城郊煤礦薄層灰?guī)r水害治理技術(shù)研究與實踐

鐘 蜜

（江蘇長江地質(zhì)勘查院，江蘇 南京 210046）

近年來，煤礦灰?guī)r水害治理積極推廣地面水平定向鉆進技術(shù)，形成了成熟的區(qū)域超前治理技術(shù)，而針對煤層頂?shù)装灞踊規(guī)r進行探查、治理的地面區(qū)域治理技術(shù)應(yīng)用較少，部分煤礦使用地面水平定向鉆井技術(shù)對煤層頂?shù)装灞踊規(guī)r進行探查和高壓注漿治理，取得了一定的治理效果。冀中能源峰峰礦區(qū)薄層灰?guī)r地面區(qū)域治理中通過下套管到大青灰?guī)r含水層頂面、羽狀分支孔補注等技術(shù)手段，取得了薄層灰?guī)r含水層區(qū)域注漿加固的成功[1]。羊東礦選擇奧灰頂部5.5 m 厚大青灰?guī)r為治理目的層，取得了較好的治理效果[2]。桃園煤礦Ⅱ4 采區(qū)10 煤底板三灰含水層治理，通過分段“探注結(jié)合”施工，有效封堵三灰溶隙、裂隙，最終將三灰含水層改造為隔水層[3]。冀中能源辛安礦選擇奧灰頂部5.5 m厚大青灰?guī)r為治理目的層，取得了較好的治理效果[4]。黃河北部西南地區(qū)煤礦采掘前應(yīng)用多分支水平定向鉆井技術(shù)，對平均厚度為10 m 的含水層進行注漿加固，將含水層改造為弱含水層或隔水層[5]。因此，借鑒相關(guān)成熟經(jīng)驗，采用地面水平定向鉆孔技術(shù)對煤層頂?shù)装灞踊規(guī)r進行探查和高壓注漿治理是可行的。

永城地區(qū)針對煤層底板太原組L10薄層灰?guī)r進行地面區(qū)域治理尚沒有相關(guān)的技術(shù)經(jīng)驗可供參考。城郊煤礦十四輔助采區(qū)位于礦井十四采區(qū)北側(cè)深部區(qū)域，整體水文地質(zhì)條件相對復(fù)雜，為縮短水害治理周期，保證治理效果，城郊煤礦經(jīng)過多重技術(shù)論證選擇地面區(qū)域治理技術(shù)對煤層底板太原組上段L10灰?guī)r進行治理，防止底板水害發(fā)生。該工程通過施工三個地面孔組（D1、D2、D3 孔）共35 個水平定向分支孔對L10灰?guī)r地質(zhì)、水文地質(zhì)及隱伏含（導(dǎo)）水構(gòu)造等進行探查并進行高壓注漿治理，將目的層改造成為有效隔水層。治理后十四輔助采區(qū)F21405工作面計算最大突水系數(shù)為0.044 MPa/m，符合《煤礦防治水細則》中突水系數(shù)安全值不大于0.06 MPa/m 的標(biāo)準，無突水威脅，可以安全回采。該工程的成功實施為城郊煤礦各采掘工作面有序銜接起到關(guān)鍵作用，產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟社會效益，同時為薄層灰?guī)r地面區(qū)域治理技術(shù)在該礦其他工作面推廣使用提供了技術(shù)支撐。

1 采區(qū)地質(zhì)特征

1.1 地層特征

十四輔助采區(qū)地層較為簡單，未見基巖出露，根據(jù)見煤地質(zhì)鉆孔揭露地層為第四系(Q)、新近系（N）、二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）、二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）、石炭系上統(tǒng)太原組（C2t），巖性如下：

第四系（Q）：以褐黃、棕黃黏土、亞黏土為主，表層為耕植土。

新近系（N）：厚度420 m，以灰色、雜棕黃色中粗砂、細粉砂為主，次為土黃色黏土質(zhì)砂間夾砂質(zhì)黏土，新近系底部為一層土黃色夾灰綠色含礫黏土。

二疊系下統(tǒng)下石盒子組（P1x）：厚度約40 m，主要由灰、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖和淺灰色砂巖、鮞狀鋁質(zhì)泥巖及煤層組成，與上伏新近系地層呈不整合接觸。

二疊系下統(tǒng)山西組（P1s）：下起K3 標(biāo)志層頂，上至K4 下部的一層砂巖(砂鍋窯砂巖),由泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖及煤層組成，厚度平均92.54 m，含煤3 層，賦存于該組中部的二2 煤層為該礦的主要可采煤層。二2煤下部具兩個特征不同的巖性單元，下段主要由厚層黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖組成，層位穩(wěn)定，含有少量的動物化石碎片和硅質(zhì)菱鐵礦結(jié)核；上段主要為薄層狀砂巖，水平層理較發(fā)育，層面含碳質(zhì)及白云母片，稱為“葉片狀砂巖”。二2煤層上部一般發(fā)育有兩個沉積旋回，主要為砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖夾不穩(wěn)定的薄煤層，總體表現(xiàn)為下細上粗的特點，偶見薄層菱鐵礦，中部為一層中粗粒長石石英砂巖，膠結(jié)疏松，俗稱為“豆腐渣砂巖”。

石炭系上統(tǒng)太原組（C2t）：由較穩(wěn)定的薄～厚層狀灰?guī)r、泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉細砂巖組成，本組上段所含L10灰?guī)r為本次治理的目標(biāo)層位，平均地層厚度4.2 m。

1.2 構(gòu)造特征

十四輔助采區(qū)位于陳樓背斜核部，區(qū)內(nèi)構(gòu)造較為發(fā)育（圖1）。治理區(qū)西部以F2、DWF85 邊界大斷層為治理邊界，南部以DWF43、FW45 斷層為邊界，區(qū)內(nèi)發(fā)育多條走向北東向、東西向斷層，以北東走向斷層為主。根據(jù)三維地震勘探資料，區(qū)內(nèi)共發(fā)育斷層11 條，均為正斷層，落差最小0.8 m，最大17.4 m，其中落差大于3 m 的斷層6 條，分別 為DWF45、DWF46、DWF56、DWF58、DWF55、FF21405H-3，對回采影響較大。在煤層運輸巷、回風(fēng)巷掘進過程中，揭露的一些次生隱伏小斷層如FF21405Y-1、FF21405H-2、FF21405H-2-1對回采影響較小。

圖1 采區(qū)構(gòu)造地質(zhì)圖

1.3 水害特征

十四輔助采區(qū)范圍內(nèi)斷層多為高角度壓扭性正斷層，斷層破碎帶間充填多為斷層泥，起到隔水作用，一般情況下不存在導(dǎo)通出水的可能，僅以頂板淋水的形式出現(xiàn)，只要不破壞斷層的自然狀態(tài)，一般情況下不易發(fā)生突水。老空區(qū)積水是礦井開采過程中威脅較大的水害因素，采區(qū)南部的21402、21403、21404、21406 四個采空區(qū)存在積水現(xiàn)象。通過超前探放對老空區(qū)積水進行疏干排放，防止積水突入，可使得老空積水對本采區(qū)生產(chǎn)無影響。

2 技術(shù)方案及完成情況

2.1 治理層位選取

根據(jù)城郊煤礦水文觀測孔資料，治理區(qū)太原組上段含水層水位標(biāo)高為-327.7 m，本區(qū)開采上限標(biāo)高為-425～-655 m，平均安全開采深度靜水壓力1.0～3.3 MPa。取突水系數(shù)臨界值計算開采二2煤層底板隔水層厚度不得低于55 m，太原組上段L10灰?guī)r煤層間距62 m，平均厚度4.2 m，地層穩(wěn)定，以該層為目的層較為合理。治理后可以使十四輔助采區(qū)工作面開采突水系數(shù)小于0.06 MPa/m，滿足《煤礦防治水細則》規(guī)定地面區(qū)域治理后煤層底板突水系數(shù)小于0.06 MPa/m 的要求，符合回采條件，實現(xiàn)無水害安全開采。

2.2 治理思路及方法

使用地面定向鉆機沿工作面范圍內(nèi)L10灰?guī)r段順層定向鉆進后，地面注漿站通過定向鉆孔軌跡對二2 煤層底板下伏L10灰?guī)r含水層進行高壓注漿治理改造，有效封堵灰?guī)r發(fā)育的導(dǎo)水裂隙，將煤層底板太原組上段灰?guī)r含水層改造為有效隔水層，達到目的層超前區(qū)域治理的效果。

地面治理方法包括施工鉆孔探查和注漿治理兩個方面，探查工作主要由地面施工多分支順層定向鉆孔來完成，探查可能存在的隱伏導(dǎo)水構(gòu)造和導(dǎo)水通道，并對其進行高壓注漿封堵、加固［6］，將其改造為隔水層。治理是通過對施工的分支孔進行高壓注漿來完成。

2.3 鉆孔設(shè)計

十四輔助采區(qū)地面區(qū)域治理工程設(shè)計了3 個地面孔組，共35 個水平分支孔，其中D1 孔組設(shè)計13 個水平分支孔（圖2a），D2 孔組設(shè)計10 個水平分支孔（圖2b），D3 孔設(shè)計12 個水平分支孔（圖2c）。分支鉆孔間距選取50～60 m，設(shè)計總鉆探工程量23 413.60 m。

圖2 鉆孔軌跡設(shè)計立體圖及井身結(jié)構(gòu)圖

2.4 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

本次施工的3 個地面鉆孔均采用三開井身結(jié)構(gòu)（圖2d），一開、二開為主孔，三開為目的層L10灰?guī)r水平順層段。

一開為地面至基巖穩(wěn)定層位；孔徑Φ311 mm，下入Φ244.5 mm×8.94 mm 套管，下至新近系基巖穩(wěn)定層位，隔離第四系地層。

二開為基巖穩(wěn)定層至太原組L10灰?guī)r，孔徑Φ215.9 mm，下入Φ177.8 mm×8.05 mm 套管，固結(jié)第二層套管，完成套管底口10 MPa 承壓水試驗。

三開為目的層太原組上段L10灰?guī)r水平順層段，孔徑152 mm。

2.5 工程完成情況

十四輔助采區(qū)地面區(qū)域治理工程于2022 年7月正式開工，至2023 年9 月完成野外施工作業(yè)。項目施工完成3 個地面孔組（D1、D2、D3 孔組），共計35 個水平定向分支孔，鉆探工程量22 666 m。施工過程中累計注漿90 次，注漿量63 874 t。

3 治理效果分析

3.1 漏失點及注漿量分析

水平分支孔定向施工過程中共發(fā)生10 m3/h 以上漏失39 次，其中全漏（大于50 m3/h）失返25次，占漏失點2/3 之多，漏失點位置主要分布在D2孔、D3 孔施工區(qū)域的絕大部分分支，D1 孔組除主孔漏失外，其他分支漏失情況較少。漏失點分區(qū)明顯，靠近斷層位置較多。漏失點單次平均注漿量為772.59 t，漏失點注漿量增加有限，說明L10灰?guī)r注漿空間以微裂隙為主，溶洞、較大裂隙充填為次。

3.2 注漿壓力與注漿量關(guān)系分析

鄭士田（2021）在淮北朱莊煤礦Ⅲ632 工作面底板太原組上段L3 灰?guī)r水害治理中，認為注漿壓力呈“階梯式”遞增趨勢[7]，先后經(jīng)歷“微壓充填（注漿孔口壓力為0 MPa）-低壓擴散（注漿孔口壓力為0～4 MPa）-中壓加固（注漿孔口壓力為4～8 MPa）-高壓劈裂（注漿孔口壓力大于8 MPa）”4個階段。依據(jù)地面區(qū)域治理相關(guān)經(jīng)驗及本區(qū)地質(zhì)特征，將注漿壓力劃分為4 MPa 以下、4～8 MPa 和8 MPa 以上三個壓力階段，分別對應(yīng)注漿過程的三個階段，即孔隙低壓充填擠密、裂隙中壓滲透加固和微裂隙高壓劈裂階段。

高壓劈裂注漿是壓密注漿的基礎(chǔ)，施加高壓將巖體劈開并對其注漿，巖體原有裂隙會擴大，漿液擴散范圍也會增大[8]。該次地面治理施工的分支孔總體呈現(xiàn)“揭露漏失多、起注壓力低、中高穩(wěn)壓時間長、低壓占比小”的特點。該工程注漿起始壓力小于2 MPa 次數(shù)占比高，有70 次，大于等于2 MPa 的僅有19 次。通過分析注漿參數(shù)后發(fā)現(xiàn)0～4 MPa 低壓充填擠密階段吃漿量小，占比21%，4～8 MPa 和8 MPa 以上中壓滲透加固階段及高壓劈裂階段吃漿量較大，分別達42%和37%。由此可知，中壓滲透加固階段和高壓劈裂階段是主要注漿階段，具有代表性的注漿孔是D2-5 分支孔第一注漿段注漿過程中，注漿壓力達到8 MPa 時出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象，壓力降低至6 MPa 后又快速升至8 MPa，并保持穩(wěn)壓持續(xù)注漿（圖3）。此特性表明治理區(qū)目的層L10灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育以微小裂隙為主，裂隙張開程度較小，無大型巖溶空隙發(fā)育，低注漿壓力作用下不能在地層中擴散，必須在高壓注漿條件下才能克服地層阻力，通過地層劈裂使?jié){液向周圍持續(xù)擴散。

圖3 D2-5-1 壓力與注漿量曲線圖

3.3 注漿壓水效果分析

各孔組水平分支孔施工中，在每次注漿前后分別進行壓水驗證。統(tǒng)計結(jié)果表明，注漿前吸水率普遍大于0.1 Lu（呂榮），通過分段多鉆次注漿，L10灰?guī)r含水層逐漸壓密注實，各個水平分支終孔壓水驗證吸水率普遍小于0.01 Lu（呂榮），D1 孔注漿前吸水率平均值為0.494 Lu（呂榮），注漿后吸水率最大值為0.026 Lu（呂榮），平均值降為0.011 Lu（呂榮）。吸水率的有效降低表明通過地面高壓注漿加固，目的層L10灰?guī)r層治理效果較好，可以作為煤層底板有效的隔水層利用（圖4）。

圖4 D1 孔組治理前、后吸水率折線圖

3.4 突水系數(shù)分析

地面區(qū)域治理后，太原組上段L10灰被改造為等效隔水層，因此底板有效隔水層厚度可計算至L9灰頂板，根據(jù)實際揭露其隔水層有效厚為65～70 m。根據(jù)十四輔助采區(qū)F21405 綜采工作面的水文觀測孔資料，該采區(qū)含水層水位標(biāo)高為-327.7 m，結(jié)合十四輔助采區(qū)的標(biāo)高范圍，太原組上段灰?guī)r含水層靜水壓為1.85～2.89 MPa。根據(jù)突水系數(shù)計算公式：

T=P/M

式中：T為突水系數(shù)，MPa/m；P為底板隔水層安全水頭值，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

L10灰?guī)r含水層經(jīng)地面區(qū)域治理后，整體已被改造為有效隔水層，L9灰?guī)r層以上均為有效隔水層，厚度達65～70 m。

則該工作面最大突水系數(shù)：T=P/M=2.89 MPa/65 m=0.044 MPa/m。

經(jīng)計算，該工作面最大突水系數(shù)為0.044 MPa/m，突水系數(shù)符合《煤礦防治水細則》中突水系數(shù)安全值不大于0.06 MPa/m（底板受構(gòu)造破壞）的標(biāo)準，無突水威脅，可以安全回采。

4 治理效果井下驗證

4.1 井下物探驗證

永城地區(qū)煤層底板灰?guī)r富水性強，裂隙帶一般為含水，其低阻特征明顯[9]。礦井物探方法中，瞬變電磁法和音頻電透視法都是較為合理的選擇。該礦為驗證本次地面區(qū)域治理效果，采用音頻電透視法對F21405 工作面底板巖層富水性進行探測，分別在F21405 運輸巷和F21405 回風(fēng)巷布置兩條測線，在兩巷分別布置測線長度為1000 m。F21405 運輸巷從切眼位置開始，沿F21405 運輸巷向巷道外方向依次標(biāo)為0#～100#點，測點距10 m。F21405 回風(fēng)巷從切眼位置開始，沿F21405 回風(fēng)巷向巷道外方向依次標(biāo)為0#～100#點，測點距10 m。

音頻電透視法探測后對F21405 工作面進行了綜合地質(zhì)解釋，發(fā)現(xiàn)煤層底板L10灰?guī)r層存在3 處大于異常閾值的區(qū)域，命名為Y10YC1～Y10YC3，具體分析如下：

Y10YC1位于X 軸510～610 m，Y 軸230～280 m，視復(fù)電導(dǎo)率大于0.35 s/m，為相對高導(dǎo)異常區(qū)域，推斷為L10灰?guī)r局部裂隙發(fā)育富水或巖層富水所致；

Y10YC2位于X 軸770～875 m，Y 軸60～140 m，視復(fù)電導(dǎo)率大于0.35 s/m，為相對高導(dǎo)異常區(qū)域；

Y10YC3位于X 軸980～1000 m，Y 軸255～300 m，視復(fù)電導(dǎo)率大于0.35 s/m，為相對高導(dǎo)異常區(qū)域。

4.2 井下鉆孔驗證

針對已完成的水平分支孔，在F21405 工作面運輸順槽、回風(fēng)順槽共布置9 個鉆場施工井下驗證孔，累計施工驗證孔54 個。揭露L10灰鉆孔51 個，其中涌水量＜10 m3/h 的鉆孔49 個，有2 個涌水量大于10 m3/h 的鉆孔。由于該段分支孔未施工完成，驗證時沒有進行高壓注漿治理。在兩個水平分支孔經(jīng)地面注漿改造后，又施工兩個驗證孔對兩處涌水點進行了探查驗證，發(fā)現(xiàn)治理后該處涌水量均＜10 m3/h，說明兩處涌水點經(jīng)高壓注漿改造后，已成為煤層底板有效隔水層。

為了對音頻電透視法發(fā)現(xiàn)的Y10YC1、Y10YC2、Y10YC3三處異常點進行驗證，施工了Y3-3、H1-2、驗1、驗3 共計4 個檢查孔，發(fā)現(xiàn)L10灰?guī)r涌水量均處于1～2 m3/h 之間，沒有出現(xiàn)超過10 m3/h 涌水量的異常區(qū)，說明引起異常的原因非目的層L10灰?guī)r富水所致，表明地面區(qū)域治理效果較好。

5 技術(shù)經(jīng)驗

十四輔助采區(qū)煤層底板灰?guī)r地面區(qū)域治理工程的成功實施，為該區(qū)以太原組上段L10薄層灰?guī)r為治理目的層的區(qū)域治理積累了技術(shù)經(jīng)驗。

1）太原組上段L10灰?guī)r層位連續(xù)性好，沉積穩(wěn)定，平均地層厚度約4.2 m，斷層、隱伏構(gòu)造易于控制，含水層整體富水性弱，僅局部裂隙發(fā)育，水力連通性較差。經(jīng)過地面區(qū)域治理，該層可以由含水層變?yōu)橛行Ц羲畬印?/p>

2）太原組上段L10灰?guī)r溶裂隙含水層，富水性弱，既有利于注漿改造，注漿量又不會太大，地面區(qū)域治理成本較低，且治理效果較好，施工工期短，減少井下非采煤作業(yè)人員，降低了對采煤作業(yè)的影響，提高了生產(chǎn)效率，保障了井下生產(chǎn)安全。

3）高壓注漿前采用清水洗井清除泥皮，使用水泥漿單漿高壓注漿，灰?guī)r中漿液擴散半徑27 m［10］；城郊礦井下施工的治理效果檢驗孔，在揭露太原組上段L10灰?guī)r含水層時，發(fā)現(xiàn)了地面鉆孔注漿時壓入地層的水泥，證明目的層灰?guī)r內(nèi)水泥漿液擴散效果好，地面區(qū)域治理水平定向鉆孔孔間距取50～60 m 較為合適，水泥漿在目的層灰?guī)r含水層內(nèi)擴散范圍基本與層間距布設(shè)相符。

4）華北型煤田煤層開采過程中，煤層底板突水威脅主要來自奧陶系灰?guī)r含水層和太原組灰?guī)r含水層，需增加底板隔水層厚度或治理導(dǎo)水通道［11］。城郊煤礦十四輔助采區(qū)治理前突水系數(shù)超過0.06 MPa/m，不符合相關(guān)規(guī)范要求。通過地面區(qū)域治理工程的施工，對太原組上段L10灰?guī)r為目的層進行了探查和高壓注漿治理，使煤層底板最大突水系數(shù)有效降低至0.044 MPa/m，最大突水系數(shù)符合規(guī)定要求。該水害治理工程取得的成果表明地面區(qū)域治理技術(shù)在城郊煤礦具有很好的適用性，為該礦其他工作面的治理提供了技術(shù)支撐。

6 結(jié)論

1）井下水害地面區(qū)域治理工程，通過施工水平定向鉆孔基本查明了治理區(qū)內(nèi)太原組上段L10灰?guī)r地質(zhì)、水文地質(zhì)及隱伏含（導(dǎo)）水構(gòu)造等地質(zhì)情況，并通過高壓注漿將目的層薄層灰?guī)r改造成為隔水層，增加了二2 煤層底板有效隔水層厚度及完整性，為礦井防治煤層底板突水水害探索出了一條新的技術(shù)途徑。

2）地面鉆孔工程治理結(jié)束后，經(jīng)井下“物探+鉆探”綜合驗證，治理區(qū)內(nèi)無成片的物探、鉆探異常區(qū)，表明治理區(qū)底板的太原組上段L10灰?guī)r得到有效加固。對出水量大、異常點強化注漿治理后，治理區(qū)內(nèi)L10灰?guī)r井下驗證鉆孔涌水量均小于10 m3/h，治理效果較好。治理后F21405 工作面最大突水系數(shù)為0.044 MPa/m，符合規(guī)定要求，無突水威脅，可安全回采。

3）通過地面區(qū)域治理工程總結(jié)出的各項鉆探、注漿技術(shù)參數(shù)、技術(shù)經(jīng)驗，對于同類水文地質(zhì)條件礦井實施地面區(qū)域治理提供了可借鑒的經(jīng)驗。