區(qū)域超前探查治理技術在邯邢礦區(qū)深部采煤底板水害防治中的應用

蔣向明，任虎俊，陳亞洲

(1.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221008；2.中國煤炭地質總局水文地質局，河北 邯鄲 056006)

隨著中國中東部地區(qū)淺部煤炭資源逐漸趨于枯竭，深煤層開采勢在必行。目前開采深度最深已達到1501m[1，2]。深煤層開采受灰?guī)r承壓水威脅[3]，個別礦井煤層底板承受水壓達到7～10MPa，提高了煤層底板突水幾率[4]。為有效預防深部煤炭開采底板突水，2012年峰峰礦區(qū)冀中能源九龍煤礦首次將區(qū)域超前探查治理技術應用于煤礦底板水害防治工作中，針對大采深高承壓水井下探查施工安全難以保障、小型陷落柱及構造難以探明等難題而采取的一種主動防御防治水技術[1]。區(qū)域超前探查治理技術指：對面臨底板高承壓水害威脅的礦井，在煤層未開采以前，利用定向鉆技術對煤層底板巖溶含水層進行探查，鉆進過程中遇到地質構造進行注漿封堵，改造煤層底板含水層，確保深部煤炭資源安全開采[5-7]。隨著該技術在眾多大水礦區(qū)的推廣應用，相關學者從設計目的、技術路線、效果檢驗等方面進行了研究，如畢玉明以預防邢東礦-980以深底板突水為目標，對區(qū)域治理技術目的進行研究，得出，該區(qū)實施區(qū)域超前探查治理技術以探查和治理垂向地質構造為重點，對構造發(fā)育區(qū)段、地層破碎區(qū)段及富水異常區(qū)進行探查和注漿加固[8]；王鋒利以辛安礦2#煤底板防治水為例，對區(qū)域超前探查治理技術路線進行研究，提出該技術應采用“探查—治理—檢驗”的技術路線[9]；李沖以九龍礦15445N工作面區(qū)域治理為研究對象，提出工程結束后，利用單孔壓水試驗、井下鉆探驗證及綜合物探，對區(qū)域治理效果進行檢驗[10]。綜上，目前區(qū)域超前探查治理技術還存在探查治理設計缺乏依據(jù)、注漿改造工藝缺乏檢驗、注漿治理效果缺乏評價方法等問題，導致區(qū)域治理成本較高，治理效果難以準確評價。本文通過分析邯邢礦區(qū)深部采煤底板水文地質條件，結合邢東礦、辛安礦工程實例，對區(qū)域超前治理技術在深煤層底板高承壓水害防治中的高效應用進行研究[11-13]。

1 邯邢礦區(qū)水文地質條件概況

邯邢礦區(qū)地層由下到上主要為：元古界震旦系大紅峪組，下古生界寒武系、奧陶系，上古生界石炭系、二疊系，中生界三疊系，新生界新近系、第四系地層，主要含煤地層為山西組和太原組。邯邢礦區(qū)目前主采煤層為山西組2#煤。煤系底板為石炭系太原組灰?guī)r和奧陶系灰?guī)r，邯邢礦區(qū)2#煤底板地層柱狀圖如圖1所示。

圖1 邯邢礦區(qū)2#煤底板地層柱狀圖

據(jù)圖1可知，2#煤賦存于山西組中，其底板主要灰?guī)r含水巖組為太原組野青、伏青、大青及奧陶系，主要隔水層為本溪組，層厚25m左右。太原組灰?guī)r含水層含煤十層，且距離2#煤底板較近，其中邯鄲地區(qū)伏青、大青整體富水性中等，邢臺地區(qū)太原組灰?guī)r整體富水性弱；邯邢礦區(qū)奧陶系灰?guī)r為巨厚承壓含水層，水壓較大；上述灰?guī)r含水層高承壓水對2#煤及其以下煤層安全開采構成一定影響。

2 邢東礦區(qū)域超前探查治理工程

2.1 邢東礦2#煤底板突水方式

2.1.1 邢東礦2#煤底板水文地質條件

邢東礦現(xiàn)主采煤層2#煤，2#煤下部為太原組野青、伏青、大青灰?guī)r及底板奧陶系灰?guī)r。其中野青、伏青、大青灰?guī)r含水層富水性弱；奧陶系灰?guī)r為煤系地層的基底，總厚545m，鉆孔水位標高66.82m，單位涌水量3.776 L/(s·m)，富水性強，是2#煤底板主要突水水源。

2.1.2 邢東礦2#煤底板突水事件

邢東礦進入-980水平以深開采后，發(fā)生過三次底板突水。趙立松[14]通過突水過程及水化學數(shù)據(jù)分析，得出三次突水水源均為底板奧陶系巖溶水。第一次突水為2011年4月13日，2127工作面突水，突水水量最大為210m3/h，突水通道為非貫通性的斷層突水；第二次突水為2014年5月19日，-980集中運料巷15號孔突水，突水水量最大為150m3/h，突水通道為底板超前鉆孔；第三次突水發(fā)生在2015年3月1日，2222工作面底板突水，最大出水量為268m3/h，突水通道為煤層底板DF10、F22貫通性斷層突水。

綜合分析邢東礦2#煤底板水文地質條件及突水事件，因邢東礦太原組含水層富水性較差，邢東礦2#煤底板突水威脅系奧陶系巖溶水，突水方式系“底板奧陶系巖溶水+斷層、陷落柱”。

2.2 工程設計及施工

2.2.1 工程概況

邢東礦2#煤層底板-980水平以深區(qū)域，呈不規(guī)則長方形，南北長3.1km，東西寬1km，面積2.6 km2，治理區(qū)域內(2#/2#下/6#煤)總計可采出煤量為774.68萬t。區(qū)內承受奧陶系灰?guī)r巖溶水水壓約12MPa，區(qū)內構造發(fā)育，拉近了含水層與煤層的距離，存在的斷層使區(qū)內發(fā)生多次突水，且突水系數(shù)約0.48，-980以深區(qū)域存在較高的突水危險性，因此需要通過區(qū)域超前探查治理工程的實施，準確探查地質構造并實施治理，切斷奧陶系突水通道，保證底板隔水層的完整性。

2.2.2 工程設計

按邢東礦2#煤底板突水方式分析結論，選擇注漿治理目的層。太原組灰?guī)r含水性弱，可注性差，故施工注漿層位選在奧陶系灰?guī)r頂部。邢東礦水文地質類型為中等型，選擇以70m間距控制整個區(qū)域，以探查區(qū)內已知斷層為重點，兼顧探查周邊構造異常區(qū)。設計一個地面孔口，編號為XD1；水平孔布設方式選擇魚骨型布置，最大程度覆蓋治理區(qū)域的同時，降低工作量，實際完成鉆孔平面布置如圖2所示，北區(qū)布置12個近水平鉆孔，編號為N1—N12孔；南區(qū)布置8個近水平鉆孔，編號為S1—S8孔，外加兩個機動孔，共計22個分支鉆孔。

2.2.3 工程施工

鉆孔通過大角度定向鉆近水平進入奧陶系灰?guī)r八段85m左右，進入目的層施工順層定向分支孔，施工過程中采用分段式注漿，對鉆進過程中鉆遇的地質構造實施注漿治理，根據(jù)鉆探、注漿情況，及時反饋，不斷優(yōu)化設計直至達到區(qū)域治理設計要求。注漿材料選用32.5#礦渣硅酸鹽水泥。施工共歷時33個月。完成1主孔+40分支孔，鉆探總進尺27638.98m，抽水洗井103次，注漿98次，共注入水泥21418.36t。水平分支孔增加原因：T1—T14，根據(jù)礦方采掘接續(xù)，圈出2129工作面；N4t、N4t-1為確定X8陷落柱位置。

圖2 邢東礦鉆孔施工平面圖

2.3 工程評價

1)經(jīng)過-980水平以深區(qū)域實施區(qū)域探查治理后，邢東礦已完成2125、2224、2126工作面安全回采[8]。

2)2125工作面機尾處底板出水，現(xiàn)場估測水量約50m3/h，經(jīng)施工T1水平孔注漿治理后，2125工作面機尾處不再出水。

3) 2222工作面停采后，水量穩(wěn)定在180m3/h左右，北區(qū)南部5個水平分支鉆孔(N8—N12)施工治理后，2222工作面出水點已不再涌水。

3 辛安礦區(qū)域超前探查治理工程

3.1 辛安礦2#煤底板突水方式

3.1.1 辛安礦2#煤底板水文地質條件

辛安礦現(xiàn)主采煤層2#煤，2#煤下部為太原組野青、山青、伏青、小青、大青及基低奧陶系灰?guī)r。野青、小青富水性弱，山青、伏青、大青富水性中等，奧陶系灰?guī)r為煤系地層的基底，總厚550m，鉆孔水位標高120m，單位涌水量105 L/(s·m)，富水性強。礦區(qū)內部分區(qū)域大青石灰?guī)r裂隙含水層與奧陶系灰?guī)r含水層之間通過斷層局部對接，存在水力聯(lián)系。

3.1.2 辛安礦2#煤底板突水事件

2010年11月19日辛安礦-500 水平112124 溜子道在掘進工程中發(fā)生突水，突水量超過6000m3/h，突水通道為隱伏斷層；2011年12月11日，辛安礦112106回采工作面在回采過程中，發(fā)生老空區(qū)煤層底板突水，突水量最大達24000m3/h，突水通道為開采煤層底板以下的隱伏斷層[15]。

綜合分析辛安礦2#煤水文地質條件及突水事件，因大青含水層富水性中等且與奧陶系灰?guī)r含水層存在水力聯(lián)系，因此辛安礦面臨的突水威脅水源中直接水源系大青含水層巖溶水，間接水源系奧陶系巖溶水，辛安礦突水方式為：“底板奧陶系巖溶水→大青巖溶水+斷層、陷落柱和老空水+斷層、陷落柱”。

3.2 工程設計及施工

3.2.1 工程概況

辛安礦-500水平北翼地區(qū)位于礦井東南部，長2.7km，寬0.6～0.8km，面積約2.06km2，僅開采2#煤，地質儲量為502.6萬t。該地區(qū)位于以礦井東部井田邊界F1和F55大斷層為主干的“帚狀”構造收斂部，區(qū)內大中型斷層極為發(fā)育，存在兩條落差25m以上的斷層(F41-1、F42-1)，且地質構造復雜。因此通過區(qū)域超前探查治理技術查明區(qū)內構造并加以治理。

3.2.2 工程設計

按辛安礦2#煤底板突水方式分析結論，選擇注漿治理目的層。辛安礦煤層底板奧陶系巖溶水和大青巖溶水之間存在水力聯(lián)系，同時大青灰?guī)r含水層富水性中等，可注性較好，因此選擇大青灰?guī)r為注漿治理目的層。由于奧陶系巖溶水和大青巖溶水之間存在斷層、陷落柱等垂向地質構造，且部分垂向地質構造發(fā)育至煤層附近，導致老空水沿垂向構造發(fā)生突水，區(qū)域治理時應同時兼顧垂向地質構造發(fā)育部位。根據(jù)辛安礦-500水平北翼預留防水煤柱及礦井生產(chǎn)規(guī)劃安排，區(qū)域治理工程設計主要針對預留防水煤柱線以南及其附近區(qū)域。共設計三個地面主孔，其中3、4號孔目的層為大青含水層，治理目的以再造大青灰?guī)r隔水層為主，水平孔布設選擇扇骨形布設，最大程度覆蓋大中型斷層，共設計水平分支孔28個，根據(jù)已有地質資料，辛安礦水文地質類型為極復雜型礦井(3、4、5號孔)，其中3-1、3-2、3-3、3-4四個分支鉆孔，地質構造發(fā)育程度較差，間距60m，其余分支孔，地質構造發(fā)育程度較高，間距不大于40m；5號孔目的層為伏青灰?guī)r，治理目的以探查治理垂向地質構造為主，共設計水平分支孔2個(5-1、5-2)，位于F55-1斷層西側，分支孔間距40m。鉆孔布置如圖3所示。

圖3 辛安礦鉆孔布置平面圖

3.2.3 工程施工

鉆孔通過大角度定向鉆近水平進入目的層，后順序施工，按鉆孔設計間距施工。施工過程中采用分段式注漿，對鉆進過程中鉆遇的地質構造實施注漿治理，根據(jù)鉆探、注漿情況，及時反饋，不斷優(yōu)化設計直至達到區(qū)域治理設計要求。

3.3 工程評價

1)3-9 號分支孔注漿結束后在其軌跡上方20m施工的3-9-1號驗證孔鉆進至3-9號漏失孔段(漏失量9.6m3/h)時鉆井液消耗量在0.2m3/h左右。

2)3-4 號分支孔在1014m孔段漏失量達到59m3/h，注漿過程中，發(fā)現(xiàn)井下距離3-4號分支孔平面距離43m的大青含水層長觀孔XD16鉆孔水壓升高，疑似涌漿，注漿結束后，打開XD16鉆孔井口，發(fā)現(xiàn)該孔已被漿液擴散封堵，說明漿液擴散，封堵效果良好[9]。

4 區(qū)域超前治理探查治理技術應用研究

對邢東礦區(qū)域探查治理工程和辛安礦區(qū)域探查治理工程應用實例進行對比分析，見表1。根據(jù)對比結果確定區(qū)域探查治理關鍵技術。

4.1 區(qū)域超前探查治理目的層選擇

注漿治理目的層選擇關系到區(qū)域治理工程成敗的關鍵。目的層選擇在太原組灰?guī)r層位，可能面臨著巖溶發(fā)育程度較差，可注性差的窘境。目的層選擇在奧陶系灰?guī)r層位，可能面臨著注漿治理成本較高，漿液漏失量較大，治理效果差的難題。

表1 邢東礦、辛安礦區(qū)域超前探查治理技術對比表

因此，區(qū)域超前探查治理技術注漿治理目的層選擇，應綜合分析礦區(qū)水文地質條件、突水事件、突水方式等，選擇離煤層最近、含水層厚度適中、可注性較好的含水層。

4.2 區(qū)域超前探查治理水平孔布設距離及方式選擇

水平孔布設距離及布設方式關系到區(qū)域治理工程成本及治理效果。水平孔間距布設較大，則成本低，但治理效果較差；水平孔間距布設較小，則成本較高；水平孔按扇骨型布設，工程量較大，但可最大程度覆蓋構造發(fā)育較高的區(qū)域；魚骨型布孔，可均勻覆蓋研究區(qū)，避免遺漏。

因此，區(qū)域超前探查治理技術水平孔布設距離，應綜合分析礦區(qū)水文地質類型、構造發(fā)育程度、地質構造復雜程度等，水文地質類型中等以下的礦井可適當加大鉆孔間距，布設機動孔，鉆遇地質構造發(fā)育程度較高的區(qū)域應通過布設機動孔減小水平孔間距；水文地質類型復雜及以上的礦井應適當縮小鉆孔間距，并根據(jù)區(qū)域構造復雜程度和發(fā)育程度進一步縮小水平孔間距。在選擇水平孔布孔方式時，應重點考慮研究區(qū)區(qū)域治理目的，重點區(qū)域建議選擇扇骨型布置，無重點區(qū)域的，建議選擇魚骨型布置。

4.3 區(qū)域超前探查治理工藝選擇

現(xiàn)有區(qū)域治理工程均采用 “探注一體化”治理工藝，分段式注漿方法，在鉆進過程中鉆遇地質構造，發(fā)生漿液漏失等現(xiàn)象時，停止鉆進實施注漿，達到設計壓力后，在繼續(xù)鉆進，探查，未考慮治理效果的檢驗，導致工程質量難以保證。

因此，提出“探注驗一體化”治理思想，對鉆進過程中遇到的地質現(xiàn)象實施注漿治理并檢驗，其中檢驗可通過工作面涌水量變化、注漿量變化及驗證孔檢驗效果等指標確定。

4.4 區(qū)域超前探查治理效果評價

現(xiàn)有治理效果評價方式見表2，據(jù)表2可知，現(xiàn)有評價方式大致分兩種：①通過鉆孔漿液漏失量或原涌水點不在涌水分析注漿治理效果；②通過滲透系數(shù)或阻水系數(shù)分析注漿改造后的底板隔水層阻水能力進行評價。

表2 注漿治理效果評價方式統(tǒng)計

由于深煤層開采面臨著高地應力、高地溫、高承壓水的“三高”特征，區(qū)域探查治理效果評價應綜合考慮多種因素的量化組合，提高評價結果的可靠程度。因此，提出利用突水系數(shù)、含水層涌水量、礦井涌水量、構造發(fā)現(xiàn)率、初始奧陶系巖溶水壓等指標，通過迭代指數(shù)法組合量化后，重新評價注漿治理效果。

5 結 論

針對區(qū)域超前探查治理設計缺乏依據(jù)、注漿改造工藝缺乏檢驗、注漿治理效果缺乏評價方法問題。本文通過分析邯邢礦區(qū)深煤層底板水文地質條件及邢東礦、辛安礦工程實例，對邯邢礦區(qū)深部采煤區(qū)域超前探查治理技術應用進行研究。得出結論如下：

1)注漿治理目的層選擇應綜合分析研究區(qū)水文地質條件、突水方式，選擇離煤層最近、厚度適中、可注性較好的含水層進行注漿改造。

2)水平孔布設距離應綜合分析研究區(qū)水文地質類型、地質構造復雜程度及發(fā)育程度確定布孔間距，并設計機動孔；水平孔布設方式應考慮區(qū)域超前探查治理目的。

3)區(qū)域超前探查治理工程應采用“探、注、驗一體化”的治理思路，對鉆進過程中遇到的地質構造實施注漿治理并檢驗。

4)治理效果應利用突水系數(shù)、含水層涌水量、礦井涌水量、構造發(fā)現(xiàn)率、初始奧陶系巖溶水壓等指標，通過迭代指數(shù)法組合量化后，重新評價。