趙偉，劉洲，王琦，李文江

摘要：為了進(jìn)一步提高極復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造下礦井底板巖溶水害區(qū)域治理技術(shù)的有效性，降低底板突水的危險(xiǎn)性，解決礦井區(qū)域水害治理過(guò)程中面臨的太原組上段灰?guī)r含水層巖溶裂隙發(fā)育、水壓高、富水性強(qiáng)、井下鉆孔工程量大、施工工期長(zhǎng)等安全技術(shù)難題，通過(guò)分析礦井近年來(lái)區(qū)域治理后工作面底板出水案例及特征，提出了地面定向鉆孔超前區(qū)域治理底板巖溶水害技術(shù)。以陳四樓煤礦南翼九采區(qū)2901、2903試驗(yàn)工作面開(kāi)采為背景，選取了L8灰?guī)r含水層作為目標(biāo)層位，設(shè)計(jì)了地面定向孔組的技術(shù)參數(shù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試分析了治理前后的二2煤底板水壓和各鉆孔的吸水率。結(jié)果表明：注漿后各鉆孔的吸水率呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，Z2和Z3孔組鉆孔平均吸水率分別下降97%和94%，經(jīng)過(guò)定向鉆孔超前注漿加固底板太原組上段灰?guī)r后，巖溶裂隙得到了有效充填；治理后區(qū)內(nèi)太原組上段L8灰?guī)r內(nèi)水壓下降至1.2～4.2 MPa，且水壓分布不再與地層埋深吻合，多呈孤島狀，太原組上段L8灰被改造為等效隔水層，底板突水系數(shù)下降至0023～0.057 MPa/m。技術(shù)成功應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了極復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造下強(qiáng)突水危險(xiǎn)性工作面的安全高效回采，為同類(lèi)礦井相似型綜采面的底板巖溶水害防治，探索出了一套新的方法。

關(guān)鍵詞：地面定向鉆孔；超前鉆探；高承壓水；隔水層；注漿加固

中圖分類(lèi)號(hào)：TD 745文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2024）01-0084-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0109開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Advance regional control of karst water hazard in floor with?ground directional drilling in Chensilou coal mine

ZHAO Wei1，LIU Zhou1，WANG Qi2，LI Wenjiang2

（1.Chensilou Coal Mine，Henan Longyu Energy Co.，Ltd.，Yongcheng 476600，China；2.Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard，CCTEG Xian? Research Institute （Group） Co.，Ltd.，Xian? 710077，China）

Abstract：In order to further improve the effectiveness of regional treatment technology for karst water damage in mine floor under extremely complex geological structure，reduce the risk of water inrush from floor，and solve the safety technical problems such as karst fissure development，high water pressure，strong water richness，large amount of underground drilling engineering and long construction period in the upper limestone aquifer of Taiyuan Formation in the process of regional water damage treatment in mine，the technology of advanced regional treatment of karst water damage in floor by surface directional drilling is put forward through the analysis of the cases and characteristics of water inrush from working face floor after regional treatment in recent years.Based on the mining of 2901 and 2903 test working faces in No.9 mining area of the south wing of the Chensilou coal mine，the L8 limestone aquifer was selected as the target horizon，and the technical parameters of the ground directional hole group were designed.Through the field test，the water pressure of the coal floor and the water absorption rate of each borehole before and after the treatment were analyzed.The results show that the water absorption rate of each borehole decreases obviously after grouting，and the average water absorption rate of boreholes in Z2 and Z3 borehole groups decreases by 97% and 94% respectively；karst fissures? are effectively filled after the limestone in the upper section of Taiyuan Formation is reinforced by directional drilling and advanced grouting.After treatment，the water pressure in the L8 limestone of the upper Taiyuan Formation in the area decreases to 1.2～4.2 MPa，and the water pressure distribution is no longer consistent with the buried depth of the stratum，mostly in an isolated island shape；the L8 limestone of the upper Taiyuan Formation is transformed into an equivalent aquifuge，and the floor water inrush coefficient decreases to 0.023～0.057 MPa/m.The successful application of the technology has realized a safe and efficient mining of working face with strong water inrush risk in extremely complex geological structure，and explored a new set of water disaster prevention and control technology for floor karst water disaster in similar fully mechanized mining face of similar mines.

Key words：ground directional drilling；advanced drilling；high pressure water；water-resisting layer；grouting reinforcement

0引言

中國(guó)華中地區(qū)煤炭資源開(kāi)采受承壓含水層威脅嚴(yán)重，采場(chǎng)底板突水事故已成為僅次于瓦斯事故的礦井重大災(zāi)害[1-2]。隨煤礦開(kāi)采深度的不斷增大，在采動(dòng)裂隙和底板承壓水的耦合作用下，采場(chǎng)底板灰?guī)r突水事故頻率進(jìn)一步增加，高承壓水已對(duì)華中煤田深部開(kāi)采正常接替和安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[3-4]。為了防止煤礦巷道開(kāi)掘或煤層開(kāi)采過(guò)程中底板發(fā)生突水事故，確保礦井安全生產(chǎn)，選擇合理有效的煤層底板水害防治技術(shù)至關(guān)重要，工程實(shí)踐證明，通過(guò)煤層底板注漿防治水害技術(shù)是解決此類(lèi)事故最為有效的方法之一[5-7]。以往煤層底板含水層注漿改造一直采用常規(guī)直孔注漿，但由于鉆孔遇含水層孔段較短，需要布置較為密集的鉆孔來(lái)達(dá)到改造目的，并且需要依托井巷工程實(shí)施[8-10]。同時(shí)，注漿工藝也面臨注漿盲區(qū)大、目標(biāo)位置不準(zhǔn)確、注漿效果差等問(wèn)題，使巷道掘進(jìn)過(guò)程中水害難以高效探查與治理。而地面定向近水平鉆孔鉆進(jìn)[11-12]是采用先進(jìn)的定向鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)和常規(guī)鉆孔鉆進(jìn)注漿技術(shù)相結(jié)合，在地面布置定向鉆機(jī)，利用鉆機(jī)進(jìn)行直孔段和造斜段的施工，使鉆孔達(dá)到底板水害治理目標(biāo)層位并最終變?yōu)檠啬繕?biāo)巖層走向順層鉆進(jìn)，同時(shí)在井下形成多個(gè)分支孔，增加了鉆孔在目標(biāo)層的有效孔段長(zhǎng)并實(shí)現(xiàn)了區(qū)域超前底板加固治理。

董書(shū)寧等首次提出利用水平定向鉆孔進(jìn)行煤層底板注漿加固的理念，提出煤層底板注漿加固水平定向鉆孔的施工方法，大幅增加有效注漿孔段長(zhǎng)度，提高鉆孔揭露裂隙帶、含水體面積，減小注漿盲區(qū)，提高注漿改造效率[13-15]。隨后，超前區(qū)域治理理念在河北邯邢礦區(qū)、安徽淮北礦區(qū)煤層底板水害治理中大面積推廣應(yīng)用[16-17]，并迅速發(fā)展到斷層、陷落柱等導(dǎo)水構(gòu)造治理，形成了集超前區(qū)域探查與面狀治理于一體的煤層底板水害超前區(qū)域治理技術(shù)。該技術(shù)先后在河北峰峰礦區(qū)九龍、陜西焦坪礦區(qū)桑樹(shù)坪、安徽淮北礦區(qū)朱莊等煤礦成功應(yīng)用[18-19]，并進(jìn)一步推廣至安徽皖北和淮南、山東黃河北、河北邯邢、河南焦作等礦區(qū)[20-24]，地質(zhì)條件復(fù)雜，取得了良好的治理效果，使水平定向鉆孔技術(shù)廣泛應(yīng)用于礦井水害防治工程[25-28]。但在工程實(shí)踐中，地質(zhì)條件復(fù)雜，水平定向鉆孔底板存在注漿設(shè)計(jì)缺乏依據(jù)、注漿改造工藝缺乏檢驗(yàn)、注漿效果檢驗(yàn)技術(shù)不可靠等問(wèn)題，區(qū)域治理成本較高，治理效果難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

永城煤電控股集團(tuán)陳四樓煤礦區(qū)域水害治理過(guò)程中面臨太原組上段灰?guī)r含水層巖溶裂隙發(fā)育、水壓高、富水性強(qiáng)、井下鉆孔工程量大、施工工期長(zhǎng)等技術(shù)難題，礦井以往采用常規(guī)井下底板注漿加固治理，治理鉆孔反復(fù)、多次出水、治理效果不佳等問(wèn)題，導(dǎo)致治理成本和工期增加，嚴(yán)重影響礦井生產(chǎn)接替計(jì)劃和安全高效生產(chǎn)。針對(duì)以上問(wèn)題，以礦井南翼九采區(qū)2901、2903工作面為背景，引入地面定向鉆孔超前區(qū)域治理新技術(shù)，選取了L8灰?guī)r含水層作為目標(biāo)層位，設(shè)計(jì)了地面定向鉆孔超前區(qū)域底板水害治理技術(shù)參數(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比分析了治理前后的二2煤底板水壓和各鉆孔的吸水率，對(duì)區(qū)域底板水害治理效果進(jìn)行了驗(yàn)證及評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)工作面底板太原組上段巖溶裂隙和構(gòu)造情況的全面探查和注漿加固，保障了礦井生產(chǎn)接替計(jì)劃及安全高效生產(chǎn)。

1工程概況

1.1試驗(yàn)工作面概況

陳四樓煤礦隸屬永城煤電控股集團(tuán)，2020年核定生產(chǎn)能力為450萬(wàn)t/a，該礦主采煤層共5層，目前正開(kāi)采二2煤層，三1、三22、三4和三5煤層尚未開(kāi)采。經(jīng)鑒定陳四樓煤礦具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，目前開(kāi)采的二2煤屬于Ⅲ類(lèi)不易自燃煤層，煤塵無(wú)爆炸危險(xiǎn)性，煤層以及煤層頂?shù)装鍩o(wú)沖擊傾向性。該礦地質(zhì)類(lèi)型為極復(fù)雜，水文地質(zhì)類(lèi)型為中等，礦井涌水量正常為562 m3/h，涌水量峰值達(dá)1 034 m3/h。2901、2903試驗(yàn)工作面為九采區(qū)的首采工作面，對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高+33.91～+32.81 m，二2煤層底板標(biāo)高-720～-850 m，工作面平均煤厚2.4 m，資源儲(chǔ)量211萬(wàn)t。試驗(yàn)工作面底板巖溶水害治理面積62.5萬(wàn)m2，治理區(qū)里段發(fā)育一寬緩的向斜褶皺，地層傾角3°～24°，平均15°，走向北北東-南南東，傾向南南東-北西西。該區(qū)域二2煤底板距太原組上段L11灰?guī)r（厚約2 m）約48.49 m，下距L10灰?guī)r（厚約4 m）約59.61 m，下距L8灰?guī)r（厚約11.18 m）約78.57 m，如圖1所示。

1.2治理區(qū)水文地質(zhì)特征

陳四樓煤礦北翼水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，南翼屬深部采區(qū)水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜。該礦歷史上共發(fā)生5次較大工作面底板出水，其中4次發(fā)生在南翼采區(qū)，南翼三采區(qū)2301工作面，出水量峰值200 m3/h；南翼五采區(qū)2501、2507工作面，出水量峰值分別為40 m3/h和175 m3/h；南翼十三采區(qū)21301工作面，出水量峰值190 m3/h。九采區(qū)同樣位于陳四樓煤礦南翼，并且地層埋深最大，地質(zhì)和水文地質(zhì)條件較其他采區(qū)更復(fù)雜，為整個(gè)礦井水害的重點(diǎn)治理區(qū)域。通過(guò)對(duì)治理區(qū)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，水害具有如下特點(diǎn)。

1.2.1區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，煤層底板破碎

治理區(qū)位于陳四樓向斜起始端，發(fā)育有斷層16條，其中DF33和DF20落差分別達(dá)22 m和19 m，據(jù)物探顯示，這2條斷層均切割至太原組上段灰?guī)r含水層，成為二2煤底板的直接導(dǎo)水通道。F901S3、DNF20和D5F19均為落差大于5 m的實(shí)揭斷層，掘進(jìn)期間雖不導(dǎo)水，但回采過(guò)程中受地應(yīng)力和高水壓影響，難以確保斷層不發(fā)生活化。陳四樓向斜為南翼主要控水構(gòu)造，尤其是靠近2901工作面切眼的次級(jí)褶曲軸部，二2煤底板極為破碎（井下鉆孔多次發(fā)生塌孔），大大降低底板隔水層的有效厚度，安全回采風(fēng)險(xiǎn)增高。

1.2.2治理區(qū)內(nèi)地層埋深大、水壓高

治理區(qū)煤層埋深-720～-850 m，太原組上段水壓最高可達(dá)7 MPa。沿-720 m大巷向治理區(qū)施工的觀5、觀6等鉆孔均揭露了太原組上段灰?guī)r，其鉆孔涌水量在60～80 m3/h，水壓大于5 MPa，表明2901、2903試驗(yàn)工作面水害威脅程度大、水壓高，存在較大的安全回采風(fēng)險(xiǎn)隱患。

2治理層位選擇

通過(guò)對(duì)該礦南翼其他相鄰采區(qū)開(kāi)采實(shí)踐和九采區(qū)資料分析，此次治理區(qū)選擇二2煤底板太原組上段L8灰?guī)r含水層作為水害治理目的層，其主要原因如下。

1）礦井歷史出水水源均為L(zhǎng)8灰，水害威脅程度大。陳四樓煤礦南翼共發(fā)生4次工作面回采期間的出水，根據(jù)礦井的水量、水位觀測(cè)和水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果表明，4次突水水源均為太原組上段的L8灰含水層。

2）L8灰出水點(diǎn)多，注漿量大。通過(guò)對(duì)南翼九采區(qū)相鄰的十七采區(qū)21702工作面井下常規(guī)底板注漿改造揭露鉆孔的統(tǒng)計(jì)，該工作面共計(jì)施工199個(gè)鉆孔，鉆孔揭露出水層位主要位于太原組上段L8灰和L9灰，且L8灰和L9灰井下注漿量也相較其他層位注漿量大（分別占36.21%和25.16%），如圖2、圖3所示。因此，選擇L8灰為治理目標(biāo)層一方面有利于最大揭露巖溶裂隙，另一方面注漿效果也可以得到保障。

3）L8灰?guī)r溶最發(fā)育、厚度最大，順層難度小。依據(jù)礦方取芯資料，通過(guò)對(duì)太原組上段灰?guī)r巖溶發(fā)育規(guī)律的分析，認(rèn)為其巖溶發(fā)育程度由強(qiáng)至弱排序：L8>L9>L10>L11，以L8中段前、后2期巖溶最強(qiáng)烈，L11巖溶發(fā)育程度最低，呈現(xiàn)出“上弱下強(qiáng)”的特點(diǎn)。其中L8灰相較L9～L11灰?guī)r溶發(fā)育規(guī)模和數(shù)量大且多，如圖4所示，開(kāi)放性好，有明顯的流水痕跡。此外L8平均厚度11.18 m地面區(qū)域治理鉆孔順層難度小，質(zhì)量有保證。

4）L8灰為治理目的層，滿足突水系數(shù)要求。九采區(qū)2901、2903試驗(yàn)工作面二2煤底板主要充水含水層為太原組上段灰?guī)r（L11～L8），其水壓5～7 MPa，L8灰?guī)r是治理區(qū)內(nèi)最厚且穩(wěn)定的灰?guī)r含水層，平均厚度11.18 m，上距二2煤層底板平均約78.57 m。若選擇L8灰?guī)r作為治理目的層，經(jīng)治理改造后，有效隔水層厚度可達(dá)到L8灰?guī)r底部，即其二2煤底板有效隔水層厚度為90 m，突水系數(shù)滿足《煤礦防治水細(xì)則》相關(guān)要求。

綜上分析，選擇L8灰作為治理目的層，不僅可保證鉆探治理和注漿效果，在裂隙和構(gòu)造發(fā)育部位，通過(guò)劈裂擴(kuò)散注漿，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)上部L9灰、L10灰和L11灰含水層及導(dǎo)水通道兼顧治理。

3地面超前區(qū)域水害治理方案設(shè)計(jì)

3.1技術(shù)原理

地面定向鉆孔超前區(qū)域治理底板巖溶水害技術(shù)是將地面注漿技術(shù)與隨鉆導(dǎo)向測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，利用地面定向鉆孔實(shí)現(xiàn)區(qū)域水害超前注漿治理。地面導(dǎo)向鉆孔依次施工直孔段、造斜段及順層分支孔段。在礦井南翼九采區(qū)治理區(qū)域內(nèi)的L8灰?guī)r層中、上部順層鉆進(jìn)，區(qū)域性超前探查煤層底板L8灰地層的溶洞裂隙及隱伏構(gòu)造，并對(duì)L8灰及其上覆薄層灰?guī)r（L9～L11灰）的巖溶裂隙和隱伏導(dǎo)水構(gòu)造進(jìn)行高壓充填注漿封堵，通過(guò)分段探注結(jié)合施工，有效封堵二2煤底板L8灰地層的溶洞裂隙及微裂隙通道，在煤層底板形成一個(gè)水平的“止水帷幕”，阻隔來(lái)自L8灰及下部含水層中的災(zāi)害水源，以消除底板高壓灰?guī)r水突水威脅。

該技術(shù)能在地表依次序施工地面多分支近水平順層鉆孔群，并呈扇狀發(fā)散分布，以便對(duì)治理區(qū)域二2煤層底板L8灰含水層的各類(lèi)儲(chǔ)、含水空間和導(dǎo)水通道進(jìn)行探查及注漿封堵，徹底切斷突水通道，阻斷L8灰及以下奧陶系灰?guī)r水涌入工作面，實(shí)現(xiàn)超前治理底板突水災(zāi)害的目標(biāo)。

3.2鉆孔設(shè)計(jì)

底板含水層注漿治理的關(guān)鍵在于將注漿孔的漿料擴(kuò)散面積盡可能地均勻布置在工作面回采區(qū)域內(nèi)，2901、2903工作面探查治理區(qū)域長(zhǎng)1 250 m，寬310 m，按照“全面覆蓋，不留遺漏”的設(shè)計(jì)原則[29-32]，結(jié)合井上下對(duì)照?qǐng)D，設(shè)計(jì)在九采區(qū)2901、2903試驗(yàn)治理區(qū)布置2個(gè)地面定向孔組Z2和Z3，孔組采取一個(gè)主孔與多個(gè)一級(jí)、二級(jí)分支孔的扇狀發(fā)散布置。目前普遍采用的漿液擴(kuò)散半徑計(jì)算公式為何修仁提出的杜達(dá)克注漿充填模型[29-32]，計(jì)算公式為

R=Rck+K×ΔP×γBb×γn×μB×b0×mT（1）

式中b為試驗(yàn)系數(shù)，水灰比為1∶1、1∶3和1∶8時(shí)，b分別為8.5，5.1和3.1，中間濃度用內(nèi)插法確定b；Rck為注漿孔半徑，m；b0為裂隙平均開(kāi)度，m；mT為巖層裂隙率；μB為水泥漿動(dòng)力粘滯系數(shù)；γn，γB分別為巖層裂隙中漿液和水的容重，103 kg/m3；ΔP為沿液流方向的壓差，N/m2；K為巖層的滲透系數(shù)，m/d。

注漿孔半徑Rck為0.076 m。水灰比控制在1∶1.28～1∶3，b取5.14，注漿終壓控制在12 MPa左右，ΔP取1.2×106 N/m2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探陳四樓南翼L8灰?guī)r溶裂隙極發(fā)育，b0取0.002 m，mT取1.3%，K取1.03 m/d，γn取1.3×103 kg/m3，γB取1×103 kg/m3，μB取1.27×107 N/m2。據(jù)此計(jì)算得出漿液擴(kuò)散半徑為25.1 m，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)計(jì)兩分支孔間距控制在50 m范圍內(nèi)，覆蓋治理區(qū)及其外擴(kuò)30 m范圍?？卓谖恢玫拇_定，需要考慮采空區(qū)、地面道路、水源和村莊等條件限制。重點(diǎn)針對(duì)注漿改造前物探結(jié)果中的工作面L8灰水量異常區(qū)，以及巷道切眼、停采位置和構(gòu)造處等關(guān)鍵區(qū)域。具體鉆孔軌跡見(jiàn)平面布置如圖5所示。

治理區(qū)域共設(shè)計(jì)2個(gè)地面孔組Z2和Z3孔組，合計(jì)2個(gè)主孔，29個(gè)分支孔，設(shè)計(jì)總鉆探量21 230 m。Z2孔組主要治理九采區(qū)2901、2903試驗(yàn)工作面外段，共設(shè)計(jì)1個(gè)主孔及13個(gè)分支孔，預(yù)計(jì)鉆探總工程量10 770 m，其中一開(kāi)進(jìn)尺200 m，二開(kāi)進(jìn)尺745 m，三開(kāi)進(jìn)尺9 825 m。Z3孔組主要治理九采區(qū)2901、2903試驗(yàn)工作面里段，共設(shè)計(jì)1個(gè)主孔及16個(gè)分支孔，預(yù)計(jì)鉆探總工程量10 460 m，其中一開(kāi)進(jìn)尺200 m，二開(kāi)進(jìn)尺785 m，三開(kāi)進(jìn)尺9 475 m。

鉆孔一開(kāi)孔徑為311 mm，下入表層套管（直徑為244.5 mm、厚度8.94 mm）至基巖，水泥固井，對(duì)第四系表土地層進(jìn)行隔離；二開(kāi)孔徑為216 mm，定向?qū)?，下入套管（直徑?00.3 mm、厚度1092 mm）至L8灰?guī)r，水泥固井；三開(kāi)孔徑為152 mm，沿治理目的層L8灰?guī)r順層鉆進(jìn)。兩級(jí)套管（一開(kāi)直孔段和二開(kāi)斜孔段）均使用水泥永久性止水處理。鉆孔結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。

3.3注漿設(shè)計(jì)

注漿工程主要目的：①充填揭露的地層中的溶隙和裂隙，趕走其內(nèi)貯存的水；②充填加固治理鉆孔揭露的垂向?qū)畼?gòu)造，切斷治理區(qū)深部高承壓含水層與煤系地層的水力聯(lián)系。判斷鉆孔注漿效果好壞，以及巖層裂隙的發(fā)育程度，觀測(cè)鉆孔的注漿量是最直觀的方法，也叫孔內(nèi)裂隙容漿量，區(qū)域注漿總量計(jì)算方法[29-32]為

Q=A×η×α×β（2）

式中Q為區(qū)域注漿總量，m3；A為漿液區(qū)域體積，m3；η為孔隙率，取0.5%～3%；α為地層充填有效系數(shù)，取0.8～0.9；β為漿液消耗系數(shù)，取1.1～13。

根據(jù)九采區(qū)2901、2903工作面地質(zhì)條件和注漿鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)，A取4.162 5×106 m3，η取13%，α取0.8，β取1.1，代入式（2）計(jì)算得到區(qū)域注漿總量約為47 619 m3。選用注漿材料密度取1 300 kg/m3，合計(jì)注漿量預(yù)計(jì)約61 905 t。

在地面建設(shè)一座臨時(shí)注漿站，要求具備300 t儲(chǔ)灰能力，配備TBW-390泵9臺(tái)套，設(shè)計(jì)最大注漿能力達(dá)到1 000 L/min，用于滿足底板灰?guī)r區(qū)域治理的注漿需求。注漿站位置距Z2和Z3的距離分別為400 m和1.1 km，其最大漿液傳輸壓降≯2 MPa。注漿材料為普通硅酸鹽水泥，要求標(biāo)號(hào)32.5及以上，水灰比控制在1∶1.28～1∶3。采用單液水泥漿注漿，連續(xù)攪拌法制漿工藝，并采用孔口密閉分段下行注漿方式，采取先稀后濃、能注盡注原則。進(jìn)入目標(biāo)治理L8灰?guī)r層位水平段后，如果鉆遇漏失層段要詳細(xì)記錄深度、漏失量、液位等數(shù)據(jù)。漿液漏失大于10 m3/h，就立即停止鉆進(jìn)開(kāi)始注漿。

鉆孔在三開(kāi)段施工時(shí)若出現(xiàn)鉆井液漏失情況，當(dāng)漏失量<10 m3/h時(shí)，通過(guò)調(diào)整鉆井液配比強(qiáng)制鉆進(jìn)；當(dāng)漏失量≥10 m3/h時(shí)，采取向前鉆進(jìn)5～10 m。充分揭露待注漿漏失層段即起鉆進(jìn)行水位觀測(cè)及壓（注）水試驗(yàn)，詳細(xì)記錄水位觀測(cè)結(jié)果及壓（注）水試驗(yàn)過(guò)程，之后進(jìn)行高壓注漿。鉆孔終孔后，起鉆進(jìn)行水位觀測(cè)和壓（注）水試驗(yàn)，詳細(xì)記錄水位觀測(cè)結(jié)果和壓（注）水試驗(yàn)過(guò)程，以備計(jì)算含水層的單位吸水率。最后對(duì)鉆孔進(jìn)行全段高壓注漿。

4地面區(qū)域水害治理工程施工情況

4.1注漿工程施工情況

2901、2903試驗(yàn)工作面治理區(qū)于2020年3月2日開(kāi)始第1次注漿，2021年7月5日最后一次注漿結(jié)束，累計(jì)注漿92次，注漿共用水泥59 692.5 t，其中Z2孔組注水泥31 915 t，Z3孔組注水泥27 777.5 t，其注漿量分布情況如圖7所示。

從圖7可以看出，Z2孔組的注漿量主要集中在2901上順槽和DNF20、F901S3和DF20斷層區(qū)域，Z3孔組的注漿量主要集中于2903工作面和2901切眼褶曲軸部，區(qū)內(nèi)構(gòu)造是影響該區(qū)域注漿量大小的主要因素之一。從Z2和Z3孔組注漿施工情況分析，其中Z2孔組注漿45次，Z3孔組注漿47次。Z2孔組最大注漿量發(fā)生在Z2-5第Ⅲ次注漿期間，注漿量為7 367 t；Z3孔組最大注漿量發(fā)生在Z2-14第Ⅲ次注漿期間，注漿量為4 288 t。

4.2工程探查及施工質(zhì)量分析

Z2孔組和Z3孔組累計(jì)注漿92次，累計(jì)發(fā)生漏失62次，其中發(fā)生23次漏失量大于60 m3/h情況，發(fā)生15次漏失量介于10～60 m3/h情況，發(fā)生24次漏失量小于10 m3/h情況，見(jiàn)表1。

從圖8可以看出，整個(gè)治理區(qū)內(nèi)漏失點(diǎn)分布廣泛，表明治理區(qū)巖溶普遍發(fā)育。較大漏失點(diǎn)主要集中在2處，分別是2903工作面前100 m和2901工作面上順槽附近。通過(guò)對(duì)比注漿量和漏失量的分布，可以看出其在平面上的位置分布無(wú)直接關(guān)系。

從圖7、圖8可以看出，注漿量、漏失量和漏失段長(zhǎng)三者的相關(guān)性并不明顯。在施工中漏失量的分布通常與工程施工的順序有關(guān)，前期施工的孔組在地層剛被揭露，往往發(fā)生較大漏失。后期施工的孔組，由于地層已被多次注漿充填，進(jìn)而不易發(fā)生漏失。而注漿量的大小不僅與施工順序有關(guān)，還與注漿濃度、壓力和地層的可注性有關(guān)。

5水害治理效果驗(yàn)證及評(píng)價(jià)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)壓水試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比九采區(qū)2901、2903試驗(yàn)工作面區(qū)域水害治理前后各鉆孔吸水率q前和q后，如圖9、圖10所示。從圖9、圖10可以看出，經(jīng)注漿后底板各鉆孔的吸水率呈現(xiàn)明顯的下降，分別由0.012 L/min.m.m和0.006 3 L/min.m.m降至0.000 36 L/min.m.m和0.000 44 L/min.m.m，Z2和Z3孔組鉆孔平均吸水率分別下降97%和94%，反映經(jīng)過(guò)地面定向鉆孔超前注漿加固治理區(qū)底板太原組上段灰?guī)r后，有效充填了巖溶裂隙。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)底板水壓測(cè)試結(jié)果，對(duì)比九采區(qū)2901、2903試驗(yàn)工作面區(qū)域水害治理前后二2煤底板水壓，如圖11所示。從圖11可以看出，治理前區(qū)太原組上段L8灰?guī)r內(nèi)水壓為5～7 MPa，且水壓分布與地層埋深情況較為吻合；治理后區(qū)內(nèi)太原組上段L8灰?guī)r內(nèi)水壓下降至0.8～4.2 MPa，且水壓分布不再與地層埋深吻合，多呈孤島狀，治理區(qū)太原組上段L8灰?guī)r溶含水層被注漿充填分割為許多獨(dú)立的塊段、水力聯(lián)系基本被切斷。

經(jīng)地面超前定向鉆孔區(qū)域底板巖溶水害治理后，太原組上段L8灰被改造為等效隔水層，因此底板有效隔水層厚度可計(jì)算至L8灰底板，根據(jù)實(shí)際揭露其隔水層最小有效厚為90 m，由此計(jì)算底板突水系數(shù)為0.023～0.057 MPa/m，符合“實(shí)施地面區(qū)域治理后的工作面突水系數(shù)按0.1 MPa/m計(jì)算”規(guī)定要求，具備安全回采條件，實(shí)現(xiàn)了治理區(qū)底板注漿加固的預(yù)期效果。

6結(jié)論

1）Z2孔組的注漿量主要集中在2901上順槽和DNF20、F901S3和DF20斷層區(qū)域，Z3孔組的注漿量主要集中于2903工作面和2901切眼褶曲軸部，由此可知區(qū)內(nèi)構(gòu)造是影響該區(qū)域注漿量大小的主要因素。

2）底板各鉆孔的吸水率均有明顯下降，分別由0.012 L/min.m.m和0.006 3 L/min.m.m降至0.000 36 L/min.m.m和0.000 44 L/min.m.m，Z2和Z3孔組鉆孔平均吸水率分別下降97%和94%，說(shuō)明經(jīng)過(guò)定向鉆孔超前注漿加固后，治理區(qū)底板太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙得到了有效充填。

3）治理區(qū)內(nèi)太原組上段L8灰?guī)r內(nèi)水壓下降至1.2～4.2 MPa，且水壓分布不再與地層埋深吻合，多呈孤島狀，底板突水系數(shù)為0.023～0.057 MPa/m，符合規(guī)定要求，具備安全回采條件。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1]李飛，孔德中，汪洋，等.我國(guó)煤層底板突水機(jī)理與防治研究現(xiàn)狀及展望[J].煤礦安全，2022，53（11）：200-206.

LI Fei，KONG Dezhong，WANG Yang，et al.Research status and prospect of water inrush mechanism and prevention of coal seam floor in China[J].Safety in Coal Mines，2022，53（11）：200-206.

[2]劉澤威，劉其聲，劉洋.煤層底板隱伏斷層分類(lèi)及突水防治措施[J].煤田地質(zhì)與勘探，2020，48（2）：141-146.

LIU Zewei，LIU Qisheng，LIU Yang.Classification of hidden faults in coal seam floor and measures for water inrush prevention[J].Coal Geology & Exploration，2020，48（2）：141-146.

[3]戴磊，段李宏.地面定向鉆孔超前區(qū)域治理底板巖溶水害技術(shù)應(yīng)用[J].煤炭工程，2022，54（2）：83-88.

DAI Lei，DUAN Lihong.Advance regional control of karst water hazard in coal seam floor with ground directional drilling[J].Coal Engineering，2022，54（2）：83-88.

[4]張培森，顏偉，張文泉，等.含隱伏斷層煤層回采誘發(fā)底板突水影響因素研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2018，35（4）：765-772.

ZHANG Peisen，YAN Wei，ZHANG Wenquan，et al.Study on factors influencing groundwater inrush induced by back stopping of a coal seam with a hidden fault[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2018，35（4）：765-772.

[5]張黨育，蔣勤明，高春芳，等．華北型煤田底板巖溶水害區(qū)域治理關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2020，48（6）：31-36.

ZHANG Dangyu，JIANG Qinming，GAO Chunfang，et al．Study progress on key technologies for regional treatment of Karst water damage control in the floor of North China coalfield[J].Coal Science and Technology，2020，48（6）：31-36.

[6]田樂(lè)，孫曉宇.巨厚沖積層薄基巖煤層底板區(qū)域防治水地面定向鉆探技術(shù)[J].煤炭技術(shù)，2020，39（4）：111-113.

TIAN Le，SUN Xiaoyu.Ground directional drilling technology to regional water disaster prevention and control of coal seam floor with thick alluvium and thin bedrock[J].Coal Technology，2020，39（4）：111-113.

[7]邢茂林．煤層底板區(qū)域治理后斷層突水原因及探討[J].煤礦安全，2023，54（3）：204-211．

XING Maolin.Causes and discussion of fault water inrush after regional treatment in coal seam floor[J].Safety in Coal Mines，2023，54（3）：204-211.

[8]邊凱，李思宇，劉博，等.承壓水上含斷層煤層開(kāi)采底板突水規(guī)律研究[J].煤礦安全，2022，53（6）：169-177．

BIAN Kai，LI Siyu，LIU Bo，et al.Study on water inrush law of mining floor in coal seam with fault above confined water[J].Safety in Coal Mines，2022，53（6）：169-177．

[9]慕松利，張二蒙，趙霖，等.趙固二礦工作面斷層突水防治技術(shù)[J].煤礦安全，2019，50（12）：64-68．

MU Songli，ZHANG Ermeng，ZHAO Lin，et al.Comprehensive prevention and control techniques for water inrush from faults in Zhaogu No.2 Coal Mine[J].Safety in Coal Mines，2019，50（12）：64-68．

[10]童仁劍．地面順層孔超前探查預(yù)加固斷層破碎帶應(yīng)用研究[J].煤炭技術(shù)，2020，39（8）：20-23．

TONG Renjian.Research on application of advanced exploration and pre-grouting reinforcement of fault fracture zone by surface bedding borehole[J].Coal Technology，2020，39（8）：20-23．

[11]MA Y N，YANG J S，LI L Y，et al.Analysis on ultimate water pressure and treatment measures of tunnels operating in water rich areas based on water hazard investigation[J].Alexandria Engineering Journal，2022，61（8）：6581-6589.

[12]ZHANG Y J，LI F M.Prediction of water inrush from coal seam floors based on the effective barrier thickness[J].Journal of the International Mine Water Association，2022，41（1）：168-175.

[13]董書(shū)寧，李泉新，石智軍，等.CN102134967B：一種煤層底板注漿加固水平定向鉆孔的施工方法[P].2012-01-18.

[14]董書(shū)寧，柳昭星，王皓，等.導(dǎo)水?dāng)鄬悠扑閹ё{漿液擴(kuò)散機(jī)制試驗(yàn)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2022，39（1）：174-183.

DONG Shuning，LIU Zhaoxing，WANG Hao，et al.Experimental study on serum diffusion mechanism during grouting in water conducting fault fracture zone[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2022，39（1）：174-183.

[15]董書(shū)寧，王皓，張文忠.華北型煤田奧灰頂部利用與改造判別準(zhǔn)則及底板破壞深度[J].煤炭學(xué)報(bào)，2019，44（7）：2216-2226.

DONG Shuning，WANG Hao，ZHANG Wenzhong.Judgement criteria with utilization and grouting reconstruction of top Ordovician limestone and floor damage depth in North China coal field[J].Journal of China Coal Society，2019，44（7）：2216-2226.

[16]石志遠(yuǎn).地面順層鉆進(jìn)在煤層底板高壓巖溶水害區(qū)域超前治理中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2015，46（S1）：67-70.

SHI Zhiyuan.Application of horizontal well drilling method in high-pressure karst water hazards region advanced management of coal floor[J].Safety in Coal Mines，2015，46（S1）：67-70.

[17]鄭士田，馬荷雯，姬亞?wèn)|.煤層底板水害區(qū)域超前治理技術(shù)優(yōu)化及其應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2021，49（5）：167-173.

ZHENG Shitian，MA Hewen，JI Yadong.Optimization of regional advanced coal floor water hazard prevention and control technology and its application[J].Coal Geology & Exploration，2021，49（5）：167-173.

[18]王皓.華北型煤田奧灰頂部巖層隔水性能及利用與注漿改造關(guān)鍵技術(shù)[D].北京：煤炭科學(xué)研究總院，2016.

WANG Hao.Water resisting property of ordovician limestone top in North China coal field and its utilization and grouting reconstruction[D].Beijing：China Coal Research Institute，2016.

[19]王宇航，張結(jié)如，石志遠(yuǎn)，等.地面定向鉆孔在治理煤層底板斷層帶突水中的應(yīng)用[J].能源與環(huán)保，2017，39（3）：77-81.

WANG Yuhang，ZHANG Jieru，SHI Zhiyuan，et al.Application of ground orientation boreholes in controlling water inrush of coal seam floor[J].China Energy and Environmental Protection，2017，39（3）：77-81.

[20]王道坤，崔亞利，易德禮.地面定向鉆探技術(shù)在煤層底板高承壓含水層改造中的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2019，47（S1）：32-36.

WANG Daokun，CUI Yali，YI Deli.Application of surface directional drilling technology in reforming the confined aquifer with high pressure in coal seam floor[J].Coal Geology & Exploration，2019，47（S1）：32-36.

[21]鄭士田.兩淮煤田煤層底板灰?guī)r水害區(qū)域超前探查治理技術(shù)[J].煤田地質(zhì)與勘探，2018，46（4）：142-146.

ZHENG Shitian.Advanced exploration and control technology of limestone water hazard in coal seam floor in Huainan and Huaibei coalfields[J].Coal Geology & Exploration，2018，46（4）：142-146.

[22]王威，鄭士田，李文江，等.黃河北煤田頂?shù)装咫p灰?guī)r水害分析及防治技術(shù)[J].煤礦安全，2020，51（4）：93-96.

WANG Wei，ZHENG Shitian，LI Wenjiang，et al.Analysis and prevention technology of mine water hazard in roof and floor limestone aquifer of Northern Huanghe Coalfield[J].Safety in Coal Mines，2020，51（4）：93-96.

[23]張黨育.深部開(kāi)采礦井水害區(qū)域治理關(guān)鍵技術(shù)研究及發(fā)展[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2017，45（8）：8-12.

ZHANG Dangyu.Research and development on key technology of mine water disaster regional control in deep mine[J].Coal Science and Technology，2017，45（8）：8-12.

[24]李長(zhǎng)青，方俊，李泉新，等.煤層底板超前注漿加固定向孔注漿工藝技術(shù)[J].煤田地質(zhì)與勘探，2014，42（4）：59-63.

LI Changqing，F(xiàn)ANG Jun，LI Quanxin，et al.The grouting technology of directional borehole for pre-grouting reinforcement in coal floor[J].Coal Geology & Exploration，2014，42（4）：59-63.

[25]董書(shū)寧，柳昭星，鄭士田，等.基于巖體宏細(xì)觀特征的大型帷幕注漿保水開(kāi)采技術(shù)及應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào)，2020，45（3）：1137-1149.

DONG Shuning，LIU Zhaoxing，ZHENG Shitian，et al.Technology and application of large curtain grouting water conservation mining based on macroscopic and mesoscopic characteristics of rock mass[J].Journal of China Coal Society，2020，45（3）：1137-1149.

[26]董書(shū)寧，劉其聲，王皓，等.煤層底板水害超前區(qū)域治理理論框架與關(guān)鍵技術(shù)[J].煤田地質(zhì)與勘探，2023，51（1）：185-195.

DONG Shuning，LIU Qisheng，WANG Hao，et al.Theoretical framework and key technology of advance regional control of water inrush in coal seam floor[J].Coal Geo-logy & Exploration，2023，51（1）：185-195.

[27]施龍青，徐東晶，邱梅，等.采場(chǎng)底板破壞深度計(jì)算公式的改進(jìn)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38（S2）：299-303．

SHI Longqing，XU Dongjing，QIU Mei，et al.Improvement on the formula about the depth of damaged floor in working area[J].Journal of China Coal Society，2013，38（S2）：299-303．

[28]邊凱，楊志斌．煤層底板承壓水導(dǎo)升帶影響因素正交模擬試驗(yàn)[J].煤田地質(zhì)與勘探，2016，44（1）：74-78．

BIAN Kai，YANG Zhibin.Orthogonal test of the influential factors of confined water-conducting zone in coal floor[J].Coal Geology & Exploration，2016，44（1）：74-78．

[29]馬凱，白海波，祁靜，等．司馬煤礦底板斷層活化突水機(jī)理分析[J].煤炭工程，2018，50（1）：85-88．

MA Kai，BAI Haibo，QI Jing，et al.Analysis on mechanism of fault activation and water inrush from floor fault in Sima Coal Mine[J].Coal Engineering，2018，50（1）：85-88．

[30]田雨桐，張平松，吳榮新，等.煤層采動(dòng)條件下斷層活化研究的現(xiàn)狀分析及展望[J].煤田地質(zhì)與勘探，2021，49（4）：60-70．

TIAN Yutong，ZHANG Pingsong，WU Rongxin，et al.Research status and prospect of fault activation under coalmining conditions[J].Coal Geology & Exploration，2021，49（4）：60-70．

[31]張鵬，朱學(xué)軍，孫文斌，等.采動(dòng)誘發(fā)充填斷層活化滯后突水機(jī)制研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2022，50（3）：136-143．

ZHANG Peng，ZHU Xuejun，SUN Wenbin，et al.Study on mechanism of delayed water inrush caused by mining-in-duced filling fault activation[J].Coal Science and Technology，2022，50（3）：136-143．

[32]MA K，YANG T H，DENG W X，et al.Analysis of water inrush at Dongyu coal mine in China from an old water-logged goaf associated with a syncline fractured zone[J].Official Journal of the International Association of Hydrogeologists，2023，31（2）：417-433.

（責(zé)任編輯：劉潔）