陳軍濤，張 毅，武善元，楊 帆，云 明，劉 磊

（1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島266590；2.山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 邱集煤礦，山東 德州251105；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083）

礦井水害嚴(yán)重威脅人民的生命安全和煤炭的正常開(kāi)采[1-8]。目前我國(guó)礦井水害的防治方法主要有留設(shè)安全煤巖柱、降壓開(kāi)采、注漿堵水、充填開(kāi)采和限制采高等[9-15]。近年來(lái)隨著礦井突水形勢(shì)的嚴(yán)峻，國(guó)家要求煤礦必須落實(shí)防治水的主體責(zé)任，推進(jìn)防治水工作由過(guò)程治理向源頭預(yù)防、局部治理向區(qū)域治理、井下治理向井上下結(jié)合治理、措施防范向工程治理、治水為主向治保結(jié)合的轉(zhuǎn)變[16]。鑒于此，我國(guó)部分礦區(qū)采用了定向鉆孔注漿技術(shù)對(duì)含水層水害問(wèn)題進(jìn)行超前注漿治理[17-20]，積極推進(jìn)煤礦實(shí)現(xiàn)“五個(gè)轉(zhuǎn)變”，有效防范和遏制了水害事故。

定向鉆孔注漿治理水害問(wèn)題的關(guān)鍵在于有效探查和切斷隱蔽導(dǎo)水通道，將含水層改造成弱含水層或隔水層，以實(shí)現(xiàn)煤層的安全開(kāi)采，如趙慶彪等[17]利用定向水平鉆孔技術(shù)將煤層底板目標(biāo)灰?guī)r層全面改造為相對(duì)隔水層，從根本上消除了邯邢礦區(qū)奧灰災(zāi)害性突水通道。鄭士田[18]針對(duì)淮北煤田受底板含水層水害威脅的礦井，采用定向水平井鉆探和注漿探查治理技術(shù)改造含水層；安許良[19]，楊騰[20]認(rèn)為注漿加固是治理煤礦突（涌）水災(zāi)害的有效手段，通過(guò)注漿封堵巖層涌水通道，驅(qū)替巖層地下水，提高圍巖抗?jié)B性能，可以有效提高圍巖整體性和承載能力。這些研究成果對(duì)含水層改造及水害治理起到了積極作用，但是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隱蔽導(dǎo)水通道的探查和高質(zhì)量精準(zhǔn)注漿等方面缺乏系統(tǒng)的研究，尤其是受頂板灰?guī)r含水層和底板徐灰、奧灰含水層同時(shí)影響的黃河北煤田的水害問(wèn)題研究較少。為此依據(jù)臨沂礦業(yè)集團(tuán)邱集煤礦的水文地質(zhì)特征，基于含水層富水性及連通性，提出了超前主動(dòng)、區(qū)域協(xié)同、逢漏必注和安全推進(jìn)的防治水理念，采用定向鉆孔技術(shù)注漿改造頂?shù)装搴畬?，?shí)現(xiàn)了含水層巖溶裂隙及隱蔽導(dǎo)水通道的探查和治理，為黃河北煤田類似水害礦井的治理提供了科學(xué)的指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)概況及水文地質(zhì)特征

1.1 礦井概況

邱集煤礦位于山東省齊河縣境內(nèi)，是黃河北煤田第1對(duì)試驗(yàn)型礦井，可采7、10、11、13煤層。7、10煤層屬于二疊系煤層，基本不受水害威脅；11、13煤層屬于石炭系煤層，受頂?shù)装寤規(guī)r水害威脅嚴(yán)重。目前-395 m水平7、10煤層已基本開(kāi)采完畢，即將開(kāi)采-447水平的11、13煤層，其中11煤層厚度約為2 m，13煤層厚度約4.20 m，2個(gè)煤層總儲(chǔ)量近2億t。

1.2 水文地質(zhì)特征

11、13煤層頂板主要含水層為第四系底礫巖、基巖風(fēng)氧化帶、太原組一灰、二灰、三灰、四灰、五灰，底板主要含水層為徐灰和奧灰，礦井主要煤巖層柱狀情況如圖1。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)及鉆探分析，底礫巖、風(fēng)氧化帶因富水性弱，對(duì)11、13煤層的開(kāi)采無(wú)影響；一、二灰含水層已揭露，均可自然疏干；三灰含水層厚度薄且富水性差，對(duì)11、13煤層的開(kāi)采沒(méi)有影響。四五灰厚度為7.85～9.65 m，中間夾雜厚度約1.42 m的夾薄層泥巖，可視為1個(gè)含水層，巖溶裂隙發(fā)育，富水性中等（0.193 7～0.886 5 L/（s·m）），呈現(xiàn)出局部聚集，區(qū)域連通的特點(diǎn)[9]，是11、13煤層的直接充水層；底板徐灰厚度約為8.40～9.45 m（上距11煤層約為34.98 m），富水性弱到強(qiáng)（0.012 1～1.182 7L/（s·m）），突水系數(shù)＞0.1 MPa/m，是開(kāi)采11、13煤層的間接充水含水層；奧灰厚度＞700 m（上距11煤層約52 m），巖溶裂隙比較發(fā)育，單位涌水量為0.020 4～4.141 L/（s·m），富水性弱到強(qiáng)（0.005 62～4.141 L/（s·m）），突水系數(shù)為0.08 MPa/m，存在區(qū)域構(gòu)造破碎帶。因此，11、13煤層主要受頂板四灰和五灰、底板徐灰和奧灰含水層的威脅。

1.3 頂?shù)装搴畬舆B通問(wèn)題分析

2006年，11煤層軌道石門掘進(jìn)期間發(fā)生較大涌水，同時(shí)發(fā)現(xiàn)奧灰水位下降，四五灰水位上升，水壓差達(dá)到了3.8 MPa，說(shuō)明頂板四五灰和底板奧灰含水層之間有垂向補(bǔ)給通道。后期多次放水試驗(yàn)也表明：頂板四五灰與底板徐奧灰之間水力聯(lián)系密切。因此，需要將頂板四五灰和底板徐灰和奧灰作為聯(lián)通整體來(lái)考慮水害治理方法。

2 黃河北煤田含水層水害治理方法

圖1 礦井主要煤巖層柱狀圖Fig.1 Histogram of main coal strata in the mine

為有效解決黃河北邱集煤礦面臨的水害威脅，礦井統(tǒng)籌考慮頂?shù)装搴畬蛹皫r性特征后，確定了超前主動(dòng)、區(qū)域協(xié)同、逢漏必注和逐步推進(jìn)的水害防治理念，決定采用定向鉆孔技術(shù)注漿改造頂?shù)装灞踊規(guī)r，該技術(shù)可以精確控制地面定向鉆孔的導(dǎo)斜段在灰?guī)r層位中長(zhǎng)距離順層鉆進(jìn)，鉆孔軌跡呈線狀展布，鉆孔利用率和施工效率高，可最大限度地探查煤層與含水層間的隱蔽導(dǎo)水通道并治理目標(biāo)層位，切斷頂?shù)装搴畬娱g的水力聯(lián)系，增強(qiáng)注漿治理和改造效果，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)同治理目標(biāo)，定向鉆孔鉆探系統(tǒng)如圖2。

圖2 定向鉆孔鉆探系統(tǒng)Fig.2 The directional drilling system

針對(duì)11、13煤層受頂?shù)装咫p重灰?guī)r威脅的特殊情況，確立了定向鉆孔注漿治水的思路為：在地面適當(dāng)位置布置井場(chǎng)，鉆孔在工作面外側(cè)進(jìn)入四五灰和徐灰，順層探查并注漿灰?guī)r含水層裂隙，將含水層改造為弱含水層或隔水層，同時(shí)封堵四五灰、徐灰和奧灰彼此之間的隱蔽導(dǎo)水構(gòu)造，在此基礎(chǔ)上對(duì)四五灰采區(qū)邊界含水層進(jìn)行帷幕注漿，隔絕區(qū)域內(nèi)外四五灰之間的水力聯(lián)系，為后續(xù)11煤層的揭露和安全開(kāi)采創(chuàng)造條件，四五灰含水層注漿鉆孔設(shè)計(jì)剖面如圖3。

圖3 鉆孔設(shè)計(jì)軌跡剖面示意圖Fig.3 Schematic diagram of drilling design track section

3 定向鉆孔注漿治水關(guān)鍵技術(shù)

為有效解決11、13煤層開(kāi)采面臨的水害問(wèn)題，礦井采用定向鉆孔注漿技術(shù)對(duì)頂板四五灰和底板徐灰進(jìn)行改造，提出了頂?shù)装逋?帷幕注漿、隱蔽導(dǎo)水通道有效探查和高質(zhì)量精準(zhǔn)注漿的治理技術(shù)，確保含水層裂隙及隱蔽導(dǎo)水通道的有效探查和封堵，以保障11、13煤層的安全開(kāi)采，防治水技術(shù)路線如圖4。

圖4 防治水技術(shù)路線圖Fig.4 Water control technology roadmap

3.1 頂?shù)装逋?帷幕注漿技術(shù)

針對(duì)11、13煤層同時(shí)受頂板四五灰與底板徐奧灰含水層水害影響，且頂?shù)装搴畬铀淮嬖诖瓜蜓a(bǔ)給，隱伏導(dǎo)水構(gòu)造難以查明的問(wèn)題，礦井提出了頂?shù)装搴畬油瑫r(shí)注漿改造含水層，對(duì)頂板四五灰進(jìn)行區(qū)域帷幕的治理方法。頂?shù)装逋⒓炊ㄏ蜃{鉆孔共用1個(gè)孔位和一造斜段，施工雙層多分支順層鉆孔對(duì)頂板四五灰和底板徐灰含水層進(jìn)行改造。在鉆孔到達(dá)第四系地層中時(shí)開(kāi)始施工造斜段，先使用無(wú)磁鉆桿施工底板主孔及分支孔，后調(diào)節(jié)鉆桿方位在設(shè)計(jì)位置施工頂板主孔及分支孔，雙重注漿具有鉆探工程量小、覆蓋治理區(qū)域范圍廣、治理效率高及有效保障煤層快速投產(chǎn)的特點(diǎn)。

此外在11煤層開(kāi)采首采區(qū)邊界進(jìn)行頂板四五灰帷幕，隔絕內(nèi)外四五灰間的水力聯(lián)系，最大限度減少工作面開(kāi)采時(shí)的涌水量，雙層多分支順層鉆孔布置如圖5。

根據(jù)《礦山帷幕注漿規(guī)程》的要求，注漿帷幕體要達(dá)到弱透水層，終止壓力應(yīng)達(dá)到靜水壓力的2～3倍[19]，四五灰實(shí)際水壓為3.1～4.15 MPa，因此帷幕注漿終止壓力不宜小于10 MPa，同時(shí)注漿段在達(dá)到終壓值后，每米注入率不大于1 L/min時(shí)繼續(xù)灌注30 min方可結(jié)束注漿。本次采用突水系數(shù)法確定帷幕厚度，將突水系數(shù)為0.06 MPa/m作為安全標(biāo)準(zhǔn)，確定的帷幕厚度應(yīng)不小于70 m，邊界帷幕注漿情況如圖6。

3.2“梅花式”和“上下穿層式”導(dǎo)水通道探查技術(shù)

大面積全方位有效探查隱蔽導(dǎo)水通道和高效注漿改造含水層，成為11、13煤層水害治理的關(guān)鍵。根據(jù)四五灰水文地質(zhì)特征可知，四五灰呈現(xiàn)富水不均勻、上下區(qū)域重疊的特點(diǎn)。因此，在已有定向鉆孔注漿扇狀分支孔設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了“梅花式”和“上下穿層式”的分支鉆孔鉆進(jìn)方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)灰?guī)r含水層裂隙的全覆蓋探查，為后期導(dǎo)水通道的高質(zhì)量封堵提供保障。梅花式注漿鉆孔布置如圖7，上、下穿層式注漿鉆孔布置如圖8。目前定向鉆孔的分支孔間距為50～60 m，上下起伏高度3～5 m，單孔最多分支孔6個(gè)，鉆孔軌跡偏差控制在5‰以內(nèi)，導(dǎo)水通道探查率達(dá)到95%以上，成功實(shí)現(xiàn)了含水層裂隙和隱蔽區(qū)域?qū)ǖ赖挠行讲椤?/p>

圖6 邊界帷幕注漿示意圖Fig.6 Schematic diagram of curtain grouting at the boundary of mining area

圖7 梅花式注漿鉆孔布置示意圖Fig.7 Schematic diagram of plum blossoms grouting borehole

圖8 上、下穿層式注漿鉆孔布置示意圖Fig.8 Schematic diagram of upper and lower strata pentration grouting borehole

3.3 高質(zhì)量精準(zhǔn)注漿技術(shù)

在含水層巖溶裂隙和導(dǎo)水通道有效探查的基礎(chǔ)上，精準(zhǔn)注漿巖溶裂隙和導(dǎo)水通道顯得尤為重要。精準(zhǔn)注漿技術(shù)是建立在合理布設(shè)鉆孔位置及方位的基礎(chǔ)上，礦井提出了采用等距離定向鉆孔注漿技術(shù)，最大限度地提高隱蔽導(dǎo)水通道有效探查率，加強(qiáng)治理區(qū)域的含水層裂隙注漿，同時(shí)利用井上下水文觀測(cè)鉆孔建立完善的水文觀測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)含水層水壓水位變化速率及時(shí)調(diào)整注漿壓力、注漿材料等參數(shù)。等距離分支鉆孔布置如圖9，井上下水文觀測(cè)孔平面布置如圖10。該技術(shù)不僅能夠?qū)㈨敯灞踊規(guī)r改造成弱含水或隔水層，而且實(shí)現(xiàn)了注漿漿液擴(kuò)散的精準(zhǔn)控制和有效封堵，節(jié)約了防治水成本。

圖9 等距離分支鉆孔示意圖Fig.9 Schematic diagram of equal distance branch drilling

圖10 井上下水文觀測(cè)孔平面布置示意圖Fig.10 Schematic diagram of the plane layout of the upper and lower hydrological observation holes

為保證注漿能夠全面得注漿封堵灰?guī)r含水層及斷層破碎帶，分支孔間距不得大于2倍擴(kuò)散半徑，同時(shí)綜合考慮鉆孔高效利用和經(jīng)濟(jì)合理性原則，孔間距應(yīng)大于單孔注漿擴(kuò)散范圍，經(jīng)過(guò)數(shù)值分析可知[9]，可將漿液擴(kuò)散半徑設(shè)定為40～60 m，在后期注漿的具體實(shí)施過(guò)程中，根據(jù)施工效果對(duì)鉆孔間距進(jìn)行及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截至2018年底，礦井對(duì)二水平11煤層首采區(qū)一、二塊段頂?shù)装搴畬庸彩┕?9個(gè)注漿主孔，95個(gè)分支孔，累計(jì)完成進(jìn)尺64 183.74 m，累計(jì)注漿量353 880 t，目前已注漿完畢。

4.1 四五灰治理效果

根據(jù)水位觀測(cè)結(jié)果得到的四五灰治理區(qū)域內(nèi)外水位變化如圖11。治理區(qū)域內(nèi)四五灰水位平均值總體呈下降趨勢(shì)，與治理前相比水位差達(dá)到了126.74 m；位于治理區(qū)域外的WS4-6孔和WS1孔，觀測(cè)水位也出現(xiàn)了小幅度的下降，水位差分別達(dá)到38.76 m和30.32 m，治理區(qū)域內(nèi)外水位差明顯增大。

圖11 四五灰治理區(qū)域內(nèi)外水位變化圖Fig.11 Water level change inside and outside the Si&Wu limestone treatment area

各孔組達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后對(duì)四五灰進(jìn)行音頻電透視和瞬變電磁探查，發(fā)現(xiàn)四五灰含水層的富水異常區(qū)基本消失，四五灰富水滲透系數(shù)降為0.010 4 m/d，注漿區(qū)域的鉆孔涌水量明顯減少，水文觀測(cè)孔涌水量由注漿前60～270 m3/h降到6 m3/h以下，表明頂板四五灰含水層采用定向鉆孔和帷幕注漿治理水害技術(shù)后，明顯改變了原始含水層的富水性，有效封堵了四五灰?guī)r溶裂隙和導(dǎo)水通道，治理效果較好。

4.2 徐灰治理效果

根據(jù)水位觀測(cè)結(jié)果得到的徐灰治理區(qū)域內(nèi)外水位變化如圖12。治理區(qū)域內(nèi)徐灰水位平均值總體呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，與治理前相比水位差達(dá)到27 m；位于治理區(qū)域外的WX4孔和注7孔，觀測(cè)水位也出現(xiàn)了小幅度的下降，治理區(qū)域內(nèi)徐灰水位總體下降大于治理區(qū)域外徐灰水位，表明地面注漿改造加固徐灰含水層達(dá)到了治理工程目的。

圖12 徐灰治理區(qū)域內(nèi)外水位變化圖Fig.12 Water level change inside and outside the treatment area of Xu limestone layer

各孔組達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后對(duì)徐灰進(jìn)行音頻電透視和瞬變電磁探查，發(fā)現(xiàn)徐灰含水層的富水異常區(qū)基本消失，徐灰富水滲透系數(shù)降為0.010 4 m/d，注漿區(qū)域的鉆孔涌水量明顯減少，水文觀測(cè)孔涌水量由注漿前50～240 m3/h降到8 m3/h以下，表明底板徐灰含水層采用采用定向鉆孔注漿后，明顯改變了原始含水層的富水性，有效封堵了徐灰?guī)r溶裂隙和導(dǎo)水通道，治理效果較好。

4.3 治理評(píng)價(jià)

礦井通過(guò)地面定向鉆孔注漿改造11煤層首采區(qū)域，采用頂?shù)装逋?帷幕注漿技術(shù)、“梅花式”和“上下穿層式”導(dǎo)水通道探查技術(shù)和高質(zhì)量精準(zhǔn)注漿技術(shù)對(duì)四五灰及徐灰板含水層進(jìn)行了有效治理和改造，最大限度的探查含水層巖溶裂隙和隱蔽導(dǎo)水通道，采用井上、下水文觀測(cè)孔水壓實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量精準(zhǔn)注漿，切斷頂?shù)装逅奈寤?、徐灰和奧灰之間的水力聯(lián)系，大大減少了四五灰和徐灰含水層的涌水量，成功揭露了11煤層，為安全高效開(kāi)采煤炭資源提供了安全保障?；?guī)r和水泥結(jié)石體如圖13。

圖13 灰?guī)r和水泥結(jié)石體Fig.13 Limestone fissures and cement stone

5結(jié)語(yǔ)

1）根據(jù)黃河北煤田水文地質(zhì)特征及實(shí)際水害問(wèn)題，提出了超前主動(dòng)、區(qū)域協(xié)同、逢漏必注和安全推進(jìn)的礦井防治水理念。

2）通過(guò)對(duì)11、13煤層頂?shù)装逅?wèn)題分析，提出了頂?shù)装逋?帷幕注漿技術(shù)以改造四五灰含水層，“梅花式”與“上下穿層式”的鉆探技術(shù)以有效探查灰?guī)r巖溶裂隙和隱蔽導(dǎo)水通道，等距離定向鉆孔注漿和井上下水文觀測(cè)鉆孔實(shí)時(shí)觀測(cè)技術(shù)以確保高質(zhì)量精準(zhǔn)注漿等，保障了下組煤的安全開(kāi)采。

3）首采區(qū)11煤層頂?shù)装搴畬幼{治理結(jié)束后，治理區(qū)域內(nèi)外水位差明顯增大，四五灰和徐灰含水層滲透系數(shù)降為0.010 4 m/d，涌水量分別由注漿前的60～270 m3/h和50～240 m3/h降到6 m3/h和8 m3/h以下，實(shí)現(xiàn)了11煤層的成功揭露。

4）黃河北頂?shù)装宥ㄏ蜃{關(guān)鍵技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了頂?shù)装搴畬恿严兜挠行讲楹腿轿环舛拢瑸槌晒夥畔陆M煤提供了安全保障，也為我國(guó)黃河北煤田類似礦井水害問(wèn)題的治理提供了科學(xué)的指導(dǎo)作用。