一、礦井概況
山東(dong)省邱(qiu)集煤礦有限(xian)公(gong)司位于(yu)德州市齊河縣馬(ma)集鎮境內，是黃(huang)河北(bei)煤田第一對試驗型(xing)(xing)礦井。2003年(nian)(nian)12月31日正(zheng)式(shi)投(tou)產，核定生產能力達到75萬噸/年(nian)(nian)。礦井采用立井開(kai)拓，中央并列式(shi)通風，可采煤層(ceng)為7、10、11、13煤層(ceng)。經多(duo)年(nian)(nian)開(kai)采7煤臨近枯竭，開(kai)采下(xia)組煤成為礦井的必由之路。下(xia)組煤（11、13煤層(ceng)）總儲量近2億t，占(zhan)礦井資(zi)源量的87%。下(xia)組煤深受頂底(di)板(ban)灰巖水害的威脅，水文地質條件為復雜型(xing)(xing)。
二、礦井水(shui)文地質條件
井田內(nei)的含(han)水(shui)(shui)層(ceng)(ceng)自上而下(xia)主要是太(tai)原組一灰(hui)、二煤灰(hui)、三(san)灰(hui)、四(si)五灰(hui)、徐(xu)灰(hui)和奧(ao)(ao)陶(tao)系灰(hui)巖。其(qi)中(zhong)(zhong)一灰(hui)、二灰(hui)、三(san)灰(hui)已(yi)基本疏干，四(si)五灰(hui)為11煤直(zhi)接(jie)充(chong)水(shui)(shui)含(han)水(shui)(shui)層(ceng)(ceng)，平均(jun)厚度9.8m，單位(wei)(wei)涌水(shui)(shui)量0.19-1.38L/s·m，富(fu)水(shui)(shui)性(xing)(xing)中(zhong)(zhong)等(deng)-強；徐(xu)灰(hui)含(han)水(shui)(shui)層(ceng)(ceng)，單位(wei)(wei)涌水(shui)(shui)量0.11-1.21L/s·m，平均(jun)厚度10m，富(fu)水(shui)(shui)性(xing)(xing)中(zhong)(zhong)等(deng)-強；奧(ao)(ao)灰(hui)區域厚度700m左右，單位(wei)(wei)涌水(shui)(shui)量0.02-4.04L/s·m，富(fu)水(shui)(shui)性(xing)(xing)弱至(zhi)強，是四(si)五灰(hui)、徐(xu)灰(hui)的直(zhi)接(jie)充(chong)水(shui)(shui)含(han)水(shui)(shui)層(ceng)(ceng)。經多次(ci)放(fang)水(shui)(shui)試驗查明(ming)四(si)五灰(hui)、徐(xu)灰(hui)與徐(xu)奧(ao)(ao)灰(hui)之(zhi)間存在垂向(xiang)水(shui)(shui)力(li)聯系。
三、下組煤開采技術
1.地面區域治理技(ji)術(shu)
經過(guo)充分的技(ji)術(shu)論證和(he)考察，2016年確定通過(guo)采用地面順層水平定向鉆探+高(gao)壓注漿技(ji)術(shu)進(jin)行超前區域(yu)治理。超前區域(yu)治理將水害(hai)由被動防治向主動治理進(jin)行了轉變，其(qi)優勢主要(yao)表現在(zai)區域(yu)、手段、時效3個(ge)方(fang)面。
地面順層水平鉆孔結(jie)(jie)構由直井、造斜(xie)和(he)水平段(duan)(duan)組(zu)(zu)成。鉆孔由一個主孔和(he)若(ruo)干(gan)分支孔組(zu)(zu)成，根(gen)(gen)據(ju)需要(yao)確定(ding)不(bu)同的(de)(de)(de)布置(zhi)方式，并根(gen)(gen)據(ju)注漿(jiang)(jiang)擴(kuo)散距離確定(ding)合理孔間(jian)距，治理中實行逢(feng)漏、分段(duan)(duan)注漿(jiang)(jiang)相結(jie)(jie)合，注漿(jiang)(jiang)終壓為目的(de)(de)(de)巖溶含水層靜水壓力的(de)(de)(de)1.5-2.0倍。
在(zai)分析水文地質條件、總(zong)結前期的(de)(de)(de)治(zhi)理經驗的(de)(de)(de)基礎上，不(bu)(bu)斷優(you)化方(fang)案設計，針(zhen)(zhen)對(dui)11煤(mei)頂板為四五(wu)灰巖(yan)層，含水層難以(yi)疏干的(de)(de)(de)現狀(zhuang)(zhuang)，提(ti)出并實施了(le)“頂底板同注”技(ji)(ji)(ji)術方(fang)案（專利號201710170051.2）；同時(shi)不(bu)(bu)斷改進(jin)施工(gong)工(gong)藝，針(zhen)(zhen)對(dui)前期扇狀(zhuang)(zhuang)布(bu)置水平鉆孔，存在(zai)鉆孔間距(ju)(ju)不(bu)(bu)均一（0-70米）、順(shun)層段短、漿液擴(kuo)散(san)不(bu)(bu)均問題，聯合(he)石油單(dan)位(wei)進(jin)行(xing)科技(ji)(ji)(ji)攻關，研發了(le)“在(zai)淺(qian)埋深條件下等距(ju)(ju)離分支鉆孔”技(ji)(ji)(ji)術（專利號2018109792466）；結合(he)完善的(de)(de)(de)水文動態監(jian)測(ce)系統，根(gen)據(ju)注漿擴(kuo)散(san)范圍、注漿壓(ya)力、水位(wei)的(de)(de)(de)變化，調整注漿參數，進(jin)行(xing)了(le)黃河北煤(mei)田(tian)定(ding)向(xiang)鉆進(jin)精準注漿水害(hai)治(zhi)理技(ji)(ji)(ji)術研究，形(xing)成了(le)一套具(ju)有自主(zhu)知識產(chan)權的(de)(de)(de)水害(hai)治(zhi)理的(de)(de)(de)技(ji)(ji)(ji)術，實現了(le)我國(guo)頂底板雙重灰巖(yan)威脅煤(mei)層開采的(de)(de)(de)突破。
2.采區設計優化
一(yi)采(cai)區初(chu)步(bu)設計為走向開采(cai)方案，結合肥城礦區經驗，根據(ju)礦井水害(hai)防(fang)治要求，為保證可能(neng)出(chu)水后人員的(de)撤離(li)，優(you)化為傾(qing)向開采(cai)方案，其優(you)點為：
（1）排水系統完善，預防水災的能力強(qiang)，安全性高。通過泄水巷(xiang)，水直(zhi)接進入(ru)水倉，防止了工作面(mian)積水。
（2）安(an)全出(chu)口多，有利于防災避(bi)災。采區(qu)上山與安(an)全通道貫通后，采區(qu)形成三個安(an)全出(chu)口，不僅避(bi)災路(lu)線短(duan)，而且(qie)人員(yuan)避(bi)災時還(huan)可以避(bi)免經過(guo)采區(qu)最低點。
（3）采區內(nei)的(de)掘(jue)進、回采均為仰采的(de)作業(ye)方式，可(ke)以減輕作業(ye)時(shi)突(tu)水對施工(gong)人員的(de)威脅。后期回采時(shi)，還可(ke)以防止因巷道起伏造成積水影響(xiang)巷道的(de)供風。
（4）通(tong)風(feng)方式：通(tong)過應用(yong)110工法，1101工作(zuo)面(mian)實現(xian)了(le)Y型通(tong)風(feng)。軌道(dao)順(shun)槽(cao)和膠帶順(shun)槽(cao)兩(liang)(liang)巷進風(feng)，沿空留(liu)巷段回風(feng)，保證(zheng)了(le)工作(zuo)面(mian)兩(liang)(liang)順(shun)槽(cao)均為新(xin)鮮風(feng)流，大大改善了(le)工作(zuo)面(mian)工作(zuo)環境。
經多次對(dui)比、優(you)化(hua)，采用了傾向開采方案，同時(shi)施工安全通道，并設(she)置專門的泄水巷(xiang)。
采區設計走向與(yu)傾向開采對比圖
3.井(jing)下探查補注技(ji)術
在(zai)區域治理(li)過程中，采(cai)(cai)用了多(duo)技術(shu)手段對治理(li)情況(kuang)進(jin)行的探(tan)測，并驗證(zheng)治理(li)效果(guo)。多(duo)次在(zai)地面采(cai)(cai)用電(dian)法(fa)進(jin)行大(da)區域探(tan)測。按照《煤礦防治水細則》要求，在(zai)井下采(cai)(cai)用物(wu)探(tan)、鉆探(tan)方(fang)法(fa)進(jin)行效果(guo)驗證(zheng)，堅持逢(feng)掘(jue)必探(tan)，對工作面采(cai)(cai)用2種(zhong)物(wu)探(tan)方(fang)法(fa)進(jin)行相互驗證(zheng)。
在井下(xia)多(duo)地點、多(duo)角度、多(duo)方(fang)向、分序(xu)次(ci)施(shi)工頂(ding)板四(si)五灰、底板徐奧灰鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)，實現對(dui)區域內注(zhu)漿(jiang)效果的(de)立體探查(cha)。鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)即為探查(cha)孔(kong)(kong)(kong)，也是補(bu)注(zhu)孔(kong)(kong)(kong)，實現一孔(kong)(kong)(kong)多(duo)用。施(shi)工頂(ding)板四(si)五灰切頂(ding)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)1000多(duo)個，治理(li)后頂(ding)板已經疏(shu)干；對(dui)于(yu)(yu)底板探查(cha)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)單(dan)孔(kong)(kong)(kong)涌水量(liang)(liang)小(xiao)于(yu)(yu)3.0m/h，將作為水文觀測孔(kong)(kong)(kong)；涌水量(liang)(liang)大于(yu)(yu)3.0m/h的(de)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)采用黃土水泥(ni)補(bu)注(zhu)加固(gu)，然后根據第(di)一序(xu)次(ci)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)水量(liang)(liang)和注(zhu)漿(jiang)量(liang)(liang)施(shi)工第(di)二序(xu)次(ci)鉆(zhan)孔(kong)(kong)(kong)和檢查(cha)孔(kong)(kong)(kong)。
4.頂板預(yu)裂(lie)卸(xie)壓開采技(ji)術(shu)
針對11煤的(de)直(zhi)接頂板(ban)(ban)為四(si)五(wu)灰(hui)巖層，不(bu)易冒(mao)落的(de)特點，采用(yong)頂板(ban)(ban)預裂卸壓開采，全(quan)垮(kua)落式(shi)管理頂板(ban)(ban)。地(di)面注(zhu)漿改造后，頂板(ban)(ban)四(si)五(wu)灰(hui)的(de)物(wu)理和力(li)學性質(zhi)發生(sheng)了改變(bian)，為控制頂板(ban)(ban)垮(kua)落，通過經驗借鑒、數值模擬(ni)等手段，提出(chu)并實踐“頂板(ban)(ban)灰(hui)巖全(quan)閉(bi)合預裂卸壓開采技術”。
該技(ji)術對復合堅硬頂(ding)板(ban)(ban)進行預裂(lie)切縫爆破(po)，切斷(duan)了采(cai)空(kong)區與周邊巷(xiang)道(dao)(dao)區域頂(ding)板(ban)(ban)之間的直接(jie)聯(lian)系，采(cai)空(kong)區頂(ding)板(ban)(ban)全部(bu)垮落，將頂(ding)板(ban)(ban)壓(ya)力傳遞到采(cai)空(kong)區底板(ban)(ban)，減少對煤層底板(ban)(ban)的破(po)壞深度。切頂(ding)卸壓(ya)是目的，留巷(xiang)作為(wei)(wei)副產品（首(shou)采(cai)面兩巷(xiang)全留巷(xiang)），留設巷(xiang)道(dao)(dao)可為(wei)(wei)下一個工作面服務，運用(yong)并改進了110工法(fa)。
5.智能化開采技術
利用工作面(mian)穩(wen)定性頂(ding)板條(tiao)件，大力(li)實施以(yi)“提高裝備(bei)水平(ping)(ping)、優化(hua)(hua)生產系(xi)(xi)統(tong)、優化(hua)(hua)勞動組織”為主要內(nei)容的(de)(de)“一提雙(shuang)優”工作實踐，著力(li)構(gou)建“工藝(yi)現代化(hua)(hua)、生產自(zi)動化(hua)(hua)、運行集(ji)控(kong)化(hua)(hua)、管理信息化(hua)(hua)、隊伍專(zhuan)業化(hua)(hua)”新型生產模式，開啟(qi)“智能化(hua)(hua)開采(cai)”新時代。工作面(mian)集(ji)成了(le)液壓(ya)支(zhi)(zhi)架(jia)電控(kong)系(xi)(xi)統(tong)、采(cai)煤(mei)機自(zi)動化(hua)(hua)系(xi)(xi)統(tong)、語音通信系(xi)(xi)統(tong)、工作面(mian)視頻輔(fu)助系(xi)(xi)統(tong)與(yu)順槽集(ji)控(kong)自(zi)動化(hua)(hua)系(xi)(xi)統(tong)，在地(di)面(mian)與(yu)井(jing)下實現一鍵自(zi)動化(hua)(hua)順序(xu)啟(qi)停、液壓(ya)支(zhi)(zhi)架(jia)的(de)(de)遠程(cheng)與(yu)自(zi)動化(hua)(hua)控(kong)制、采(cai)煤(mei)機的(de)(de)遠程(cheng)與(yu)自(zi)動化(hua)(hua)控(kong)制、視頻輔(fu)助干預與(yu)自(zi)動跟隨等(deng)核心(xin)功能。工作面(mian)建立(li)了(le)設備(bei)云平(ping)(ping)臺監控(kong)，利用礦井(jing)的(de)(de)萬兆網絡(luo)和(he)自(zi)動化(hua)(hua)集(ji)控(kong)系(xi)(xi)統(tong)，將記憶割煤(mei)、人工輔(fu)助、調度監控(kong)一體化(hua)(hua)，實現工作面(mian)的(de)(de)智能化(hua)(hua)開采(cai)。
1101智能化工(gong)作(zuo)面(mian)“四新技術”的成功應用(yong)，將職工(gong)從危險的工(gong)作(zuo)面(mian)解放(fang)到安(an)全的順槽監控中心，有效降低了職工(gong)的勞(lao)動(dong)強度，實現了“4D”歸(gui)零目(mu)標，提(ti)升了礦井(jing)安(an)全保障能力。
6.安全措施的保障
1）強(qiang)排(pai)系統(tong)。針對(dui)開采下組煤，礦井在(zai)原有排(pai)水系統(tong)的基(ji)礎上，建立了強(qiang)排(pai)系統(tong)；在(zai)泵房安(an)設兩臺直排(pai)電泵，排(pai)水能力(li)1000m/h。
2）疏水(shui)降(jiang)壓。在工作面(mian)(mian)開(kai)采中，為減少開(kai)采對底板破壞的(de)(de)深度(du)和強(qiang)度(du)，采取了疏水(shui)降(jiang)壓的(de)(de)技術(shu)手段，以開(kai)采線為中心，前、中、后相結合，控制放水(shui)的(de)(de)范圍，并建立了疏水(shui)降(jiang)壓臺賬、繪制工作面(mian)(mian)涌水(shui)量觀(guan)測(ce)圖表。
3）強化預(yu)警(jing)。不斷完善礦井(jing)水(shui)文動態(tai)監測預(yu)警(jing)系(xi)統和突水(shui)預(yu)警(jing)系(xi)統，對井(jing)田范圍內主要充水(shui)含水(shui)層(ceng)和工作面區域的水(shui)位、水(shui)溫、水(shui)壓(ya)等進行(xing)動態(tai)觀測，并建(jian)立礦井(jing)水(shui)質數(shu)據(ju)庫(ku)。為礦井(jing)水(shui)害治(zhi)理(li)提(ti)供(gong)更有效(xiao)的監測、分(fen)析(xi)。
4）預裂爆(bao)破管(guan)理(li)頂板(ban)
針對邱(qiu)集煤礦(kuang)11煤堅硬頂(ding)(ding)板(ban)(ban)難垮(kua)(kua)(kua)落(luo)或大(da)面(mian)積(ji)垮(kua)(kua)(kua)落(luo)難控制、應(ying)力(li)傳遞可能(neng)造(zao)成的(de)底板(ban)(ban)破壞、突(tu)水等隱患問題(ti)，提出了(le)(le)(le)超(chao)前深(shen)孔(kong)聚能(neng)預裂爆破技術(shu)，通過(guo)強(qiang)制放頂(ding)(ding)預切斷(duan)回采區(qu)域(yu)頂(ding)(ding)板(ban)(ban)與(yu)周圍頂(ding)(ding)板(ban)(ban)的(de)直接聯系，使得工(gong)作面(mian)推過(guo)后采空(kong)區(qu)頂(ding)(ding)板(ban)(ban)沿切縫(feng)線垮(kua)(kua)(kua)落(luo)，減少了(le)(le)(le)采空(kong)區(qu)懸(xuan)頂(ding)(ding)面(mian)積(ji)，改變(bian)了(le)(le)(le)巷道頂(ding)(ding)板(ban)(ban)受力(li)情況，實現了(le)(le)(le)切頂(ding)(ding)留(liu)巷；頂(ding)(ding)板(ban)(ban)垮(kua)(kua)(kua)落(luo)后，采空(kong)區(qu)頂(ding)(ding)板(ban)(ban)上(shang)附礦(kuang)壓通過(guo)冒(mao)落(luo)的(de)頂(ding)(ding)板(ban)(ban)傳遞到底板(ban)(ban)上(shang)，改變(bian)了(le)(le)(le)采空(kong)區(qu)底板(ban)(ban)的(de)應(ying)力(li)環境，降(jiang)低應(ying)力(li)對底板(ban)(ban)破壞。
四、主要經驗
1.在進(jin)行黃河北(bei)煤田受頂底(di)板(ban)雙重(zhong)水(shui)(shui)害(hai)(hai)威脅煤層(ceng)水(shui)(shui)害(hai)(hai)治理(li)(li)過程中(zhong)，通過采(cai)用地面(mian)區(qu)域順(shun)層(ceng)鉆孔(kong)+高壓注漿技術進(jin)行水(shui)(shui)害(hai)(hai)超前治理(li)(li)，實現了(le)水(shui)(shui)害(hai)(hai)治理(li)(li)技術新(xin)突破。“頂底(di)板(ban)同注”技術，解(jie)決(jue)了(le)11煤受雙重(zhong)灰巖威脅的問題。
采用淺埋深地面順層等距離分支鉆孔(kong)鉆探技術施工(gong)，在同條件同工(gong)程量(liang)下(xia)，較鉆孔(kong)采用扇形(xing)布置治理面積增加15%；單孔(kong)可節省治理費用100多萬元(yuan)；在后(hou)期施工(gong)中全部采用該項技術，可節省治理費用近2000萬元(yuan)。
采用(yong)黃河北煤田灰巖含水層裂(lie)隙精(jing)準注(zhu)漿(jiang)技術，每平米可(ke)節約(yue)(yue)水泥用(yong)量約(yue)(yue)5%，可(ke)節省治理費用(yong)約(yue)(yue)4000萬元。自動(dong)化造(zao)漿(jiang)控(kong)制(zhi)系統，解決了漿(jiang)液攪拌不(bu)均的問(wen)題，實現(xian)了精(jing)確的控(kong)制(zhi)漿(jiang)液的比重，降低了揚塵概率，提高(gao)了效能(neng)。
2.立體化(hua)水害防控理念
經過對(dui)下(xia)組煤的(de)治(zhi)(zhi)理(li)經驗的(de)總結，形成(cheng)了(le)立體(ti)式水(shui)(shui)害防(fang)控(kong)理(li)念，總結了(le)一套完整(zheng)的(de)治(zhi)(zhi)理(li)技(ji)術。立體(ti)式水(shui)(shui)害防(fang)治(zhi)(zhi)理(li)念，包(bao)(bao)括(kuo)時(shi)域和空域兩(liang)個(ge)方面，時(shi)域包(bao)(bao)括(kuo)：礦(kuang)井建(jian)井階段(duan)查清井田的(de)水(shui)(shui)文(wen)地(di)(di)質(zhi)條件勘查、礦(kuang)井單獨水(shui)(shui)文(wen)地(di)(di)質(zhi)單元(yuan)勘察、超(chao)前區域治(zhi)(zhi)理(li)的(de)探(tan)查、井下(xia)的(de)鉆(zhan)探(tan)探(tan)查、采掘(jue)工(gong)程的(de)水(shui)(shui)文(wen)監測、水(shui)(shui)資源的(de)利(li)用規劃等。空域包(bao)(bao)括(kuo)：大區域地(di)(di)面治(zhi)(zhi)理(li)與工(gong)作面疏水(shui)(shui)降壓(ya)結合(he)，井田地(di)(di)層與治(zhi)(zhi)理(li)地(di)(di)層的(de)結合(he)，原巖應力(li)場、采動應力(li)場、水(shui)(shui)力(li)場的(de)結合(he)；大構造、小斷層、裂隙展布的(de)結合(he)。不斷推進單一水(shui)(shui)害治(zhi)(zhi)理(li)的(de)轉變，對(dui)勘、探(tan)、治(zhi)(zhi)、評、防(fang)、監、控(kong)整(zheng)體(ti)規劃，實現“防(fang)、治(zhi)(zhi)、控(kong)”一體(ti)化(hua)、立體(ti)化(hua)。
五、治理效果
邱集礦11煤(mei)(mei)(mei)頂(ding)、底(di)(di)板薄層灰(hui)巖含水(shui)(shui)層治理工程開(kai)展3年來，效果顯著，主要(yao)表現：一(yi)是(shi)(shi)實現黃河北(bei)煤(mei)(mei)(mei)田11煤(mei)(mei)(mei)的(de)首(shou)次(ci)揭露，實現了(le)頂(ding)底(di)(di)板雙(shuang)重威脅煤(mei)(mei)(mei)層開(kai)采(cai)的(de)新突破，初(chu)期(qi)解放11煤(mei)(mei)(mei)儲量(liang)約(yue)400萬噸。二(er)是(shi)(shi)11煤(mei)(mei)(mei)安(an)(an)全(quan)掘(jue)進(jin)巷道12000米,形(xing)成(cheng)(cheng)了(le)排水(shui)(shui)、通風、供電、運(yun)輸(shu)系統。三是(shi)(shi)總(zong)結出11煤(mei)(mei)(mei)沿頂(ding)板四(si)五(wu)(wu)灰(hui)掘(jue)進(jin)過程中正常(chang)涌水(shui)(shui)量(liang)小(xiao)于(yu)3m/h，底(di)(di)板徐(xu)灰(hui)檢查孔(kong)小(xiao)于(yu)10m/h基本(ben)能夠(gou)保證安(an)(an)全(quan)開(kai)采(cai)。四(si)是(shi)(shi)試采(cai)面(mian)完成(cheng)(cheng)安(an)(an)全(quan)試采(cai)，首(shou)采(cai)工作(zuo)(zuo)面(mian)已(yi)推采(cai)160m。五(wu)(wu)是(shi)(shi)治理過程中形(xing)成(cheng)(cheng)了(le)一(yi)套完整的(de)適(shi)應(ying)邱集煤(mei)(mei)(mei)礦水(shui)(shui)文地質條件(jian)的(de)水(shui)(shui)平(ping)定(ding)向鉆孔(kong)頂(ding)底(di)(di)板同注漿(jiang)新技術、頂(ding)板全(quan)閉合預裂卸壓開(kai)采(cai)技術、記憶式智能化工作(zuo)(zuo)面(mian)建(jian)設。
在下(xia)組煤開(kai)(kai)采過程中，根據(ju)礦(kuang)井水(shui)(shui)文地質條件，采用新治(zhi)(zhi)理技術(shu)，并不斷進行科技創新，形成了(le)(le)以“立體化水(shui)(shui)害防治(zhi)(zhi)”、“預裂式卸壓開(kai)(kai)采”、“智能化開(kai)(kai)采”為核心的、具有自主產權的下(xia)組煤開(kai)(kai)采關鍵技術(shu)，為解(jie)放黃河(he)北煤田區域內大量優(you)質煤炭資(zi)源(yuan)奠定了(le)(le)堅(jian)實的基礎，積(ji)累了(le)(le)較為豐富的防治(zhi)(zhi)水(shui)(shui)、開(kai)(kai)采技術(shu)和實踐經驗。
