董書寧 ，郭小銘，劉其聲，王 皓，南生輝，鄭士田，王宇航

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.陜西省煤礦水害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

我國華北型煤田主采石炭-二疊紀(jì)煤層，開采過程中普遍受到底板灰?guī)r含水層水害威脅，水害事故時有發(fā)生，底板注漿加固一直是煤層帶壓開采的主要工程技術(shù)手段[1]。20 世紀(jì)50 年代，隨著煤層底板含水層突水系數(shù)及水害危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)的提出，我國石炭-二疊紀(jì)主要產(chǎn)煤區(qū)開始了針對斷裂構(gòu)造的注漿技術(shù)研究。肥城礦區(qū)、焦作礦區(qū)利用井下巷道施工注漿鉆孔，實(shí)現(xiàn)斷裂構(gòu)造注漿加固與工作面底板全面(部分)改造[2]。隨著注漿技術(shù)與工藝發(fā)展，許多學(xué)者對注漿材料、改造工藝等進(jìn)行專項(xiàng)研究，并研究了注漿漿液運(yùn)移規(guī)律。邯邢礦區(qū)在我國首先引入地面徑向射流技術(shù)與壓裂注漿工藝對底板含水層進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)未采掘區(qū)域底板含水層水害的超前治理；趙固一礦率先采用井下定向鉆進(jìn)技術(shù)結(jié)合壓裂注漿工藝，實(shí)現(xiàn)了注漿長鉆孔施工與順層鉆孔注漿，開創(chuàng)了國內(nèi)采用定向長鉆孔進(jìn)行超前區(qū)域治理的工程先例；之后，利用順層定向鉆孔進(jìn)行超前區(qū)域治理的理念在邯邢礦區(qū)、淮北礦區(qū)煤層底板水害治理中大面積推廣應(yīng)用，迅速發(fā)展并應(yīng)用于底板斷層、陷落柱等導(dǎo)水構(gòu)造治理，形成了集超前區(qū)域探查與面狀區(qū)域治理于一體的超前區(qū)域治理技術(shù)。2018 年《煤礦防治水細(xì)則》修編過程中，該技術(shù)作為近年來形成的水害治理新技術(shù)推廣應(yīng)用[3]，得到了較快發(fā)展。目前，國內(nèi)外學(xué)者與工程技術(shù)人員針對特定條件開展了超前區(qū)域治理工程實(shí)施與研究，但是針對施工條件選擇、各施工方案的優(yōu)缺點(diǎn)對比等方面的系統(tǒng)研究成果較少，使得施工方案制定多為經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)，缺乏系統(tǒng)的理論支撐。其技術(shù)體系尚不健全，制約了該項(xiàng)技術(shù)在全國水害威脅礦區(qū)的推廣。

通過分析總結(jié)我國華北石炭-二疊紀(jì)煤田煤層底板主要充水因素與地層結(jié)構(gòu)，分析影響超前區(qū)域治理工程實(shí)施的施工條件、鉆進(jìn)技術(shù)與層位選取指標(biāo)，對各因素優(yōu)化組合，形成系統(tǒng)的超前區(qū)域治理模式。進(jìn)一步根據(jù)鉆孔布設(shè)方式、注漿材料，建立各模式的亞類并結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)行論證，以期為我國煤層底板水害治理工程方案選取提供指導(dǎo)。

1 煤層底板充水因素與地層結(jié)構(gòu)

我國華北型煤田普遍缺失上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系及下石炭統(tǒng)，石炭-二疊紀(jì)地層直接覆蓋在中奧陶統(tǒng)巨厚灰?guī)r之上。煤層底板主要地層包括太原組灰?guī)r、泥巖互層，本溪組鋁土質(zhì)泥巖，奧陶系峰峰組、馬家溝組灰?guī)r地層(圖1)。

圖1 我國華北型煤田典型地層結(jié)構(gòu)柱狀Fig.1 Typical stratigraphic column in North China type coal field

1.1 煤層底板充水因素

根據(jù)華北型煤田地層結(jié)構(gòu)，煤層回采后產(chǎn)生底板擾動破壞帶，在隔水層較薄時裂隙帶易直接導(dǎo)通底板含水層；同時，潛在的斷層、陷落柱等垂向?qū)畼?gòu)造，易直接(或間接)導(dǎo)通底板太原組薄層灰?guī)r、奧陶系厚層灰?guī)r含水層，造成底板突水事故[4](圖2)。

圖2 煤層底板灰?guī)r含水層充水結(jié)構(gòu)Fig.2 Water-filling structure of the bottom limestone aquifer in North China type coalfield

由此可知，華北型煤田煤層開采過程中，底板突水威脅主要來自奧陶系灰?guī)r(以下簡稱奧灰)含水層和太原組灰?guī)r(以下簡稱太灰)含水層，需增加底板隔水層厚度或治理導(dǎo)水通道，達(dá)到底板水害治理的目的。

超前區(qū)域治理需在穩(wěn)定硬巖中施工鉆孔并進(jìn)行注漿改造，常選擇底板太原組灰?guī)r，部分條件下需選擇奧陶系灰?guī)r。對華北型煤田2 組灰?guī)r地層展布規(guī)律進(jìn)行分析，有助于把握不同地區(qū)底板含水層充水威脅程度，并為超前區(qū)域治理模式劃分提供依據(jù)。

1.2 奧陶紀(jì)地層平面展布與垂向分帶特征

華北型煤田奧陶系中下統(tǒng)發(fā)育較全，而中統(tǒng)上部和上統(tǒng)在大部分地區(qū)缺失。奧陶系總厚度約300～1 600 m(不包括平?jīng)鼋M、背鍋山組)，為一套穩(wěn)定的碳酸鹽巖建造。華北型煤田奧陶紀(jì)地層總厚度變化規(guī)律如圖3 所示。

圖3 華北型煤田奧陶系厚度等值線Fig.3 Thickness contours of Ordovician in North China type coalfield

由此可知，在整個華北型煤田區(qū)，奧陶系灰?guī)r地層全區(qū)發(fā)育且厚度大，是超前區(qū)域治理主要可選地層。

中奧陶紀(jì)以后，受加里東運(yùn)動影響，華北地塊上升成為陸地，中奧陶統(tǒng)灰?guī)r裸露地表并遭受風(fēng)化剝蝕與溶蝕，形成古巖溶和裂隙并同時被紅色含鈣質(zhì)土層充填[5]，最終使得奧灰頂部形成具有一定隔水性能的風(fēng)化充填帶[6]。

在對河北邢臺、陜西韓城等礦區(qū)奧灰富水性探查的基礎(chǔ)上，結(jié)合奧灰?guī)r溶發(fā)育特征，概括出奧灰頂部巖溶垂向“三帶”特征：奧灰頂部自上而下可劃分為風(fēng)化充填阻水帶、垂向?qū)炙畮Ъ皫r溶裂隙富水帶，各礦區(qū)分帶厚度均不相同。其中，風(fēng)化充填阻水帶在完整條件下可作為隔水層進(jìn)行利用，垂向?qū)炙畮Ц凰韵鄬^弱，是主要的注漿改造層位。在此基礎(chǔ)上，董書寧等[7]提出突水系數(shù)和構(gòu)造發(fā)育情況是奧灰頂部改造層位選擇的標(biāo)準(zhǔn)，并建立了奧灰頂部利用與改造判別準(zhǔn)則。厚層奧陶系灰?guī)r地層上部是超前區(qū)域治理的主要層位之一。

1.3 太原組灰?guī)r分布特征

華北型煤田晚古生代石炭-二疊紀(jì)地層廣泛發(fā)育，自中石炭世形成廣闊的聚煤坳陷，形成上石炭統(tǒng)-下二疊統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組和下石盒子組3 個主要含煤地層[8]。尤其是太原組和山西組煤層開采過程中，距離底板含水層較近，水害威脅嚴(yán)重。

太原組巖相除局部為陸相外，其余為海陸交互相沉積，巖性為砂巖、粉砂巖、泥巖、灰?guī)r、煤層和少量礫巖。定向鉆進(jìn)施工與注漿改造層位需具備可成孔和漿液能擴(kuò)散的特點(diǎn)，對于太原組地層改造需在脆性灰?guī)r和砂巖地層中。煤層底板地層結(jié)構(gòu)分析表明(圖1)，山西組和太原組下組煤底板脆性巖以薄層灰?guī)r為主，在華北煤田由西北向東南層數(shù)由2～3 層增加到14 層以上，總厚度也由5 m 增加到60 m 以上[9]。

我國不同礦區(qū)煤層底板灰?guī)r層數(shù)、厚度均有一定差異，需綜合考慮礦區(qū)水文地質(zhì)條件、煤層底板灰?guī)r層數(shù)與位置等，合理選取改造層位，采用科學(xué)注漿工藝開展煤層底板超前區(qū)域治理。因此，太原組薄層灰?guī)r也是超前區(qū)域治理主要改造層位。

2 超前區(qū)域治理模式劃分

煤層底板水害超前區(qū)域治理是通過施工鉆孔對含水層水文地質(zhì)條件進(jìn)行超前探查，采用注漿設(shè)備將可凝漿液通過鉆孔注入目標(biāo)地層，加固隔水層薄弱區(qū)或改造含水層成為隔水地層，最終實(shí)現(xiàn)煤層帶壓開采的一種底板水害防治技術(shù)[10]。我國多數(shù)礦區(qū)開展了煤層底板水害超前區(qū)域治理工程，并取得一定成果，現(xiàn)階段已經(jīng)形成了地面[11]、井下施工[12]，定向鉆進(jìn)為主，常規(guī)鉆進(jìn)結(jié)合徑向射流的鉆進(jìn)方式[13]，針對薄層太原組灰?guī)r和厚層奧陶系灰?guī)r的含水層治理模式。

根據(jù)國內(nèi)治理工程與相關(guān)研究，總結(jié)提出煤層底板灰?guī)r含水層超前區(qū)域治理模式，綜合考慮治理區(qū)施工條件、治理層位和鉆進(jìn)方式，構(gòu)建技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的治理體系。結(jié)合鉆孔布設(shè)方法、注漿材料等工程設(shè)計(jì)指標(biāo)，詳細(xì)劃分出超前區(qū)域治理模式的亞類。

2.1 分類指標(biāo)

超前區(qū)域治理工程是煤層底板水害防治的系統(tǒng)工程，包含水文地質(zhì)條件分析、探查和注漿改造。根據(jù)水文地質(zhì)條件分析結(jié)果對水害現(xiàn)狀進(jìn)行評價(jià)，結(jié)合煤層底板巖層結(jié)構(gòu)、突水系數(shù)、水壓和埋深等水文地質(zhì)參數(shù)與煤層賦存條件，最終確定超前區(qū)域治理工程施工模式。其模式的制定有3 個指標(biāo)：施工位置、層位選擇和鉆進(jìn)方式。

a.施工位置 注漿工程受擬施工區(qū)條件影響較大，首先要制定治理方案。一般而言，施工位置可選取地面鉆孔施工結(jié)合地面漿液配置、井下鉆孔施工結(jié)合地面漿液配置、井下鉆孔施工結(jié)合井下漿液配置3 種方案。由于井下制漿能力低，大規(guī)模超前區(qū)域治理一般不采用該制漿方案，均為地面制漿。

施工位置的確定主要以鉆孔施工位置為標(biāo)準(zhǔn)，分為地面鉆進(jìn)和井下鉆進(jìn)2 種方案，根據(jù)地面和井下條件確定。地面條件包括施工場地地形、水電條件、交通狀況、環(huán)保要求、漿液運(yùn)輸、民事協(xié)調(diào)、采空區(qū)分布、鉆探技術(shù)、地質(zhì)條件等，任何一個條件受限時均認(rèn)為無地面施工條件。井下條件主要為采掘工程布設(shè)情況和施工安全，需考慮是否已有井巷系統(tǒng)或可新增井巷系統(tǒng)進(jìn)行鉆探工程施工，同時需考慮含水層水壓滿足井下安全鉆進(jìn)需求。

b.層位選擇 超前區(qū)域治理層位選擇是鉆探與注漿工程施工的先決條件。我國華北型石炭-二疊紀(jì)煤層底板以太原組薄層灰?guī)r、泥巖、砂巖互層結(jié)構(gòu)為主，基底為巨厚奧陶系或寒武系灰?guī)r。多數(shù)區(qū)域奧陶系灰?guī)r頂部存在風(fēng)化充填帶，具備一定的隔水性能。由于泥巖地層鉆孔施工難度高，漿液擴(kuò)散性能差，超前區(qū)域治理鉆孔施工層位需選擇合適位置的薄層灰?guī)r或厚層奧陶系灰?guī)r頂部相對隔水段，利用鉆孔注漿實(shí)現(xiàn)地層改造。因此，超前區(qū)域治理工程改造層位包含薄層灰?guī)r和厚層灰?guī)r2 種選擇方案。

薄層灰?guī)r頂?shù)装寰鶠槟鄮r隔水地層，注漿時屬于全封閉頂?shù)子薪缃Y(jié)構(gòu)，漿液在頂?shù)捉鐑?nèi)順層擴(kuò)散，注漿效果好，是優(yōu)先選擇層位[14]。但是，對于煤層底板到奧灰間距較小的礦井，改造薄層灰?guī)r難以滿足防治水的要求，需選擇奧灰頂部相對隔水的風(fēng)化充填帶、垂向?qū)炙畮游贿M(jìn)行改造[15]。其具體層位選擇方法可參考圖4。

圖4 注漿改造層位選擇準(zhǔn)則Fig.4 Horizon selection criteria for grouting transformation

c.鉆進(jìn)方式 超前區(qū)域治理過程中有定向鉆進(jìn)和徑向射流2 種鉆進(jìn)方式[16]。鉆進(jìn)方式是鉆孔布設(shè)的前提，直接影響鉆孔探查、注漿改造的全面性。定向鉆孔可沿順層方向鉆進(jìn)并側(cè)向開分支，進(jìn)行面狀探查與底板水害治理。部分煤層埋深較淺、構(gòu)造發(fā)育地區(qū)，定向鉆孔難以造斜，軌跡設(shè)計(jì)困難，可通過地面常規(guī)鉆孔中徑向射流工藝實(shí)現(xiàn)區(qū)域治理。

2.2 模式分類

根據(jù)確定的模式分類指標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)場鉆探工程和注漿工程施工情況，對各可利用指標(biāo)進(jìn)行組合，如圖5 所示。

圖5 超前區(qū)域治理模式分類指標(biāo)組合Fig.5 Combination of classification factors for zonal preact grouting model

由圖5 可知，超前區(qū)域治理工程分類過程中，優(yōu)先考慮施工位置和改造層位選擇，并由此確定鉆進(jìn)方式。地面施工可進(jìn)行定向鉆進(jìn)和徑向射流，井下施工僅可開展定向鉆進(jìn)；針對厚層灰?guī)r可利用定向鉆進(jìn)和徑向射流改造方式，薄層灰?guī)r中僅可進(jìn)行定向鉆進(jìn)。

采用交叉分類原則對各指標(biāo)進(jìn)行交叉組合分類，僅在3 個指標(biāo)可連接形成閉合環(huán)路模式時才能成立，最終提煉形成5 種超前區(qū)域治理模式(表1)。

針對煤層底板灰?guī)r含水層水害，主要采用地面、井下定向鉆進(jìn)改造薄層、厚層灰?guī)r含水層。同時，在部分區(qū)域選取地面厚層灰?guī)r并采取徑向射流技術(shù)開展含水層改造。對于華北型煤田而言，最主流的改造模式為 M1、M3，同時在部分地面條件較差區(qū)域采用M2 和M4 模式，埋深淺處采用M5 模式。

2.3 選擇準(zhǔn)則

不同模式有其特定的適用條件，在工程開展前需充分考慮地面施工條件、煤層埋深、煤層底板承受水壓，綜合確定施工位置和鉆進(jìn)方式；結(jié)合煤層與奧灰含水層之間薄層灰?guī)r、突水系數(shù)(初始值和改造后值)確定改造層位，從而綜合確定超前區(qū)域治理模式。

表1 超前區(qū)域治理模式Table 1 Model of zonal preact grouting

2.3.1 模式選擇核心參數(shù)

根據(jù)工程施工條件的便利性，地面施工條件一般優(yōu)于井下條件，但是需根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)可行性進(jìn)行綜合確定，核心參數(shù)為煤層埋深、含水層水壓。

定向注漿鉆孔施工需通過曲率造斜使其形成順層鉆孔，且后續(xù)需反復(fù)起鉆掃孔。通過對國內(nèi)大量注漿鉆孔統(tǒng)計(jì)分析，區(qū)域治理的鉆孔全角變化率應(yīng)控制在30°/hm 范圍內(nèi)，保障頻繁起鉆時鉆具能夠順利進(jìn)出?？紤]煤層厚度和改造層與煤層距離，一般而言，具備地面定向鉆孔施工條件的煤層埋深需大于240 m，才能確保定向鉆孔順利造斜和后續(xù)起、下鉆順利實(shí)施。

若煤層埋深過大，市場按進(jìn)尺結(jié)算經(jīng)濟(jì)性較差，需優(yōu)先考慮采用井下鉆孔施工，以800 m 埋深為經(jīng)濟(jì)可行與否的分界線。但是，井下鉆孔施工時面臨含水層高水壓致使孔口失控威脅，以國內(nèi)先進(jìn)的孔口防噴裝置和鉆具內(nèi)逆止閥為保障，可抵抗6 MPa的含水層水壓。因此，水壓大于6 MPa 時井下施工存在較大的孔口失控風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.2 判識指標(biāo)選擇標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)主要因素分析結(jié)果，確定超前區(qū)域治理各判識指標(biāo)的選擇標(biāo)準(zhǔn)：①地面有施工條件優(yōu)先考慮地面施工；② 煤層埋深大于800 m 時優(yōu)先考慮井下施工；③煤層底板所承受水壓大于6 MPa 時必須選用地面施工；④ 煤層埋深小于240 m 時優(yōu)先考慮徑向射流；⑤ 煤層底板有薄層灰?guī)r地層結(jié)構(gòu)的優(yōu)先考慮改造薄層灰?guī)r，且薄層灰?guī)r改造后需滿足突水系數(shù)要求。依據(jù)該準(zhǔn)則，建立煤層底板灰?guī)r含水層超前區(qū)域探查改造模式流程，如圖6 所示。

圖6 超前區(qū)域治理模式選擇流程Fig.6 Selection process of zonal preact grouting mode

3 超前區(qū)域治理模式亞類

鉆孔布設(shè)和注漿材料是超前區(qū)域治理工程施工的核心設(shè)計(jì)參數(shù)，據(jù)此，將我國主要治理模式劃分亞類，更加有利于指導(dǎo)煤層底板灰?guī)r含水層超前區(qū)域治理工程施工。

3.1 布孔形狀

首先施工定向超前鉆孔，通過鉆液漏失、巖屑錄井、鉆時錄井、壓水試驗(yàn)等判識地層中裂隙、巖溶、導(dǎo)水構(gòu)造等發(fā)育情況，實(shí)現(xiàn)煤層底板含水層超前區(qū)域探查的目的。布孔形狀決定了選用各治理模式施工過程中鉆孔在治理區(qū)域內(nèi)的覆蓋方式，影響漿液運(yùn)移規(guī)律和注漿改造效果，取決于鉆進(jìn)方式的選取?，F(xiàn)鉆井工藝試驗(yàn)結(jié)果表明，定向鉆進(jìn)過程中利用側(cè)向分支孔，形成多種鉆孔布設(shè)形狀，根據(jù)最終鉆孔分布形狀，利用比擬命名方法，分為4 種布孔形態(tài)：扇骨狀S1、魚骨狀S2、梳狀S3、叉狀S4；徑向射流是依托常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的直孔，在治理層位利用射流工藝梅花狀S5 布設(shè)多個射流主孔。

a.扇骨狀S1 在主孔同一深度位置不同方向側(cè)向開分支，形成以主孔軸線為中心，兩側(cè)弧形布設(shè)分支孔，整體外形似扇骨形狀。該布孔方式施工難度低、鉆效高、周期短，鉆注協(xié)同配合施工靈活，是一種高效的鉆進(jìn)方式。但是該布孔方式存在重復(fù)工程量大的缺點(diǎn)，施工費(fèi)用較高。

b.魚骨狀S2 在主孔不同深度兩側(cè)交叉施工分支孔，形成以主孔為中心兩側(cè)不同位置斜交布設(shè)分支鉆孔，整體外形似魚骨形狀。該布孔形狀鉆孔分布均勻，盲區(qū)少，重復(fù)工程量小，但施工難度較高，鉆注協(xié)同配合不靈活。

c.梳狀S3 在主孔不同深度向同一側(cè)施工分支孔，形成以主孔為中心，單側(cè)弧形分支鉆孔布設(shè)形態(tài)，整體外形似梳子形狀。該布孔形狀鉆孔間距均勻，覆蓋全面，但是分支孔拐彎角度大，施工難度高。

d.叉狀S4 在主孔同一深度向兩側(cè)施工分支孔平行延伸，形成以主孔為中心，雙側(cè)平行分支鉆孔布設(shè)形態(tài)，整體外形似叉子形狀。該布孔形狀無重復(fù)工程量，孔間距均勻基本無盲區(qū)，但是施工難度大，且鉆注協(xié)同配合難度高。

e.梅花狀S5 采用徑向射流造孔工藝，在常規(guī)直孔中側(cè)向射流形成的鉆孔部分形態(tài)，常規(guī)治理過程中形成3 個射流孔，也可根據(jù)需求有目標(biāo)性地布設(shè)多個射流孔。

分析可知，厚層灰?guī)r中定向鉆孔垂直方向角度調(diào)整靈活，鉆孔形態(tài)較為豐富，可施工S1—S4 的任意形態(tài)；薄層灰?guī)r中垂直方向角度調(diào)整空間小，分支孔施工受角度影響，以施工難度低的扇骨狀S1分布形態(tài)為主，配套采用S2—S4 形態(tài)鉆孔。徑向射流鉆孔分布形態(tài)歸為同一類型，在平面不同方向側(cè)向開不同數(shù)量的射流分支注漿孔，一般在淺埋、邊角區(qū)域補(bǔ)充使用。在同一區(qū)域治理工程中常采用多種布孔形態(tài)組合方式進(jìn)行綜合布孔。

3.2 注漿材料

根據(jù)鉆孔超前探查獲得的地層裂隙、孔隙和構(gòu)造發(fā)育情況，灌注水泥漿或骨料進(jìn)行改造[17]。常見的注漿材料(編號G)包含4 種：碎石骨料G1、河沙骨料G2、水泥-粉煤灰G3、純水泥漿液G4。

a.碎石骨料G1 以粒徑介于5～10 mm 的碎石子為主，常用于治理地層中大型裂隙、斷層、溶洞和陷落柱等有較大空間的構(gòu)造。

b.河沙骨料G2 根據(jù)粒徑不同，可分為細(xì)沙(0.25～0.35 mm)、中沙(0.35～0.5 mm)和粗沙(粒徑大于0.5 mm)，主要用于封堵大空間構(gòu)造和小型裂隙、巖溶。

c.水泥-粉煤灰G3 利用地面制漿系統(tǒng)，按照一定水固比配備形成水泥-粉煤灰漿液，有助于提高結(jié)石體強(qiáng)度并調(diào)整漿液的凝結(jié)時間。

d.純水泥漿液G4 水泥漿液是注漿最常用材料，是其他注漿材料的黏合劑。

超前區(qū)域治理中鉆遇明顯漏水、大型構(gòu)造發(fā)育區(qū)段可利用碎石骨料或河沙骨料進(jìn)行灌注，之后通過水泥漿液使其膠結(jié)。在常規(guī)注漿段通常利用水泥-粉煤灰漿液進(jìn)行灌注，也可利用純水泥漿液對中小裂隙進(jìn)行注漿改造。

3.3 模式亞類劃分

將本次劃分得出的超前區(qū)域探查改造模式結(jié)合施工設(shè)計(jì)中鉆孔形態(tài)、注漿材料分類，綜合確定治理模式亞類(表2)。

由于鉆孔形態(tài)主要依據(jù)采掘工程布設(shè)、工作面形態(tài)、構(gòu)造發(fā)育情況等，本次亞類劃分將可施工的鉆孔形態(tài)均列出，在實(shí)際應(yīng)用過程中可根據(jù)具體情況選取一種或多種進(jìn)行組合，主要通過不同的注漿材料組合進(jìn)行亞類劃分。

亞類組合分析得出，C1L1D1 地面厚層灰?guī)r定向鉆孔改造模式共分出6 組亞類，C2L1D1 井下厚層灰?guī)r定向鉆孔改造模式劃分2 組亞類，C1L2D1地面薄層灰?guī)r定向鉆孔改造模式劃分6 組亞類，C2L2D1 井下薄層灰?guī)r定向鉆孔改造模式劃分2 組亞類，C1L1D2 地面厚層灰?guī)r徑向射流改造模式劃分2 個亞類，綜合劃分為18 組亞類，在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件綜合考慮。鑒于不同區(qū)域注漿材料就地取材的靈活性選擇，部分礦區(qū)采用黃土-水泥漿漿液進(jìn)行注漿，也可以作為局部區(qū)域的亞類補(bǔ)充。

表2 超前區(qū)域治理亞類模式Table 2 Subclass model of zonal preact grouting

4 超前區(qū)域治理工程實(shí)踐

4.1 朱莊煤礦地面薄層灰?guī)r定向鉆孔改造模式C1L2D1

4.1.1 工程背景

朱莊煤礦位于安徽省淮北市，主采二疊系山西組6 號煤層，底板太灰和奧灰含水層有一定水力聯(lián)系，煤層回采受到底板太原組薄層灰?guī)r含水層直接充水和奧灰含水層間接充水威脅。本案例以礦井Ⅲ63 采區(qū)為例。該區(qū)為丘陵地貌，煤層埋深20～580 m，底板共發(fā)育12 層太原組薄層灰?guī)r，平均厚度1.32～12.17 m，煤層底板與太灰間距如圖7 所示，含水層水壓為4～5 MPa，最大突水系數(shù)0.091 MPa/m。

圖7 朱莊煤礦Ⅲ63 采區(qū)煤層底板地層結(jié)構(gòu)Fig.7 Coal floor stratigraphic structure of mining districtⅢ63 in Zhuzhuang coal mine

4.1.2 治理模式選取

煤層底板發(fā)育多層太原組灰?guī)r，可選擇合適層位進(jìn)行改造，并疏放改造層之上灰?guī)r含水層水。選取合適的超前區(qū)域治理模式進(jìn)行工程施工[18]。

a.鉆進(jìn)位置與鉆進(jìn)方式 采區(qū)及周邊對應(yīng)地表為丘陵地貌，地面鉆孔施工基礎(chǔ)條件好，具備鉆孔施工條件，優(yōu)先選取地面鉆探方式。煤層埋深小于800 m，地面施工經(jīng)濟(jì)性較好，確定區(qū)域治理鉆孔施工采用地面定向鉆進(jìn)方式。

b. 改造層位 煤層底板共有12 層薄層灰?guī)r，從上到下依次計(jì)算改造上層灰?guī)r后下層對煤層的突水系數(shù)T值為：改造第1 層，T2=0.077 MPa/m；改造第2 層，T3=0.067 MPa/m；改造第3 層：T4=0.057 MPa/m。由此可見，改造第3 層灰?guī)r(三灰)后底板隔水層厚度滿足帶壓開采的要求，即改造層位選擇第3 層薄層灰?guī)r。

綜合分析，Ⅲ63 采區(qū)采用C1L2D1 地面薄層灰?guī)r定向鉆進(jìn)改造模式進(jìn)行煤層底板含水層超前區(qū)域治理，其治理模式選取方式如圖8 所示。

4.1.3 工程布設(shè)與應(yīng)用效果

采區(qū)工作面回采前，針對該區(qū)域的3 個工作面布設(shè)5 個孔組，施工分支孔27 個。采用扇骨狀布孔方式，注漿材料為水泥-粉煤灰漿液，即治理模式亞類為C1L2D1—(S1/S3/S4)(G2/G4)，具體鉆孔布設(shè)如圖9 所示。

圖8 Ⅲ63 采區(qū)超前區(qū)域治理模式選取Fig.8 Selection process of zonal preact grouting mode of mining districtⅢ63 in Zhuzhuang coal mine

圖9 朱莊煤礦Ⅲ63 采區(qū)超前區(qū)域治理鉆孔布設(shè)Fig.9 Layout of boreholes for zonal preact grouting in mining districtⅢ63 in Zhuzhuang coal mine

研究區(qū)Ⅱ63 工作面回采揭露表明，采用地面超前區(qū)域治理方式有效探查并治理了煤層底板含水層的富水區(qū)，保障了工作面安全。

4.2 桑樹坪煤礦井下厚層灰?guī)r定向鉆孔改造模式C2L1D1

4.2.1 工程背景

桑樹坪煤礦位于陜西省渭南市，屬山峁溝谷地貌，主采二疊系山西組3 號煤和石炭-二疊系太原組11 號煤，其中11 號煤距底板奧陶系灰?guī)r含水層近，受奧灰水害威脅極為嚴(yán)重(圖10)。以3105 工作面為例，開采11 號煤，煤層埋深400～530 m，煤層底板與奧灰含水層間距16.5～21.5 m，煤層底板承受最大水壓1.23 MPa，最大突水系數(shù)0.072 MPa/m。工作面實(shí)測底板破壞深度14.8 m，最小有效隔水層厚度僅有1.7 m。工作面回采面臨極為嚴(yán)重的底板奧灰含水層突水威脅。

圖10 桑樹坪煤礦3105 工作面煤層底板地層結(jié)構(gòu)Fig.10 Stratigraphic structure of coal face 3105 in Sangshuping coal mine

4.2.2 治理模式選取

該工作面底板無太原組薄層灰?guī)r，選取奧陶系灰?guī)r含水層頂部層位及合適的超前區(qū)域治理模式進(jìn)行工程施工[19]。

a.鉆進(jìn)位置與鉆進(jìn)方式 工作面及周邊對應(yīng)地表為山峁溝谷地貌，溝壑縱橫，鉆機(jī)進(jìn)場施工難度高，且民事協(xié)調(diào)難度大，青苗賠償費(fèi)用高。因此，該工作面區(qū)域治理不具備地面施工條件；煤層底板所承受奧灰含水層最大水壓為1.23 MPa，小于井下鉆孔安全施工6 MPa 的要求，確定區(qū)域治理鉆孔施工采用井下定向鉆進(jìn)方式。

b.改造層位 煤層底板無太原組薄層灰?guī)r，改造層位選擇奧陶系灰?guī)r頂部峰峰組風(fēng)化充填帶。

綜合分析，3105 工作面采用C2L1D1 井下厚層灰?guī)r定向鉆孔改造模式進(jìn)行煤層底板含水層超前區(qū)域治理，其治理模式如圖11 所示。

4.2.3 工程布設(shè)與應(yīng)用效果

工作面回采前在井下巷道施工鉆場，沿工作面走向布設(shè)定向鉆孔14 個，鉆孔平面投影間距約40 m，垂直深度位于奧陶系灰?guī)r頂面以下15～20 m，對于揭露的奧灰含水層出水位置采用下行式注漿方式(圖12)。

圖11 3105 工作面超前區(qū)域治理模式選取Fig.11 Selection process of zonal preact grouting mode of coal face 3105 in Sangshuping coal mine

圖12 桑樹坪煤礦3105 工作面超前區(qū)域治理鉆孔布設(shè)Fig.12 Layout of boreholes for zonal preact grouting in coal face 3105 in Sangshuping coal mine

研究區(qū)3105 工作面回采揭露表明，采用井下超前區(qū)域治理模式有效探查并改造了煤層底板含水層的富水位置，保障了工作面安全。

5 結(jié)論

a.確定了超前區(qū)域治理模式分類指標(biāo)為施工位置(地面或井下)、層位選擇(太灰或奧灰)和鉆進(jìn)方式(定向鉆進(jìn)或徑向射流)，由此確定出5 種主要的超前區(qū)域治理模式。依據(jù)煤層埋深、含水層水壓、巖層結(jié)構(gòu)等指標(biāo)，提出不同模式的選擇準(zhǔn)則。

b.結(jié)合超前區(qū)域治理中鉆孔分布形態(tài)、注漿材料，進(jìn)一步將5 種模式類型劃分出18 組亞類，細(xì)化了區(qū)域治理的模式劃分。

c.通過分析淮北朱莊煤礦、韓城桑樹坪煤礦的煤層賦存、地面施工條件、含水層水壓、煤層底板灰?guī)r結(jié)構(gòu)等，制定了不同的超前區(qū)域治理工程方案，開采驗(yàn)證表明其效果良好。提出的治理模式分類方法可有效指導(dǎo)煤礦區(qū)超前區(qū)域工程方案制定。

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