許 超

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

0 引 言

我國華北型煤田開采普遍受底板巖溶水害威脅，華北地區(qū)約20%煤炭儲量受底板巖溶水的威脅，部分老礦區(qū)甚至高達50%～85%[1]。不同礦區(qū)水文工程地質(zhì)條件的差異性，導(dǎo)致突水類型和機理、危害程度及防治技術(shù)也存在差異。隨著礦井采深增大、水壓增高，深部開采水文工程地質(zhì)條件和底板巖溶突水機理更加復(fù)雜。據(jù)預(yù)測，我國70%以上的煤炭儲量埋深在1 000 m深度以下[2-4]，深部煤層底部巖溶水的危害更加嚴(yán)重。華北地區(qū)煤層底板奧灰含水層富水性強、水壓高，一直是煤層底板突水預(yù)測和治理的熱點問題。從底板水害治理上來看，治理方式有“疏干降壓、深降強排”和“注漿改造、帷幕截流”，無論哪種治理方式都或多或少存在治理措施依據(jù)不充分、治理方案不明晰等問題。底板水害的治理必須結(jié)合具體的水文地質(zhì)條件，統(tǒng)籌兼顧經(jīng)濟成本以及對環(huán)境的影響，形成治理依據(jù)充分、方案可靠、技術(shù)措施可行、經(jīng)濟成本低廉的水害治理模式。

20世紀(jì)70年代，在峰峰、邯鄲等礦務(wù)局提出了“適當(dāng)疏降，輔以(注漿)堵(水)截流”的底板突水治理思路，提出兩大水害治理措施：疏水降壓法和注漿堵水法[5-6]。

1) 疏水降壓法主要考慮了水壓對突水的影響，降壓多以“疏干”或降到安全水頭值以下為目標(biāo)；煤礦采深加大后，對水壓高、強富水含水層的治理過程中，在確保安全開采的基礎(chǔ)上，如何設(shè)計經(jīng)濟合理的疏水量仍需深入研究。

2) 注漿堵水法通常為滲透注漿[7-8]。地質(zhì)作用形成的節(jié)理、裂隙分布復(fù)雜，漿液流動和分布受到裂隙度、裂隙尺寸、自身的復(fù)雜性及地下水流向及水頭等因素的影響，其運動規(guī)律和擴散范圍難以預(yù)測，注漿理論亟需深入研究[9-11]。注漿施工方面，受水文地質(zhì)條件復(fù)雜性、注漿施工隱蔽性和巖體注漿與裂隙滲流理論的自身缺陷，導(dǎo)致注漿治理效果不甚理想。目前的經(jīng)濟技術(shù)條件下，通過優(yōu)化注漿工程設(shè)計，改進注漿工程措施，是一條改善注漿效果的可行性途徑[12-13]。

淮南煤田位于華北板塊南緣，是華北型煤田典型大水煤田[14-15]，1號煤層組屬“高水壓薄阻水層”的灰?guī)r巖溶承壓水上開采，不僅受底板太原組灰?guī)r水影響，還受隱伏垂向?qū)ǖ缹?dǎo)通奧陶系灰?guī)r水的威脅。近幾年，淮南礦區(qū)相鄰礦井多次揭露過陷落柱，三維地震二次精細解釋又發(fā)現(xiàn)多個疑似陷落柱，曾發(fā)生井巷工程臨近陷落柱造成突水淹井事故。中煤新集能源股份有限公司新集二礦位于淮南煤田的南部，礦區(qū)獨特的地理構(gòu)造位置，形成了疊加大規(guī)模逆沖斷層的多種垂向隱伏構(gòu)造格局，因受煤系地層上覆巨厚推覆體片麻巖和寒武系高屏蔽及地表水體的影響[16-17]，地面三維地震勘探效果不佳，難以查明1號煤層組至底板灰?guī)r強含水層的垂向?qū)?含)水通道，加劇了煤炭資源安全開采的水害威脅。為進一步查明探查區(qū)域內(nèi)可能存在的導(dǎo)水構(gòu)造，阻斷奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水通過垂向隱伏導(dǎo)水通道進入礦井，礦方結(jié)合采掘規(guī)劃，嚴(yán)格按照《煤礦防治水細則》(煤安監(jiān)調(diào)查〔2018〕14號)[18]和《安徽省煤礦防治水和水資源化利用管理辦法》(皖經(jīng)信煤炭〔2017〕218號)要求，對受高壓奧灰水威脅的1號煤層220106工作面開展了地面超前區(qū)域探查治理工程，以期采用多分支水平井工藝，在工作面內(nèi)區(qū)域探查隱伏導(dǎo)水構(gòu)造，并通過高壓水泥注漿的方式進行封堵，達到工作面安全掘進與回采的目的。

本文評價了研究區(qū)水文地質(zhì)條件與高壓奧灰水突水危險性，依托本單位在新集二礦開展的1號煤層底板灰?guī)r水害地面超前區(qū)域探查治理工程，重點對1號煤層220106工作面底板灰?guī)r地面超前區(qū)域探查治理效果進行評價，為該工作面的掘進與回采提供詳實依據(jù)，為類似工程的開展提供參照。

1 評價區(qū)地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

1.1 評價區(qū)地質(zhì)條件

該區(qū)地層由老至新依次為奧陶系、石炭系、二疊系、阜鳳逆沖推覆體、新生界，其中阜鳳逆沖推覆體內(nèi)地層為下元古界(Pt1)和阜鳳下夾片地層(表1)。

地層總體為傾向NNE單斜構(gòu)造，傾向N15°W～N20°E，評價區(qū)南部距阜鳳下夾片斷層較近，受斷層影響，地層傾角變化較大(圖1)，在1°～12°之間，平均6°。次一級褶皺構(gòu)造、中小斷層及小褶曲較為發(fā)育(圖2)。

表1 評價區(qū)地層簡表Table 1 Stratum table of evaluation area

圖1 礦區(qū)構(gòu)造剖面圖Fig.1 Structural profile of the mining area

圖2 評價區(qū)構(gòu)造綱要平面圖Fig.2 Structural outline plan of evaluation area

1.2 評價區(qū)水文地質(zhì)條件

本區(qū)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、推覆體夾片含水層、原地二疊系1號煤層組頂板砂巖裂隙含水層及1號煤層底板太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層、奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。目前，對煤炭資源開采影響較大的含水層為太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層和奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層，尤以奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水危害最大。

1) 太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層：補、徑、排條件較差，各段及全層灰?guī)r弱富水性，缺少豐富補給水源，以靜儲量為主，具有高水壓、弱富水、不均一、難疏降的特點。 鉆孔單位涌水量僅為0.000 464 L/(s·m)，滲透系數(shù)0.002 7 m/d，水化學(xué)類型為Cl—Na型，礦化度1.858 g/L。

2) 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，僅偶見蜂窩狀溶蝕孔，未見大的溶洞。鉆孔單位涌水量0.013～0.722 L/(s·m)，富水性弱～中等，水化學(xué)類型為Cl—Na型，礦化度1.67～5.03 g/L，水位標(biāo)高-52 m。

1.3 評價區(qū)奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水突水危險性分析

據(jù)H水2孔、水0204孔、水0101孔資料，評價區(qū)內(nèi)1號煤層底板標(biāo)高為-530～-560 m，奧陶系灰?guī)r頂界面發(fā)育標(biāo)高為-643～-673 m，奧陶系灰?guī)r水(以下簡稱“奧灰水”)水位標(biāo)高-52 m，因此1號煤層開采屬帶壓開采，突水系數(shù)為0.052～0.055 MPa/m。奧灰水正常情況下不會威脅礦井1號煤層組開采，但不排除遇垂向隱伏構(gòu)造導(dǎo)致異常突水的可能。因此，奧灰水是1號煤層組開采的主要防范對象。

2 探查治理技術(shù)方案及完成情況

2.1 技術(shù)方案

以奧灰水為主要防治對象，超前探查垂向?qū)?含)水通道；采用地面長距離順層定向分支孔進行超前區(qū)域探查，重點探查1號煤層組底板灰?guī)r垂向隱伏導(dǎo)(含)水通道及相對富水區(qū)域，并采取注漿加固封堵措施。

目的層的選?。焊鶕?jù)目前奧陶系灰?guī)r水位，以滿足突水臨界值0.1 MPa/m反算，現(xiàn)階段超前區(qū)域探查治理范圍內(nèi)底板隔水層厚度最大需達到63 m，因此，綜合考慮選取太原組12灰(12灰頂板距1號煤層底板距離100 m)作為探查與治理目的層。

水平定向分支孔間距選?。焊鶕?jù)本礦210108工作面(距220106工作面2 000 m)底板注漿擴散半徑試驗實測數(shù)據(jù)，底板灰?guī)r注漿擴散半徑為35 m， 因此

分支孔間距選取60 m，可做到工作面內(nèi)全覆蓋注漿。

注漿壓力選?。鹤{終止壓力為奧灰靜水壓力的1.5～2倍，220106工作面注漿終孔壓力選取為10 MPa。泵量在30 L/min以下，并維持30 min，結(jié)束注漿。

2.2 工程布置與實施

220106工作面采用帚狀分支孔形式，設(shè)計1個地面主孔(即S1孔)、1個造斜段及5個順層定向分支孔(S1-1～S1-5)，實現(xiàn)對220106工作面治理區(qū)域全覆蓋探查治理，鉆孔軌跡沿太原組12灰順層鉆進，與主構(gòu)造呈大角度斜交，鉆孔結(jié)構(gòu)見圖3。設(shè)計及完成工程量見表2和圖4。

圖3 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Sketch map of drilling structure

表2 設(shè)計與完成工作量對比表Table 2 Comparison of design and completed work

2.3 工程質(zhì)量評價

結(jié)合規(guī)程規(guī)范及項目特點，工程取得的基礎(chǔ)成果資料真實、可靠，工程質(zhì)量符合要求，見表3。

3 探查治理效果評價

3.1 鉆孔軌跡評價

S1主孔五個分支孔施工順序為：S1-2分支孔→S1-3分支孔→S1-1分支孔→S1-4分支孔→S1-5分支孔，采用跳打、跳注的方式，通過巖屑錄井、注漿情況等，驗證前期注漿效果(圖5)。

分支孔軌跡監(jiān)測點每鉆進一單根鉆桿測量一次，監(jiān)測點間距小于10 m，水平段實際平面軌跡與設(shè)計平面軌跡偏差均小于1.26 m(表3)。通過巖屑錄井、隨鉆伽馬揭示，S1-1分支孔、S1-3分支孔、S1-4分支孔、S1-5分支孔在太原組12灰?guī)r的跟層率均為100%，S1-2分支孔鉆至1 719 m處，揭露落差小于5 m斷層1條，跟層率為99%。探查區(qū)域內(nèi)分支孔間距實測最大為57.5 m，通過相鄰分支孔的巖屑錄井，確立分支孔見水泥的位置，實測出注漿擴散半徑最小值為39 m，注漿覆蓋了220106工作面南側(cè)至少77 m范圍，說明分支孔間距60 m合理，經(jīng)過高壓注漿后相鄰分支孔能夠交叉全覆蓋(圖5和表4)。

表3 工程質(zhì)量評價表Table 3 Evaluation table of project quality

表4 分支孔間距評價表Table 4 Evaluation table of branch hole spacing

據(jù)上述論斷，220106工作面目的層(太原組12灰)穩(wěn)定，構(gòu)造簡單。

3.2 探查成果評價

1) 綜合錄井判層。各分支孔揭露太原組12灰，其巖屑顏色灰色、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。僅在S1-2分支孔1 719 m處揭露落差小于5 m斷層。

2) 鉆進。在5個分支孔鉆進施工時，未出現(xiàn)突然掉鉆、卡鉆等異?，F(xiàn)象。

3) 鉆井液消耗量。 5個分支孔泥漿消耗量在0～0.22 m3/h之間，沒有異常消耗點。

4) 泥漿溫度。從5個分支孔泥漿溫度錄井資料表明，正常鉆進過程中泥漿進口溫度與出口溫度差均在0～3 ℃之間，未發(fā)現(xiàn)奧灰水(約45 ℃)通過通道向鉆孔補給現(xiàn)象。

5) 壓水試驗。探查區(qū)域內(nèi)5個分支孔終孔壓水試驗計算得出透水率值為0.003 6～0.006 8 lu，均小于0.100 0 lu(表5)，按照水利水電巖體滲透性等級分類，透水率均為極微透水，說明巖層為正常地層。

6) 注漿。根據(jù)注漿過程揭示，孔口壓力持續(xù)上升，漸至注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，無失壓及反復(fù)現(xiàn)象。 根據(jù)實際注漿量計算，S1-1分支孔單位注漿量0.67 m3/m，S1-2分支孔單位注漿量0.30 m3/m，S1-3分支孔單位注漿量0.96 m3/m，S1-4分支孔單位注漿量0.15 m3/m，S1-5分支孔單位注漿量0.89 m3/m，由此可見，各分支孔單位注漿量均小于0.96 m3/m，未發(fā)現(xiàn)異常情況。

據(jù)上述論斷，220106工作面下太原組12灰裂隙不發(fā)育，整體富水性弱。

3.3 注漿治理評價

3.3.1 單孔注漿結(jié)束評價

5個分支孔注漿均按要求達到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)(表6)，由于地層裂隙發(fā)育情況不同，因此注入水泥量也存在差別，總體而言，各分支孔注入水泥量均不大(表2)，未發(fā)現(xiàn)大的構(gòu)造異常。

表5 注漿后壓水驗證情況表Table 5 Verification table of water pressure after grouting

表6 注漿結(jié)束情況表Table 6 Statistical table of completion of grouting

3.3.2 相鄰分支孔鉆井液消耗量驗證

各分支孔鉆進時，鉆井液消耗量都非常小，雖然不能明顯對比注漿前后鉆井液消耗差異，但是從一定程度上反映了大的構(gòu)造異常的排除。

3.3.3 注漿量驗證

各分支孔單位注水泥漿量及單位注水泥量見圖6。

通過曲線分析，各分支孔的單孔注水泥漿量均不到1 m3/m，當(dāng)S1-2分支孔和S1-3分支孔注漿完畢后，后續(xù)施工的S1-1分支孔和S1-4分支孔注漿量都不大，單孔的平均注漿量明顯減少，說明了先期施工的鉆孔水泥漿已經(jīng)將大部分裂隙封堵，取得了較好的效果，S1-5分支孔由于在施工過程中增加了兩次分段注漿，因此該孔的注漿量較之前2個分支孔稍大。

圖6 各分支孔單位注漿量對比圖Fig.6 Comparison map of unit grouting volume ofeach branch hole

3.3.4 壓水試驗驗證

注漿結(jié)束后均進行了清水高壓壓水驗證，壓水驗證透水率均小于0.006 8 lu(表6)，說明經(jīng)過治理后，目標(biāo)層可作為良好隔水層利用。

3.3.5 相鄰觀測孔水位驗證

通過評價區(qū)內(nèi)水0101孔(為太原組12灰長觀孔)連續(xù)水位分析，在注漿期間該孔的水位有明顯的變化，由注漿前2019年2月19日水位標(biāo)高-187.82 m，先后經(jīng)過S1-2分支孔、S1-3分支孔、S1-1分支孔、S1-4分支孔、S1-5分支孔的高壓注漿，至注漿后2019年6月3日水位標(biāo)高升至-119.74 m，水位上漲了68.08 m(圖7～圖10)，且截至目前并未有明顯的回落。S1-2分支孔為第一個施工分支，在壓水試驗過程中造成了水0101觀測孔水位的突然提高，注漿施工后孔口釋壓返水造成了后期水位的回落(圖7)，但是水位回落后仍明顯高于原始水位。

圖7 S1-2分支孔注漿后水0101觀測孔水位變化圖Fig.7 Water level change diagram of observation hole 0101 after S1-2 branch grouting

圖8 S1-3分支孔注漿后水0101觀測孔水位變化圖Fig.8 Water level change diagram of observation hole 0101 after S1-3 branch grouting

圖9 S1-1分支孔注漿后水0101觀測孔水位變化圖Fig.9 Water level change diagram of observation hole 0101 after S1-1 branch grouting

圖10 S1-4分支孔注漿后水0101觀測孔水位變化圖Fig.10 Water level change diagram of observation hole 0101 after S1-4 branch grouting

由此分析，太原組12灰裂隙已大程度被封堵，區(qū)內(nèi)已無大的構(gòu)造垂向連通，注漿取得了良好的效果。

4 結(jié) 論

1) 220106工作面的區(qū)域探查治理工程，完成了S1主孔直井段及造斜段、S1-1～S1-5共5個順層定向分支孔的施工，直井段進尺195.89 m，造斜段進尺614.11 m，各分支孔累計水平進尺6 316.69 m；進行了分段或終孔壓水試驗18次，注漿8次，水泥量1 305 t(水泥漿3 910 m3)。

2) 各分支孔鉆孔軌跡、地質(zhì)錄井、簡易水文觀測、壓水試驗、鉆孔注漿等各項指標(biāo)達到了工程質(zhì)量要求；實測注漿擴散半徑最小值為39 m，注漿覆蓋了220106工作面南側(cè)至少77 m范圍，探查及注漿范圍均實現(xiàn)了治理區(qū)域的全覆蓋。

3) 綜合探查成果揭示，220106工作面所探查的目的層層位清楚，裂隙不發(fā)育；構(gòu)造簡單，僅在S1-2分支孔1 719 m處附近揭露1條落差小于5 m的斷層，排除了大型陷落柱及垂向隱伏導(dǎo)(含)水構(gòu)造；整體富水性弱。

4) 通過探查與注漿改造，220106工作面范圍內(nèi)太原組12灰裂隙已大程度被封堵，區(qū)內(nèi)基本排除了大的構(gòu)造垂向連通的可能性，注漿效果良好，可確?；夭傻陌踩?。