吳鐵衛(wèi)，高 磊，程振雨

（中國煤炭地質(zhì)總局勘查研究總院，北京 100039）

0 引言

近年來，地面區(qū)域治理技術(shù)作為奧灰水治理的主要技術(shù)方法［1］，以其先進(jìn)治理的理念、較小的環(huán)境影響和出色的治理效果而受到廣泛認(rèn)可，對(duì)于解放受奧灰水威脅的煤炭資源起到了非常重要的作用［2］。

對(duì)于底板奧灰水的區(qū)域治理，目的層位的選擇是關(guān)鍵。秦立濤等通過突水系數(shù)法確定了區(qū)域治理的目的層位與治理段厚度［3］，李沖、王鋒利、任虎俊等在河北邯邢煤礦區(qū)底板高承壓水害防治研究中，通過突水系數(shù)法、鉆井液漏失量等研究了治理層位［4-7］，董書寧等在對(duì)區(qū)域治理模式進(jìn)行研究中，也對(duì)治理層位提出了選擇準(zhǔn)則［8-9］。這些治理目的層的選擇方法對(duì)于一些煤礦底板奧灰水的防治起到了一定作用，但是各煤礦地質(zhì)、水文地質(zhì)條件均具有不同特點(diǎn)，目的層位的選擇方法也各不相同。

青云煤礦位于山西省介休市，區(qū)域上屬于洪山泉巖溶水系統(tǒng)的強(qiáng)徑流區(qū)，構(gòu)造復(fù)雜，底板奧灰水水壓大、富水性強(qiáng)［10-11］。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇太原組薄層灰?guī)r作為治理目的層，常常起不到治理效果。本次研究采用綜合分析方法，通過研究煤礦地層、水文地質(zhì)條件，特別是巖溶發(fā)育規(guī)律、突水危險(xiǎn)等，對(duì)底板奧灰水區(qū)域治理目的層做出綜合分析研究，以期為區(qū)域治理提供指導(dǎo)，也為華北型煤田奧灰水區(qū)域治理提供參考。

1 煤層底板地層結(jié)構(gòu)及巖性特征

1.1 地層結(jié)構(gòu)

青云煤礦屬于華北型煤田，含煤地層為石炭系—二疊系山西組與太原組，規(guī)劃開采煤層為太原組下部的9 煤、10+11 煤，其頂板為太原組K2、K3、K4 灰?guī)r，底板主要發(fā)育有石炭系本溪組、奧陶系峰峰組、馬家溝組（圖1）。

圖1 青云煤礦地層巖性柱狀圖Figure 1 Stratigraphic lithological column of Qingyun coal mine

1.2 煤層底板巖性特征

本溪組厚度約為43m，巖性主要為泥巖、鐵質(zhì)泥巖、鋁質(zhì)泥巖等。奧陶系峰峰組、上馬家溝組巖性主要為灰?guī)r、白云巖等，其中峰峰組厚度約為80m，整體可以分為上、下兩段，上段為厚層石灰?guī)r，鉆進(jìn)時(shí)有程度不同的孔內(nèi)漏水現(xiàn)象；下段以厚層泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，夾不穩(wěn)定的石膏層。

2 底板含水層特征及突水危險(xiǎn)

2.1 底板主要含水層及其水文地質(zhì)特征

1）奧陶系上馬家溝組碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層。上馬家溝組上部為灰色灰?guī)r夾灰白色白云質(zhì)灰?guī)r，為本區(qū)主要巖溶水含水層之一，下部為灰黃色白云質(zhì)泥灰?guī)r，地層厚度130～250m。根據(jù)臨近的左則溝煤礦內(nèi)施工的ZS-1號(hào)上馬家溝組水文孔，水位標(biāo)高為902.156m，單位涌水量1.9761L/（s·m），滲透系數(shù)15.01m/d，水化學(xué)類型為HCO3·SO4—Ca·Mg 型，pH 值7.8，礦化度0.477 8 g/L，總硬度390.3 mg/L，水質(zhì)好，富水性強(qiáng)。

2）奧陶系峰峰組碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層。峰峰組巖性呈現(xiàn)明顯的上、下段兩分特征。上段為厚層石灰?guī)r，鉆進(jìn)時(shí)有程度不同的孔內(nèi)漏水現(xiàn)象，富水性較下段好，厚度約為40m；下段以厚層泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，夾不穩(wěn)定的石膏層，鉆孔循環(huán)液無明顯消耗，富水性弱，具有良好的隔水條件。

2.2 底板突水危險(xiǎn)性

煤層回采后，對(duì)底板產(chǎn)生一定的擾動(dòng)破壞，如果隔水層薄或者底板擾動(dòng)破壞帶與共同發(fā)育與煤層底板和奧陶系灰?guī)r之間的張性斷層，則奧灰水將通過這些斷層、裂隙帶進(jìn)行彈性釋放，涌入礦井發(fā)生突水［12］。對(duì)于底板突水風(fēng)險(xiǎn)，采用突水系數(shù)法計(jì)算［13-14］。突水系數(shù)值計(jì)算公式：

式中：T為突水系數(shù)，MPa/m；p為底板隔水層承受的水頭壓力，MPa。11 號(hào)煤層底板隔水層承受的水壓p為4.37～6.56MPa。M為底板隔水層厚度，m。

依據(jù)公式（1），經(jīng)計(jì)算，11 煤突水系數(shù)為0.067～0.146MPa/m，存在很大突水風(fēng)險(xiǎn)。

3 治理目的層選擇

3.1 選擇的原則

地面超前區(qū)域探查治理目的層位選擇應(yīng)遵循如下原則：①治理后可采區(qū)滿足突水系數(shù)T≤0.06MPa/m，并經(jīng)評(píng)價(jià)合格。②發(fā)育穩(wěn)定，厚度較大，可以保證較高鉆孔穿層率和成孔率。③便于判層。利用巖心及γ隨鉆測(cè)井曲線容易識(shí)別。④具有穩(wěn)定的頂?shù)装?，便于注漿控制。

3.2 目的層選擇

青云井田峰峰組巖性呈現(xiàn)明顯的上、下段兩分特征，從巖性上看，下段夾不穩(wěn)定的石膏層，鉆孔循環(huán)液無明顯消耗，富水性弱，具有良好的隔水條件，可以作為隔水層。上段為厚層石灰?guī)r，平均厚度約為40m。通過井田鉆孔對(duì)比來看，整體發(fā)育穩(wěn)定。從鉆探揭露來看，各鉆孔均有不同程度的鉆井液漏失現(xiàn)象，整體富水性較好。

峰峰組上覆本溪組泥巖、鋁土泥巖，其下部峰峰組下段以厚層泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，巖性易于與峰峰組上段進(jìn)行區(qū)分。根據(jù)測(cè)井資料曲線分析，峰峰組上段灰?guī)r自然γ值明顯較低，與峰峰組下段表現(xiàn)出明顯的差異。從巖性與測(cè)井曲線特征來看，均容易識(shí)別。從巖性、穩(wěn)定性、測(cè)井曲線特征分析，選擇峰峰組上段作為區(qū)域治理目的層（圖2）。

圖2 峰峰組上段巖性與測(cè)井曲線Figure 2 Lithology and well logging curves of the upper Fengfeng Formation

如果以峰峰組上段作為區(qū)域治理目的層進(jìn)行注漿改造，治理后峰峰組上段與下段將成為馬家溝組的隔水層。從鉆探揭露來看，各鉆孔均有不同程度的鉆井液漏失現(xiàn)象，具備注漿條件。因此綜合上述因素分析，青云井田底板奧灰水區(qū)域治理應(yīng)選擇奧陶系峰峰組上段作為目的層。

4 對(duì)區(qū)域治理工程的指導(dǎo)意義

青云煤礦底板奧灰區(qū)域治理一期位于井田南部F3斷層西側(cè)，治理面積為0.55km2。治理目的區(qū)域內(nèi)11 號(hào)煤層底板隔水層承受的水壓最大為6.58MPa，按照構(gòu)造區(qū)臨界突水系數(shù)0.06MPa/m 計(jì)算，11 號(hào)煤層底板需至少有100m 的隔水層厚度。根據(jù)鉆孔揭露，11 號(hào)煤距離奧灰含水層間距平均約43m，需要至少57m的隔水層。

峰峰組上覆為本溪組泥巖、鋁土泥巖，頂板穩(wěn)定，平均厚度為43m。峰峰組上段為厚層石灰?guī)r，平均厚度約為40m，富水性好。峰峰組下段以厚層泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主，為相對(duì)隔水層，平均厚度亦為40m。因此，從整體來看，只要將峰峰組上段認(rèn)真改造為隔水層，就可以達(dá)到區(qū)域突水系數(shù)小于0.06MPa/m的要求。

從測(cè)井資料來看，峰峰組上段厚層灰?guī)r的自然γ值明顯低于上、下地層，易于識(shí)別。根據(jù)目的層選擇原則，暫定改造目的層位應(yīng)為確定治理目的層選擇為奧陶系峰峰組上段。

項(xiàng)目共施工2個(gè)主孔，25個(gè)定向分支孔，各分支孔采用“扇形羽狀”布置施工。各分支孔施工間距60m，F(xiàn)3斷層附近加密至30m施工。

在施工過程中，鉆孔揭露的峰峰組上段厚層灰?guī)r自然γ值一般在40API 以下，而峰峰下段泥質(zhì)灰?guī)r、石膏層一般在120API 以上，上覆本溪組鋁質(zhì)泥巖一般在150API 以上，最大達(dá)到400API。施工過程中，隨鉆設(shè)備能夠不間斷顯示地層的自然γ值，如果鉆孔軌跡偏離設(shè)計(jì)軌跡，自然γ值會(huì)出現(xiàn)明顯變大。峰峰組上段容易判層，而且該段發(fā)育穩(wěn)定，具有穩(wěn)定的頂?shù)装?，作為治理目的層效果良好?/p>

采用兩種方法對(duì)治理效果進(jìn)行了驗(yàn)證。一是采用地面檢查孔驗(yàn)證，在對(duì)已注漿治理區(qū)域采用鉆探的方法驗(yàn)證注漿加固治理效果，驗(yàn)證鉆孔鉆井液沒有明顯消耗。二是采用井下鉆孔驗(yàn)證。根據(jù)已治理區(qū)井下施工的2 個(gè)檢查孔進(jìn)行的壓水試驗(yàn)，單位吸水率q＜0.01Lu，注漿治理效果良好。

5 結(jié)論

1）地面超前區(qū)域探查治理目的層位選擇應(yīng)遵循四個(gè)原則：治理后滿足突水系數(shù)T≤0.06MPa/m 的要求；目的層應(yīng)發(fā)育穩(wěn)定，厚度較大；便于判層；具有穩(wěn)定的頂?shù)装?。按照目的層選擇的四個(gè)原則，確定了選擇奧陶系峰峰組上段作為青云煤礦區(qū)域治理目的層位，對(duì)治理區(qū)的鉆探驗(yàn)證表明，目的層位選擇合理。

2）在對(duì)底板奧灰水開展區(qū)域治理前，應(yīng)對(duì)奧陶系含水層的地層結(jié)構(gòu)、巖性特征、巖溶發(fā)育規(guī)律等進(jìn)行精細(xì)勘探與研究，合理選擇治理目的層，為煤礦安全開采提供水文地質(zhì)保障。