以創新技術引領企業安全高效可持續發展

▊ 文/郝永軍

冀中能源峰峰集團是我國最早開發利用的礦區之一，至今已有140多年的開采歷史，現已發展成為以煤為主、多元發展的國有現代化能源化工集團，是中國優質焦煤和動力煤重要生產基地。峰峰礦區地質條件復雜，水、火、瓦斯等自然災害因素多，峰峰集團本部現有7對生產礦井，其中煤與瓦斯突出礦井5對，水文地質復雜、極復雜型礦井5對，受煤層瓦斯、奧灰含水層水威脅嚴重，安全管理難度大。

作為一個老礦區，峰峰礦區煤炭資源逐漸趨于枯竭，剩余資源多為“三下”壓煤，這嚴重制約著峰峰集團的安全高效可持續發展。為解決這些難題，近年來，峰峰集團不斷解放思想、探索嘗試，創新性地采用防治水地面區域治理技術、地面水射流徑向水平破煤瓦斯治理技術和覆巖隔離注漿充填開采等先進技術，取得了一定成果，為礦井資源解放和安全高效可持續發展創造了條件。

一、峰峰礦區煤層底板復合承壓含水層突水機理與立體化區域治理技術的應用實踐

峰峰礦區水文地質條件極其復雜，斷層、褶皺和陷落柱比較發育，煤系基底賦存有厚度達600米的強富水奧陶系灰巖，礦區煤層開采標高在-850米左右，大部分礦井開采深度超過650米，煤層底板承受奧灰巖溶水水壓高達10.8～11.2MPa。

突水水源富水性特征、突水形式與特征主要表現為：含水層富水性不均一，底板突水多發生在局部連通性強的富水帶；底板復合含水層結構使得設防層位上移，縮小了底板相對隔水層厚度；采動誘發的原生各形態裂隙活化，常形成采場滯后突水。

結合區域治理定向鉆進技術、鉆探裝備與鉆進工藝、定向鉆探孔型組合與控制技術、水平定向鉆孔長距離高壓注漿等關鍵技術，提出“突水點定向鉆一體化查治模式”“井下掘進條帶區域超前補強治理模式”“井下地面超前區域治理模式”“井上下立體多層次區域治理模式”四種區域治理模式。

通過利用煤層底板復合承壓含水層三維立體區域治理技術及其效果全周期立體化檢測—監測技術，累計解放煤量3276.8萬噸，產出煤量804.1萬噸。成功解決了大采深高承壓奧灰水害和煤系薄層灰巖及礦井突水點治理的技術難題，實現了深部高承壓水上減水開采和無害化開采，創新了水害治理的思路和模式。

二、地面水射流徑向水平破煤瓦斯治理技術的應用實踐

峰峰礦區瓦斯地質條件復雜、含量豐富。解決煤與瓦斯共生資源開采和安全生產之間的矛盾，傳統的方法是采用施工順層鉆孔預抽瓦斯或施工“底板巖石巷+穿層預抽鉆孔+水力沖孔消突”措施，并在回采期間施工“頂板抽采巷或高位鉆場+順層鉆孔”等治理瓦斯工程，這樣不僅工程量巨大、費用高、治理時間長，且受生產銜接緊張、沒有足夠的瓦斯治理時間、人為因素等影響，導致瓦斯治理措施往往不能取得實效，從而造成嚴重的瓦斯災害隱患，對安全生產構成較大威脅。峰峰集團通過借鑒現有煤層氣地面開發經驗，在河北省首創了地面水射流徑向水平破煤瓦斯治理技術，實現了井下瓦斯地面治理。

通過地面鉆孔對井下煤層進行縱深多層、橫向多角度擴散，采用超高壓、超長度的定向水力射孔，引導地面規?；瘔毫?，實現壓裂以井為中心在煤層水平橫向360°、縱深向整個煤層厚度均勻地進行裂縫擴散，壓裂規?？沙杀短嵘?。同時，采用微震監測指導壓裂全過程。該技術體系的應用和實施，實現了被治理區域裂縫全覆蓋無壓裂盲區，瓦斯解吸和釋放速度快，徹底消除了傳統地下巷道瓦斯治理工藝成本高、風險高、效率低的弊端。

地面水射流徑向水平破煤瓦斯治理技術特點：一是定向鉆孔速度快，25分鐘可達100米，水平孔眼長度為80～120米，超高壓（60～150MPa）水力鉆井的特點適合各種軟硬度的煤層，不會出現塌孔情況。二是定向水平井組成蜂窩式立體孔結構，徹底破壞了被治理區域煤層應力結構，能順利引導壓裂方向，延伸壓裂長度，擴大壓裂波及范圍，實現被治理煤層區域立體均質化全覆蓋，消除壓裂盲區，實現煤層瓦斯壓力均質化、瓦斯解吸快速、滲流通道暢通。三是超高壓水力鉆孔形成的多層次、多方向、超長度孔眼，可使裂縫起裂，擺脫直井火藥爆破射孔或定向射孔應力集中的影響。超高壓水力水平射孔形成的水平長孔眼無塌孔，從而在地層深處改變了周圍煤層應力狀態。壓裂微震監測顯示，壓裂裂縫沿煤層靶點，在上下縱深整個煤層和橫向360°水平面上均勻地沿著超高壓水力水平鉆孔方向延伸，形成一個半徑為80～120米、高度為5～20米的不規則立體圓柱沖擊波體系。而且壓裂規模成倍提升，解決了傳統射孔壓裂僅沿著最大應力方向擴展而造成瓦斯治理區域出現眾多盲區的工藝弊端。

該項目率先在九龍礦實施，治理范圍預估產煤260萬噸，比傳統瓦斯治理模式可節約成本7600萬元，瓦斯噸治理成本僅為傳統模式的1/8，年回收純度為100%的天然氣約70萬立方米。截至2023年3月，九龍礦三口鉆井穩定排采，1號井套壓0.25MPa，全天排氣360立方米；2號井套壓0.55MPa，全天排氣800立方米；3號井套壓0.45MPa，全天排氣730立方米；合計全天排采氣總量1890立方米，總累計排采量119萬立方米。地面抽采出的瓦斯，可壓縮后出售，年創經濟效益208萬元；也可用于瓦斯發電，效益約300萬元/年。

▎ 瓦斯抽采

三、“三下”覆巖離層注漿充填技術的應用實踐

峰峰礦區“三下”壓煤量大面廣，“三下”采煤量占總產量的比例呈逐年增加的趨勢，從2005年的30%發展到目前的60%左右。在“三下”采出量中，建筑物下采出量最大，其次是鐵路下，水體下較少。從2005年協調全采技術，到2006年膏體充填開采技術，再到2020年的隔離注漿充填開采技術，峰峰集團堅持不斷探索與創新，始終致力于解決“三下”壓煤無法高效回收的問題。

煤層開采后自下向上分別形成垮落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶（離層區）?？迓鋷槊簩娱_采后直接垮落，垮落后巖層破碎程度巨大；裂隙帶位于垮落帶上方，因下部巖層垮落后而產生裂隙，裂隙較小，但導水暢通；彎曲下沉帶位于裂隙帶上方，受垮落帶影響，離層區呈彎曲下沉狀態，此狀態可延展至地表，導致地表整體下沉，但巖層完整性較好，其間巖層在下沉過程中會產生離層。此技術就是在巖層彎曲下沉帶離層內進行注漿，充填粉煤灰，控制地表下沉。

覆巖隔離注漿充填開采技術自2020年引入峰峰集團以來，成功地將傳統村莊下條帶式開采50米寬的工作面增加到150米，在不搬遷村莊的情況下實現了最大限度地回收村莊下的煤炭資源。已經在大社礦921203工作面和梧桐莊礦韋武莊村下182211工作面成功實施，減沉效果明顯，其中，921203工作面采出煤炭資源16.07萬噸，地表最大下沉178毫米，房屋沒有出現明顯損壞。182211工作面采出煤炭資源37.9萬噸，地表僅下沉302毫米，房屋沒有出現明顯損壞。

上述創新技術在峰峰集團的成功應用，為解放呆滯資源和安全開采提供了技術保障，保證了礦井正常生產銜接，同時實現了找煤增量，為峰峰集團安全高效可持續發展提供了強大動力。