量进行测定，并通过分段压水试验，对浆液扩散半径和凝结效果进行分析[6]。

4 结语

水害问题是矿井深部开采中的主要问题之一，对矿井生产安全的威胁极大。而区域综合防治作为一种行之有效的治理手段，是确保矿井生产持续有效进行的关键。此次研究结合 A 矿生产实际，对水害区域综合防治的重难点和关键技术进行了全面分析和总结，实现了对水害的有效防治，为矿井安全生产提供了有力保障。