區(qū)域探查治理效果評(píng)價(jià)研究

程召祿

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局 水文地質(zhì)局，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

隨著煤礦開(kāi)采深度不斷增加，在華北煤田區(qū)，因斷層、陷落柱、封閉不良鉆孔、裂隙等導(dǎo)水通道的存在，造成大量涌、突水事件，而且對(duì)巖溶水資源造成了嚴(yán)重的破壞。以邯邢礦區(qū)為例，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，該區(qū)3 大礦業(yè)集團(tuán)日最高排水量超50 萬(wàn)t，礦井排水利用率僅50%，大量的地下水資源被浪費(fèi)，在給企業(yè)帶來(lái)排水負(fù)擔(dān)的同時(shí)，面臨著高額的地下水資源稅和環(huán)保壓力。由于煤礦開(kāi)采歷史悠久，很多礦井存在大量出水點(diǎn)無(wú)法封堵的現(xiàn)象，這些出水點(diǎn)或位于現(xiàn)采煤層上部，或位于封閉采區(qū)，井下已無(wú)法實(shí)施封堵治理，即使具備治理?xiàng)l件，仍然存在治理難度大和高風(fēng)險(xiǎn)安全隱患的現(xiàn)象。目前，煤礦地面區(qū)域治理技術(shù)成熟，已被廣泛應(yīng)用于“雙高”條件下開(kāi)采煤層超前探查和治理中，隨著煤炭行業(yè)不斷引進(jìn)、推廣和應(yīng)用石油行業(yè)定向鉆探施工技術(shù)，探索利用地面定向鉆孔施工技術(shù)對(duì)井下突水點(diǎn)和導(dǎo)水通道進(jìn)行靶向封堵，在保護(hù)巖溶水資源等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)條件

新集二礦位于淮南復(fù)向斜的謝橋向斜南翼，主體構(gòu)造線方向近東西向。在印支期南北向應(yīng)力擠壓下，將外來(lái)的元古代片麻巖系、寒武系以及少量的二疊系、石炭系、奧陶系地層推覆于原地系統(tǒng)之上，形成了以阜鳳逆沖斷層為主推覆面的后展式逆沖推覆構(gòu)造格架。近東西向的阜鳳逆沖斷層（下夾片斷層） 控制了礦井南邊界，井田中部近東西向的F10 斷層將井田分為南、北兩個(gè)區(qū)域，控制了井田的構(gòu)造格局。礦井推覆構(gòu)造如圖1 所示。

圖1 礦井推覆構(gòu)造示意Fig.1 Mine nappe structure

1 煤組平均厚度7.85 m，結(jié)構(gòu)為3.04（1.04）3.77。其中，1 煤厚度1.19～5.28 m，平均3.77 m，煤層厚度除西部邊緣及夾片斷層附近外，其余變化較小，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單；1上煤厚0～4.43 m（0001 孔、0201 孔及井田邊界附近尖滅），平均3.04 m，煤層厚度變化較大，煤層整體結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，局部含有一層泥巖夾矸，局部受構(gòu)造影響，煤（巖） 層產(chǎn)狀變化較大。

2201 治理區(qū)內(nèi)地層總體為傾向NNE 單斜構(gòu)造，傾向N15°W～N20°E，傾角在1°～12°，平均6°，局部?jī)A角可能出現(xiàn)變化。治理區(qū)南部距阜鳳下夾片斷層較近，受斷層影響，地層傾角變化大，次一級(jí)褶皺構(gòu)造、中小斷層及小褶曲較發(fā)育。

1.2 水文地質(zhì)條件

井田范圍含水層自上而下分別為新生界松散含水層、推覆體片麻巖裂隙含水層、推覆體寒武系灰?guī)r巖溶裂隙含水層、推覆體夾片含水層、原地二疊系1 煤組頂板砂巖裂隙含水層及1 煤底板太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層、奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。其中奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層、1 煤底板太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層是礦井1 煤開(kāi)采的主要水害威脅，此次治理的目的層即是太原組C312灰?guī)r溶裂隙含水層。

1.2.1 太原組灰?guī)r水

石炭系太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層，具有高水壓、弱富水、低存儲(chǔ)、少補(bǔ)給、低滲透等特點(diǎn)。采區(qū)范圍內(nèi)，揭露1 煤底板太原組灰?guī)r鉆孔16 個(gè)，所取巖芯裂隙較為發(fā)育，大多被方解石充填，未見(jiàn)溶隙。

根據(jù)采區(qū)內(nèi)部及周邊鉆孔抽水試驗(yàn)結(jié)果，斷層南北水位差異較大。斷層以北C31～4水位標(biāo)高為-34.28—2.74 m，南部-180.16—213.52 m，滲透系數(shù)0.001 12～0.053 8 m/d，單位涌水量0.000 168～0.009 L/s·m；C35～10 水位為-68.4 m，滲透系數(shù)0.000 195 m/d，單位涌水量0.000 08 L/s.m；C310～12 水位穩(wěn)定在-43.87 m，滲透系數(shù)0.001 51 m/d，單位涌水量0.000 297 L/s·m。以往抽水試驗(yàn)結(jié)果反映出鉆孔附近處灰?guī)r富水性弱，相對(duì)來(lái)說(shuō)，第一段富水性與滲透性與第三段相當(dāng)，高于第二層段。

1.2.2 奧陶系灰?guī)r水

奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層，巖性以白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r為主，裂隙多被方解石充填，偶見(jiàn)蜂窩狀溶蝕孔，未見(jiàn)大的溶洞。單位涌水量0.000 37～0.722 L/s·m，富水性弱～中等；水位標(biāo)高-45.19—-59.67 m；水質(zhì)類(lèi)型為Cl-Na 型，礦化度1.67～5.03 g/L，呈堿性。奧陶系灰?guī)r水正常情況下不會(huì)威脅礦井1 煤組開(kāi)采，但遇垂向隱伏構(gòu)造可導(dǎo)致異常突水，因此奧陶系灰?guī)r水是1 煤組開(kāi)采的主要防范對(duì)象。

采區(qū)范圍3 個(gè)鉆孔揭露，發(fā)生漏水現(xiàn)象，漏失量均大于10 m3/h。根據(jù)采區(qū)及周邊2 個(gè)奧灰抽水孔情況，穩(wěn)定水位標(biāo)高-67.37—-55.75 m，單位涌水 量q=0.000 37 ～0.009 72 L/s·m，滲 透 系 數(shù)K=0.000 039 6～0.006 75 m/d。富水性弱，但高于太原組灰?guī)r水。

2 探查治理技術(shù)方案及完成情況

2.1 技術(shù)方案

采用地面長(zhǎng)距離多分支定向鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)煤系地層基底隔水層超前探查垂向?qū)Вê?水構(gòu)造，并利用滲透注漿對(duì)構(gòu)造及通道加固封堵，進(jìn)行區(qū)域治理，形成防隔水帷幕，確保礦井生產(chǎn)安全。

2201 治理區(qū)設(shè)計(jì)1 個(gè)地面主孔、1 個(gè)造斜段及9 個(gè)順層水平分支孔，實(shí)現(xiàn)對(duì)2201 治理區(qū)域全覆蓋探查治理，鉆孔軌跡沿太原組（C312） 灰?guī)r順層鉆進(jìn)，與主構(gòu)造呈大角度斜交，分支鉆孔平行間距60 m。2201 采區(qū)220106 工作面完成工程量平面如圖2 所示。

圖2 2201 采區(qū)220106 工作面完成工程量平面示意Fig.2 Completed quantities plane of 220106 working face in 2201 mining area

（1） 鉆孔方位。鉆孔軌跡的方位包括主孔方位與分支孔方位，主孔方位的選擇要保證其他分支孔能夠?qū)崿F(xiàn)，并且覆蓋目標(biāo)區(qū)域，一方面，主孔方位要保證分支孔偏出主孔施工，另一方面，鉆孔軌跡應(yīng)盡可能與裂隙優(yōu)勢(shì)發(fā)育方位斜交，兼顧對(duì)周邊富水區(qū)域的探測(cè)。

（2） 鉆孔間距。鉆孔以區(qū)域治理為重點(diǎn)，根據(jù)礦井工作面底板注漿擴(kuò)散半徑試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（底板灰?guī)r注漿擴(kuò)散半徑為35 m） 及相關(guān)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以60 m 作為基本間距，在構(gòu)造發(fā)育區(qū)、富水地地帶可適當(dāng)加密。

（3） 靶點(diǎn)設(shè)計(jì)。要求鉆孔進(jìn)入著陸點(diǎn)后，通過(guò)隨鉆測(cè)井手段，保證沿目標(biāo)層位12 灰鉆進(jìn)，直至出靶。

3 探查治理效果評(píng)價(jià)

2201 采區(qū)已完成S1 孔直井、造斜段及S1-1～S1-5 號(hào)共5 個(gè)順層定向分支鉆孔，合計(jì)完成工程量7 126.69 m，完成了18 次壓水試驗(yàn)，對(duì)5 個(gè)分支進(jìn)行了鉆孔注漿，共注入水泥量1 303.942 t。已完成對(duì)220106 工作面底板灰?guī)r的探查治理任務(wù)，目的層順層率除S1-2 分支外均達(dá)到100%，S1-2分支因鉆遇構(gòu)造，順層率為99%。各分支孔鉆孔軌跡全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求。根據(jù)相鄰分支孔巖屑錄井情況以及水泥位置判定，確定39 m 為本次探查治理工程最小注漿擴(kuò)散半徑，分支孔能夠完全交叉覆蓋。分支孔間距設(shè)定合理，工作面目的層穩(wěn)定，構(gòu)造簡(jiǎn)單。

3.1 探查治理效果判定及分析

（1） 超前分析研究及物探驗(yàn)證。研究井田構(gòu)造發(fā)育規(guī)律，對(duì)三維地震資料、地質(zhì)勘探資料進(jìn)行仔細(xì)分析，確定構(gòu)造位置。根據(jù)礦井井下揭露構(gòu)造情況分析小構(gòu)造、隱伏陷落柱的影響因素，如煤層厚度、地層傾角、與主體構(gòu)造伴生關(guān)系、鉆孔涌水量、地層巖性等，采用層次分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析等數(shù)學(xué)方法，確定可能存在構(gòu)造或陷落柱的位置。區(qū)域治理完成后利用物探進(jìn)行二次驗(yàn)證，未發(fā)現(xiàn)異常區(qū)域。

（2） 鉆進(jìn)階段高精度觀測(cè)鉆探?jīng)_洗液漏失量監(jiān)測(cè)進(jìn)行異常判定。鉆探?jīng)_洗液漏失量是判斷構(gòu)造的重要參數(shù)，判斷漏失是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。鉆探施工中要對(duì)鉆探?jīng)_洗液消耗量進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測(cè)，在5 個(gè)分支孔施工鉆進(jìn)時(shí)，未突然出現(xiàn)掉鉆、漏失現(xiàn)象。各分支孔相對(duì)最大漏失點(diǎn)的位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 各分支孔相對(duì)最大漏失點(diǎn)位置關(guān)系Fig.3 Relative position relationship of the maximum leakage point of each branch hole

（3） 巖屑錄井標(biāo)注水泥位置，驗(yàn)證孔間距。

各分支揭露12 灰?guī)r屑顏色灰色、灰黑色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，遇酸劇烈起泡，局部含有少量泥質(zhì)，鋁土泥巖（表1）。僅在S1-2 分支1 719 m 處揭露落差小于5 m 斷層，其余分支巖屑錄井反應(yīng)目的層完整，地層較穩(wěn)定。

表1 巖屑分析Table 1 Cuttings analysis

（4） 泥漿消耗量判定。本次施工5 個(gè)分支孔泥漿消耗量均不大，沒(méi)有異常消耗點(diǎn)。

（5） 泥漿溫度判定。

泥漿溫度受壓水試驗(yàn)、上下鉆具，循環(huán)泥漿等因素影響，進(jìn)出口溫度最大差4.3～8.5℃，從5 個(gè)分支孔泥漿溫度錄井資料表明，正常鉆進(jìn)過(guò)程中泥漿進(jìn)口溫度與出口溫度差均在1.5～2℃，未發(fā)現(xiàn)地下水徑向補(bǔ)給。

3.2 治理效果驗(yàn)證

（1） 壓水驗(yàn)證。注漿結(jié)束后均進(jìn)行了清水高壓壓水驗(yàn)證，壓水驗(yàn)證透水率均小于0.006 8l u，說(shuō)明經(jīng)過(guò)治理后，目標(biāo)層可作為良好隔水層利用

（2） 水位觀測(cè)驗(yàn)證。通過(guò)注漿期間影響的水文孔水0101 水位分析，注漿后與注漿前相比，水位上漲了約68 m。隨著該治理區(qū)域注漿，該孔的水位明顯上漲，有逐漸向二組灰?guī)r水位靠近的趨勢(shì)，由此分析原觀測(cè)層位11 灰、12 灰裂隙已經(jīng)被封堵，注漿取得了良好的效果。S1-2 分支注漿后水0101 觀測(cè)孔水位變化如圖4 所示。

圖4 S1- 2 分支注漿后水0101 觀測(cè)孔水位變化Fig.4 Changes in water level of observation hole 0101 after grouting in S1-2 branch

4 結(jié) 論

（1） 通過(guò)相鄰分支孔巖屑錄井情況以及水泥位置判定，確定39 m 為此次探查治理工程最小注漿擴(kuò)散半徑，分支孔能夠完全交叉覆蓋。分支孔間距設(shè)定合理，工作面目的層穩(wěn)定，構(gòu)造簡(jiǎn)單。

（2） 根據(jù)鉆時(shí)錄井、巖屑錄井、泥漿消耗量、泥漿溫度，及壓水試驗(yàn)驗(yàn)證等情況分析，本次鉆遇目的層巖層較完整，裂隙不發(fā)育，未鉆遇隱伏垂向（含） 導(dǎo)水通道。

（3） 通過(guò)泥漿消耗量、壓水驗(yàn)證、觀測(cè)孔驗(yàn)證等方面驗(yàn)證了此次注漿治理效果良好，目標(biāo)層可作為良好隔水層利用。

（4） 根據(jù)后期物探驗(yàn)證結(jié)果，該區(qū)域經(jīng)注漿治理后，原有裂隙已大部分封堵，效果良好，能夠確保生產(chǎn)安全。