高耀全，方 剛，3，閆興達(dá)

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點實驗室，陜西 西安710077；3.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710054；4.冀中能源股份有限公司 邢東煤礦，河北 邢臺054000）

長期以來，我國華北型煤田深受煤層底板奧灰水害的影響[1-2]。在礦井建設(shè)、生產(chǎn)過程中，由于石炭-二疊紀(jì)煤層形成時代等復(fù)雜原因，煤層底板奧灰水體通過斷層構(gòu)造、隱伏陷落柱等不良地質(zhì)體等通道進(jìn)入井下采掘工作面，給區(qū)內(nèi)礦井安全生產(chǎn)造成了極大威脅[3-5]。

趙慶彪[6]等開展了奧灰裂隙巖體高承壓水的水平注漿孔漿液擴散機理研究，提出了注漿“三時段”的劃分，并給出水動力學(xué)表達(dá)式；建立了垂向裂隙中漿水分區(qū)水動力學(xué)模型，推導(dǎo)出漿液擴散半徑與注漿壓力關(guān)系；并對可注性差的上邊界條件漿液擴散變形問題給出了數(shù)值模擬方法。董書寧[7]等從華北型煤田超前區(qū)域治理施工過程中鉆孔施工條件、層位選取、鉆進(jìn)工藝等3個主要因素出發(fā)，概化底板含水層注漿改造模式，確定治理模式的選擇準(zhǔn)則，在此基礎(chǔ)上結(jié)合鉆孔布設(shè)、注漿材料等指標(biāo)，劃分亞類模式。劉再斌[8]提出基于不同鉆孔孔型組合的煤層底板水害區(qū)域治理模式分類方法，可建立適用于淺部構(gòu)造發(fā)育區(qū)加固、中深部形態(tài)復(fù)雜區(qū)改造、深部多分區(qū)探查等多種條件的技術(shù)體系。蔣向明[9]等認(rèn)為注漿治理目的層應(yīng)綜合分析水文地質(zhì)條件和充水方式；水平孔布設(shè)距離應(yīng)考慮水文地質(zhì)類型、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度及發(fā)育程度；治理應(yīng)按“探、注、驗一體化”的思路開展相關(guān)工作。高春芳[10]對邯邢礦區(qū)大采深礦井所面臨的底板奧灰水害致災(zāi)關(guān)鍵因素進(jìn)行分析，提出了地面奧灰區(qū)域超前治理過程中，將單一工作面逐個治理變?yōu)橐徊蓞^(qū)或水平統(tǒng)一治理，將治理層位由薄層灰?guī)r變?yōu)閵W灰含水層頂部，將回采前治理變?yōu)榫蜻M(jìn)前治理。王威[11]等針對黃河北煤田下組煤開采受頂?shù)装咫p層灰?guī)r突水威脅的情況，提出“頂板灰?guī)r帷幕截流，底板灰?guī)r區(qū)域治理”的方法。武善元[12]等結(jié)合瞬變電磁和抽水試驗結(jié)果分析黃河北煤田煤層頂?shù)装搴畬痈凰?，提出梅花式和上、下穿層式分支鉆孔鉆進(jìn)，井上下水文觀測孔實時監(jiān)測水壓的含水層裂隙精準(zhǔn)注漿技術(shù)。孫曉宇[13]等針對巨厚沖積層薄基巖煤層底板灰?guī)r含水層，采用地面L型鉆孔注漿加固。黃北海[14]等采用垂向鉆孔和立體多水平定向分支鉆孔相結(jié)合的快速封堵突水點技術(shù)。鄭士田[15]提出針對淮北煤田煤層底板存在高壓復(fù)合強富水薄層灰?guī)r含水層水害威脅的礦井，應(yīng)采用定向水平井鉆探和“高密度低壓充填+低密度高壓劈裂式注漿”探查治理技術(shù)。徐志遠(yuǎn)[16]等根據(jù)綜放工作面煤體出水未揭露構(gòu)造帶、水量小的特點，結(jié)合水源、通道探查結(jié)果，提出由遠(yuǎn)及近布置注漿孔、在支架下才有水泥-水玻璃雙液漿封堵出水裂隙，再對斷層進(jìn)行全面加固的出水問題處理思路。

綜上成果，對我國華北型石炭-二疊紀(jì)煤田內(nèi)各礦井在建設(shè)、生產(chǎn)期間面臨的煤層底板水害問題具有一定的幫助作用和借鑒價值。為此以河北邢東煤礦-980 m水平內(nèi)多個工作面底板探查治理工程為研究對象，根據(jù)鉆探探查、注漿治理，并采用相應(yīng)的多種手段和方法進(jìn)行工程效果檢驗，確保礦井防治水安全生產(chǎn)。

1 礦井概況

邢東煤礦位于河北省邢臺市東北部，井田面積約14.5 km2，主要開采二疊系下統(tǒng)山西組2#煤層，采用綜放一次采全高采煤法，頂板管理為自由垮落為主，局部采用充填開采。礦井核定后的生產(chǎn)能力為1.25 Mt/a，井田分為-760 m和-980 m 2個水平，上水平分一、二采區(qū)，下水平分一、二、三采區(qū)，現(xiàn)礦井-980 m水平的一采區(qū)為主要生產(chǎn)區(qū)域。井田地貌以沖洪積平原為主，地形總體西高東低，地表水系不發(fā)育。

井田地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，其中，各類斷層發(fā)育（多為正斷層，落差＞20 m的斷層60余條，落差在5～20 m的斷層50余條，落差在5 m以下的小型斷層140余條）。在井田內(nèi)發(fā)育2個大中型褶皺（向斜中地層傾角8°～15°，背斜中地層傾角15°～30°）。自礦井生產(chǎn)以來，還發(fā)現(xiàn)8個陷落柱（X1～X8，其中X1～X7為以往發(fā)現(xiàn)，X8為本次工程發(fā)現(xiàn)），但均不導(dǎo)水。

井田-980 m水平的2127工作面和2222工作面在回采過程中發(fā)生底板奧灰突水，突水峰值分別為210 m3/h和268 m3/h。隨著近5年以來在-980 m水平開展的區(qū)域探查治理工程，該水平內(nèi)的2125、2126、2224、2228工作面相繼完成回采。

2 水文地質(zhì)概況

井田內(nèi)分布有11層含水層，自上而下主要分為第四系潛水孔隙含水層組、砂巖裂隙含水層組和灰?guī)r裂隙巖溶含水層組這3類，在各含水層之間，分布有相對隔水層，礦井含隔水層一覽表見表1。

表1 礦井含隔水層一覽表Table 1 List of aquifers and aquicludes in the coal mine

根據(jù)礦井采掘揭露及勘查情況，主要受區(qū)內(nèi)各類斷層構(gòu)造影響，部分含水層之間有所溝通聯(lián)系，尤其是局部地區(qū)可溝通奧灰?guī)r溶含水層，造成煤層回采過程中的底板突水災(zāi)害。因此，對礦井深部煤炭資源進(jìn)行開發(fā)的過程中，必須采取奧灰水害探查治理手段和技術(shù)，確保礦井安全生產(chǎn)。

3 探查治理技術(shù)

3.1 鉆探技術(shù)

3.1.1 工程施工

本次鉆探工程綜合考慮了井下工作面布置、構(gòu)造分布等因素，在地面合適位置布置鉆探工程。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況分析，認(rèn)為奧灰八段85 m左右為理想的鉆探注漿層位。地面開鉆，大角度造斜，最終以近水平向鉆進(jìn)至奧灰?guī)r八段下部，鉆探軌跡控制在進(jìn)入奧灰60～120 m，在合適位置施工順層定向分支孔，最大限度揭露奧灰導(dǎo)水通道。

區(qū)域探查治理工程以70 m間距控制整個區(qū)域，設(shè)計1個地面主孔為XD1，而后施工地下分支孔，針對整個探查治理區(qū)開展工作，具體共布置40個近水平鉆孔，其中，在北區(qū)布置17個，南區(qū)布置9個，2129工作面布置14個底板超前治理鉆孔，鉆孔軌跡示意圖如圖1，鉆孔實際完成情況見表2。

圖1 鉆孔軌跡示意圖Fig.1 Boreholes track diagram

表2 鉆孔實際完成情況Table 2 List of actual completion of boreholes

3.1.2 鉆探發(fā)現(xiàn)

在本次鉆探施工北區(qū)分支孔時，通過N4及其周邊鉆孔的施工，發(fā)現(xiàn)一陷落柱（X8）。其中，由N4鉆孔鉆進(jìn)至2 377 m時伽瑪測井曲線、巖屑錄井和鉆時錄井的異常情況進(jìn)行分析，經(jīng)后期驗證，證實了該陷落柱的存在。

1）伽馬測井曲線。自N4鉆孔鉆進(jìn)至2 349 m時的自然伽瑪值陡升至14.6，之后至2 419 m，一直在50左右，最高達(dá)到83.63，而奧灰段正常鉆進(jìn)時其伽馬測井曲線值在5以下。N4鉆孔伽馬測井曲線異常如圖2。

圖2 N4鉆孔伽馬測井曲線異常Fig.2 Abnormal gamma logging in borehole N4

2）巖屑錄井。在N4鉆孔鉆進(jìn)至2 370～2 405 m過程中，返出的巖屑中含有大量煤屑，巖屑中取出泥巖碎片，滴酸無反應(yīng)；而正常奧灰段鉆進(jìn)時的巖屑為灰?guī)r，滴酸后產(chǎn)生氣泡，且并無煤屑及泥巖碎片。N4鉆孔巖屑錄井異常如圖3。

圖3 N4鉆孔巖屑錄井異常Fig.3 Abnormal cuttings logging in borehole N4

3）鉆時錄井。在N4鉆孔自鉆進(jìn)至2 370 m時，其鉆機鉆速逐漸增快，至2 435 m時最高達(dá)到0.476 m/min，而奧灰段正常鉆進(jìn)時鉆速為0.11～0.15 m/min，鉆時錄井異常情況見表3。

同時，結(jié)合周邊各鉆孔鉆進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)的異常情況及后期注漿過程中壓力波動上升的情況，分析推斷出該異?？赡転橄萋渲炔涣紭?gòu)造異常體所致，并圈定其橢圓形異常區(qū)，長軸約190 m，短軸約70m，其陷落柱比較破碎、本身被充填、外圍有裂隙。

表3 鉆時錄井異常情況Table 3 List of drilling-time logging anomalies

后期由礦方采用瞬變電磁側(cè)向探測、井下槽波探測、地面三維地震資料精細(xì)解釋、井下常規(guī)鉆探探查及巷探等多種方法進(jìn)行近一步驗證，最終發(fā)現(xiàn)該陷落柱存在并已發(fā)育至2#煤層，命名為X8，井下揭露X8陷落柱如圖4。

圖4 井下揭露X8陷落柱Fig.4 Underground exposed X8 collapse column

3.2 注漿技術(shù)

3.2.1 工程施工

本次注漿工程的主要目的是充填奧陶系灰?guī)r頂部溶隙和裂隙，封堵斷層等構(gòu)造薄弱區(qū)段，注漿過程中采用合理的注漿工藝保證工程質(zhì)量。注漿方式采用孔口止?jié){、高壓注漿法。

根據(jù)以往資料及經(jīng)驗，本次工程確定奧灰八段底部孔隙、裂隙較為發(fā)育，注漿層位選擇在奧灰八段下部。本次探查治理工程注漿材料主要為32.5#礦渣硅酸鹽水泥，并采用地面注漿站造漿，通過專用輸漿管路送至探查治理鉆孔，水泥漿液管2趟，管徑50.80 mm。采用主要漿液類型為水泥單液漿，水灰比在1∶1～6∶1之間，注漿工藝技術(shù)路線如圖5。

根據(jù)以往注漿經(jīng)驗，本次施工的北區(qū)和南區(qū)注漿總壓按照10 MPa設(shè)計，2129工作面注漿總壓參考冀中能源集團制定《水害地面區(qū)域治理管理規(guī)定》為12 MPa設(shè)計[6-7]。

圖5 注漿工藝技術(shù)路線圖Fig.5 Grouting technology roadmap

當(dāng)注漿壓力達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)行壓水試驗，測得單位吸水率q小于0.005 L/（min·m·m），即可認(rèn)為該段達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)[2,6-8]。

3.2.2 注漿規(guī)律

根據(jù)本次工程完成的40個近水平孔的壓水試驗和注漿數(shù)據(jù)資料，分析注漿量與各相關(guān)因素之間的相關(guān)關(guān)系。

通過分析各參數(shù)之間關(guān)系，得出相關(guān)系數(shù)，其中：①注漿段長度與注漿量之間的相關(guān)系數(shù)為0.082，即注漿段長度與注漿量相關(guān)性差；②注漿點距奧灰頂面的距離與注漿量之間的相關(guān)系數(shù)為-0.074，即注漿點距奧灰頂面距離與注漿量相關(guān)性差；③奧灰水位標(biāo)高與注漿量之間的相關(guān)系數(shù)為0.219，即奧灰水位標(biāo)高與注漿量相關(guān)性差；④抽水前后奧灰水位差與注漿量之間的相關(guān)系數(shù)為-0.210，即抽水前后奧灰水位差與注漿量負(fù)相關(guān)，相關(guān)性較差；⑤壓水試驗測得的平均吸水率與注漿量之間的相關(guān)系數(shù)為0.043，即平均吸水率與注漿量相關(guān)性差，幾乎不相關(guān)；⑥漏失量與注漿量之間的相關(guān)系數(shù)為0.148，即漏失量與注漿量相關(guān)性較差。

綜上所述，各指標(biāo)與注漿量相關(guān)性均表現(xiàn)較差，表明區(qū)域注漿條件相關(guān)的因素較少，注漿條件較為復(fù)雜。

4 工程效果檢驗

4.1 鉆探效果檢驗

4.1.1 伽馬測井分析

對各鉆孔伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制出的本次鉆探探查區(qū)域的伽馬測井平面對照圖如圖6。

結(jié)合鉆孔鉆進(jìn)過程中的漏失情況，可分析判斷陷落柱、斷層構(gòu)造等異常區(qū)域的導(dǎo)水情況。其中，在北區(qū)鉆探時發(fā)現(xiàn)的X8陷落柱（不導(dǎo)水），在南區(qū)鉆探過程中水平分支孔過SF21、SF27-1斷層帶時，伽馬測井?dāng)?shù)據(jù)異常，但未發(fā)現(xiàn)明顯漏失，說明在沒有采掘擾動情況下，該斷層不導(dǎo)水；揭露F23斷層時，有漏失情況，說明該斷層存在導(dǎo)水現(xiàn)象，與后期實際揭露情況相符。

圖6 伽馬測井平面對照圖Fig.6 Gamma logging plane comparison diagram

4.1.2 水位觀測

本次鉆探探查過程中，自N2鉆孔第1次注漿起至T10鉆孔最后1次注漿，先后共進(jìn)行注漿98次，每次均對鉆孔進(jìn)行抽水洗井并觀測水位，共測得奧灰水位數(shù)據(jù)201組，有效地反應(yīng)出了區(qū)域奧灰水位變化情況，抽水試驗前后水位變化情況對比圖如圖7。

圖7 抽水試驗前后水位變化情況對比圖Fig.7 Comparison diagram of water level changes before and after pumping tests

由圖7可以看出，一般情況下經(jīng)過抽水洗井后所觀測的奧灰水位有所上升，個別情況下抽水后觀測的水位有所下降，說明經(jīng)過抽水洗井后，奧灰水徑流通道被疏通，觀測的奧灰水位更接近實際。

自N9鉆孔第3次注漿前后，奧灰水位較之前的水位有所上升，且上升趨勢明顯?？紤]該鉆孔施工期間有強降雨情況出現(xiàn)，認(rèn)為奧灰水位上升的原因是大氣降水、地表水補給導(dǎo)致的。

T4鉆孔最后1次注漿開始，水位有所降低，且波動明顯，認(rèn)為是受2228工作面底板異常出水及后期治理過程影響，該區(qū)域奧灰水位有所波動。

4.1.3 水溫觀測

本次鉆探探查過程中，自N2鉆孔第1次注漿起至主孔封孔，先后共進(jìn)行注漿/壓水試驗102次，在條件允許的情況下對抽出的奧灰水水溫進(jìn)行了觀測，共測得奧灰水溫數(shù)據(jù)92組，反應(yīng)出了平面上奧灰水溫梯度，研究區(qū)水溫等值線圖如圖8。

圖8 研究區(qū)水溫等值線圖Fig.8 Water temperature contour map of the study area

由圖8可以看出，區(qū)域上奧灰水溫為27～34℃，一般情況下水溫為30℃，局部區(qū)域奧灰水溫低，與實際揭露煤層底板奧灰水溝通斷層構(gòu)造的情況相符。

4.2 注漿效果檢驗

4.2.1 注漿情況

在本次探查治理過程中，遇到漏失情況時，觀測漏失量后方可進(jìn)行注漿，另外，每間隔50～80 m未漏失時，也觀測漏失量后進(jìn)行壓水并判斷是否形成注漿條件。利用注漿點和壓水點取得的漏失數(shù)據(jù)，繪制的研究區(qū)漏失點等值線圖如圖9。

由圖9可以看出，探查治理區(qū)域內(nèi)漏失點分布不均勻，且較大漏失量的漏失點也未連續(xù)分布。說明區(qū)域內(nèi)奧灰?guī)r溶裂隙發(fā)育不均一。

圖9 研究區(qū)漏失點等值線圖Fig.9 Leakage point contour map of the study area

對各個漏失點和各孔終孔位置均按設(shè)計要求進(jìn)行了注漿和封孔，設(shè)計要求終壓10 MPa，除N5鉆孔注漿采用間歇注漿并封孔的方式外，其余各孔注漿終壓不小于10 MPa，符合要求。針對N5鉆孔注漿點，專門施工了N4t鉆孔進(jìn)行了檢驗，漏失量為0.4 m3/h，注漿量83 t，注漿終壓10 MPa，說明N5鉆孔注漿效果良好。

利用注漿點取得的98個注漿數(shù)據(jù)，繪制的研究區(qū)注漿量差異圖如圖10。

圖10 研究區(qū)注漿量差異圖Fig.10 The difference diagram of grouting volume in the study area

由圖10可知，注漿量較大的點主要分布于本工程探查發(fā)現(xiàn)的X8陷落柱外側(cè)，即N5鉆孔注漿點和N3鉆孔注漿點；另還有S8鉆孔終孔注漿位置注漿量較大，即F23斷層附近。

4.2.2 單位吸水率

地面注漿治理工程中的注漿施工經(jīng)過充填、升壓和加固3個階段，已經(jīng)將導(dǎo)水裂隙空間充填加固完畢，且嚴(yán)格按照注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，根據(jù)注漿泵壓、吸水段長度等計算吸水率q，當(dāng)計算結(jié)果不大于0.005 L/（min·m·m）時，才能結(jié)束鉆孔注漿施工。吸水率計算公式為：

式中：q為吸水率，L/（min·m·m）；Q為壓入流量，L/min；p為作用于施工段內(nèi)的全壓力，m；L為試段長度，m。

單次注漿前，進(jìn)行壓水試驗，壓水時需調(diào)整壓入流量，直至測到穩(wěn)定壓力，壓水時間不小于30 min。根據(jù)壓水結(jié)果，確定是否注漿。注漿時，隨著注漿壓力的增大，逐漸減小注入泵量，直至泵量為90 L/min且壓力≥10 MPa（從T2鉆孔開始，注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)變更為泵量35 L/min且壓力≥12 MPa），維持30 min以上。

計算注漿前和注漿后的平均吸水率數(shù)據(jù)，繪制的研究區(qū)探查治理前后單位吸水率等值線圖如圖11和圖12。可以看出，各次注漿結(jié)束時單位吸水率均不大于0.005 L/（min·m·m）。

圖11 研究區(qū)探查治理前后單位吸水率等值線圖Fig.11 Contour map of unit water absorption before and after exploration and control in the study area

5結(jié)論

1）研究區(qū)工作面回采過程中主要受2#煤層底板奧灰?guī)r溶含水層水威脅，主要充水通道為斷層構(gòu)造等，并確定了防治施工在奧陶系灰?guī)r八段中開展。

2）采區(qū)內(nèi)存在隱伏陷落柱，同時發(fā)現(xiàn)部分區(qū)段奧灰地層破碎、斷層發(fā)育，存在斷層構(gòu)造導(dǎo)通奧灰水的現(xiàn)象。

圖12 研究區(qū)探查治理后單位吸水率等值線圖Fig.12 Contour map of unit water absorption after exploration and control in the study area

3）通過對研究區(qū)內(nèi)潛在和實際發(fā)現(xiàn)的水害問題進(jìn)行注漿治理工程，經(jīng)工程完成后的參數(shù)檢驗（注漿終壓、單位吸水率、實際回采效果等），解除了探查治理區(qū)域的2#煤層底板奧灰水害威脅，從礦井防治水角度確保了安全生產(chǎn)工作。