鄭士田，馬荷雯，姬亞東

煤層底板水害區(qū)域超前治理技術優(yōu)化及其應用

鄭士田1,2，馬荷雯1,2，姬亞東1,2

(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重點實驗室，陜西 西安 710077)

為了進一步提高煤層底板水害區(qū)域超前治理技術的治理效果，應優(yōu)化注漿工藝，擴大技術的應用范圍。總結淮北礦區(qū)區(qū)域底板超前治理工程實踐表明，低壓擴散和中壓加固階段壓力控制對注漿總量起主要控制作用，進而直接影響灰?guī)r含水層改造效果，推導的不同巖溶裂隙發(fā)育程度地層的注漿量預計公式，可以有效指導注漿工程設計。此外，提出了工作面區(qū)域內、外雙(鉆)孔組的水平布設方法，優(yōu)化注漿工藝的同時，提高了鉆孔利用率。針對注漿工程中注漿壓力控制及漿液選取等關鍵技術問題，建立了研究區(qū)裂隙發(fā)育程度的多源信息判識方法和“微壓充填—低壓擴散—中壓加固—高壓劈裂”的“階段型”注漿壓力控制模型，細分了不同注漿階段的注漿漿液類型，推導了注漿壓力的分級閾值和設計公式，實現(xiàn)了注漿壓力的分區(qū)段高效、精準控制，對煤礦底板水害超前區(qū)域治理技術的應用與推廣具有重要意義。

底板水害；薄層灰?guī)r；區(qū)域超前治理；定向水平鉆進；注漿工藝

我國典型的石炭–二疊紀煤田帶壓開采過程中，一直受煤層底板水害困擾，是我國煤礦安全生產的重大難題。深部煤層開采過程中，底板下方隔水層相對薄弱，距離開采煤層較近區(qū)域存在多層灰?guī)r含水層，且富水性極不均勻，煤層底板突水系數(shù)極大，時刻威脅著煤礦安全生產[1-3]。近十多年來，采用順層定向鉆進技術的區(qū)域治理理念已被證明是解決此類災害的有效途徑，并已在我國煤層底板水害治理中推廣使用[4-6]。基于華北型煤田大采深高承壓下組煤底板突水防治實例，提出了“隨探隨注、探治結合”“區(qū)域主動超前治理”“探、注、驗一體化”等技術理念，治理區(qū)域也擴展到奧陶紀灰?guī)r(簡稱奧灰)頂部[7-10]，總結出超前區(qū)域水害防治技術體系與準則[11-13]。

在煤層底板水害區(qū)域超前治理技術中，注漿壓力控制和注漿量預計是保證煤層底板薄層灰?guī)r注漿工程效果的重要指標。目前，國內外開展的煤層底板薄層灰?guī)r區(qū)域超前治理工程與技術研究[14-16]中，對于指導底板薄層灰?guī)r注漿工程的相關技術指標缺少定量化研究。為此，筆者以淮北礦區(qū)近水平定向鉆進區(qū)域注漿改造煤層底板薄層灰?guī)r含水層工程實踐為例，提出注漿壓力的全時段“分階控制”模式，推導注漿最大終壓設計公式和注漿量預計公式，并在原有技術的基礎上，對鉆孔布設方法進行改進，優(yōu)化傳統(tǒng)經驗公式，將對煤層底板水害區(qū)域超前治理技術更大范圍的推廣和應用具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域地質概況

朱莊煤礦位于安徽省淮北市以東約9 km，礦區(qū)地處淮北平原中部，地勢平坦，地表為50.45～96.30 m厚第四系沖積層覆蓋，形成一個北部偏高、南中部偏低的山間盆地平原。區(qū)域內地層以寬緩褶曲構造為主，斷裂構造不甚發(fā)育。朱莊煤礦采用豎井和風井的開拓方式，現(xiàn)有–150 m和–250 m兩個生產水平，以長壁走向式主采4、5、6煤層。其中Ⅲ63采區(qū)主采6煤，屬二疊系下統(tǒng)山西組，煤厚2.3～3.0 m，均厚2.8 m，煤層傾角6°～15°，平均10°。

6煤底板為山西組砂巖裂隙含水層，埋深303.71～807.61 m，平均504.40 m，厚度2.29～50.22 m，平均22.60 m，巖性以淺灰–深灰色夾少量灰綠色中、細砂巖、巖漿巖為主，夾灰色粉砂巖及泥巖。該含水層地下水處于封閉–半封閉環(huán)境，以靜儲量為主，巖層內部裂隙發(fā)育程度不均，富水性受裂隙發(fā)育程度控制，=0.007 3～0.023 5 L/(s·m)，=0.038 0～0.045 4 m/d。

1.2 Ⅲ 632工作面概況

淮北礦區(qū)朱莊煤礦Ⅲ632工作面為Ⅲ63采區(qū)左翼首采工作面，工作面走向長840 m，傾斜寬172 m。工作面主采6煤，主要充水水源為煤層底板下伏太原組灰?guī)r含水巖組(第一層灰?guī)r至第四層灰?guī)r，分別簡稱一灰、四灰含水層等)，距工作面底板55～100 m，富水性較差，水壓約4 MPa，屬高承壓含水層，平均突水系數(shù)大于0.9 MPa/m，遠高于安全開采突水系數(shù)0.06 MPa/m。其中，一灰和二灰(第二層灰?guī)r)含水層較薄為1.5～3.5 m，距6煤55～65 m，與下伏灰?guī)r含水層的水力聯(lián)系較弱，易于疏干，如圖1所示。三灰(第三層灰?guī)r)和四灰含水層屬強富水含水層，涌水量最大超過400 m3/h，疏干成本巨大[17]。此外，底板三灰、四灰含水層與其下部奧灰含水層存在直接水力聯(lián)系，接受奧灰含水層大量補給。

圖1 Ⅲ632工作面煤層底板地層結構

2 底板水害區(qū)域超前治理關鍵技術

2.1 技術原理

煤層底板水害區(qū)域超前治理技術是以采區(qū)或相對獨立的水文地質單元為對象[18]，采用地面定向鉆孔對開采煤層底板下伏含水層進行區(qū)域超前探查，并通過鉆孔將漿液灌注到目標地層層位，使工作面底板下伏地層中形成一層有效隔水層，以滿足帶壓開采煤層底板水害區(qū)域綜合治理的目的。由于開采煤層底板直接受其下伏含水層威脅，在采掘之前，采用水平定向鉆進下伏含水層的方式，最大限度溝通導水裂隙，在順層段注漿以形成區(qū)域隔水層(帶)，如圖2所示。

圖2 煤層底板薄層灰?guī)r注漿工程設計

2.2 治理方案設計

為實現(xiàn)對朱莊煤礦左翼Ⅲ632首采工作面底板薄層灰?guī)r含水層大范圍改造，形成底板“再造”隔水層(帶)，徹底隔斷與下伏奧灰含水層的水力聯(lián)系，采用地面定向順層精準鉆進技術[6]，對太原組上段三灰(L3)目標含水層進行注漿改造。為最大限度獲得裂隙充填率，并對工作面底板水害治理區(qū)域全面覆蓋，Ⅲ632工作面內、外共設計2個地面鉆孔，采用分級多支水平鉆孔沿地層傾向順層進尺，分別對工作面不同區(qū)域的下伏地層進行注漿，實現(xiàn)“再造”隔水層對工作面的全覆蓋，如圖3所示。其中，D1組鉆孔共設計1個主注漿鉆孔(D1)和3個水平分支鉆孔(D1-1、D1-2、D1-3)，共同對Ⅲ632工作面內部區(qū)域下伏含水層進行注漿；D2組鉆孔共設計1個主注漿鉆孔(D2)和5個水平分支鉆孔(D2-1—D2-5)，共同對Ⅲ632工作面外部區(qū)域下伏含水層進行注漿，Ⅲ632工作面下伏“再造”隔水層選用水泥和粉煤灰的混合漿液進行灌注。

根據以往淮北礦區(qū)煤層底板注漿現(xiàn)場試驗數(shù)據，注漿總壓力一般為受注含水層最大靜水壓力的2～3倍。為此，得出注漿最大允許壓力設計公式：

o=p–×f–p，且o>w(1)

式中：o為總注漿壓力，MPa；p為注漿泵壓力，MPa；為受注地層埋深，m；f為地層隨深度變化壓力梯度；p為漿液在注漿管中流動阻力；w為受注地層靜水壓力，MPa；為靜水壓力系數(shù)，∈(2,3)。特別地，當注漿目的層中存在斷層、陷落柱等構造時，值宜取小值。

圖3 朱莊煤礦Ⅲ632工作面鉆孔位置

3 區(qū)域治理效果分析

3.1 注漿壓力動態(tài)控制

注漿壓力是影響漿液擴散、充填率的主要影響參數(shù)，不同注漿壓力對應不同的注漿階段，直接反映出注漿(目的)地層中裂隙發(fā)育情況和裂隙充填率。隨著采深的增大，水壓升高，高注漿壓力可能導致煤層底板隔水層破壞或破壞程度增加。朱莊煤礦左翼Ⅲ632首采工作面底板薄層灰?guī)r注漿鉆孔終孔孔壓設計10～12 MPa，在注漿孔口對D1孔組注漿壓力進行實時監(jiān)測。在整體注漿過程中，注漿孔口“起壓”后，注漿鉆孔壓力呈現(xiàn)“階梯式”遞增趨勢，先后經歷“微壓充填—低壓擴散—中壓加固—高壓劈裂”4個階段，如圖4所示。

1) 微壓充填階段

注漿孔口壓力為0，注漿目的層發(fā)育較大原始裂隙，地層可注性極強，漿液主要對含水層的天然裂隙進行充填加固。

2) 低壓擴散階段

注漿孔口壓力閾值為0～4 MPa，注漿目的層原始裂隙發(fā)育良好或裂隙已經部分充填，地層可注性較好。隨著壓力的不斷提升，原始地層裂隙再次擴展，漿液的擴散距離逐漸增大，對灰?guī)r含水層進行注漿加固或改造。

3) 中壓加固階段

注漿孔口壓力閾值為4～8 MPa，注漿目的層原始發(fā)育裂隙基本充填，地層可注性一般，并且隨著注漿孔口壓力的持續(xù)上升，灰?guī)r含水層進一步被加固，改造形成隔水層(帶)。

圖4 階段型注漿壓力下注漿量控制曲線

4) 高壓劈裂階段

注漿孔口壓力大于8 MPa，注漿目的層裂隙完全充填，灰?guī)r含水層內注漿孔口發(fā)生劈裂，并形成新的充填裂縫。隨著壓力上升，充填變得密實，原始裂隙和劈裂作用形成的新裂隙已經達到較充分的充填。

在煤層底板水害區(qū)域超前治理技術實施過程中，注漿壓力是控制漿液擴散距離和地層裂隙充填率的主要影響因素。一般地，在一定范圍內，高的注漿壓力，漿液擴散距離也相應增大，進而有助于提高裂隙充填率；但當注漿壓力超過一定范圍時，巨大的注漿壓力可能導致地層中產生新的裂隙，甚至與原生裂隙導通，形成新的導水通道，增加底板水害發(fā)生的風險。如圖4所示，在微壓充填和低壓擴散階段，注漿量占孔組總注漿量的76.62%，注漿壓力與注漿量和裂隙充填率呈正相關關系；高壓劈裂階段，注漿量僅占孔組總注漿量的0.59%，高壓劈裂作用下的新生裂隙未與原生裂隙導通，沒有新的導水通道產生，注漿效果良好。

3.2 鉆遇構造判識

在順層段水平定向鉆進過程中(圖2)，鉆時沖洗液錄井和壓水試驗[16,19-20]結果可以對鉆遇構造的導水性能進行判識，進而為超前區(qū)域治理工程注漿層位(順層段)構造發(fā)育情況進行探查。由于鉆井過程中使用不同類型沖洗液，根據我國現(xiàn)階段淮北地區(qū)區(qū)域超前治理工程現(xiàn)場情況統(tǒng)計，選取沖洗液漏失量30 m3/h和壓水試驗呂榮值10 Lu作為構造導水性判識標準，對注漿治理區(qū)域(順層段)構造發(fā)育情況進行初判。

當定向鉆進過程中漏失量大于30 m3/h且呂榮值大于10 Lu時，說明地層中發(fā)育大型巖溶裂隙或斷層，即存在導水通道，地層可注性較強；當漏失量小于等于 30 m3/h且呂榮值小于等于10 Lu時，說明地層中可能存在小型巖溶裂隙、斷層或無明顯構造，即地層可注性較差或注漿量有限；當漏失量大于30 m3/h且呂榮值小于等于10 Lu或漏失量小于等于30 m3/h且呂榮值大于10 Lu，說明地層發(fā)育小型巖溶裂隙或斷層，即存在具有一定導水性的導水通道，具有一定可注性，注漿前期注漿量一般較小，后期單位注漿量可能增加。

朱莊煤礦Ⅲ632工作面D1孔組和D2孔組定向鉆進過程中，D1-1孔鉆井液漏失量為60 m3/h，其余分支孔鉆井液漏失量均小于等于30 m3/h；D2主孔井液漏失量為60 m3/h，其余分支孔鉆井液漏失量均小于等于15 m3/h，D1和D2孔組壓水試驗呂榮值均小于等于10 Lu，由此初步得出，地層中存在小型巖溶裂隙或斷層，無明顯較大導水構造。

3.3 注漿工程參數(shù)分析

根據注漿鉆孔“階梯式”壓力控制模型，分別對不同注漿階段下的注漿材料進行調整，選用不同比重類型漿液進行現(xiàn)場試驗，見表1。利用粉煤灰的活性和凝膠作用，選用1.03～1.27摻注比的粉煤灰–水泥混合漿液，可以提高漿液的后期強度[21-22]。

在微壓充填和低壓擴散階段，灰?guī)r含水層可注性強，選用粉煤灰–水泥混合稀漿，保證漿液在地層裂隙中較好的流動性。隨著地層裂隙大部分被充填，地層可注性一般，中壓加固階段選用粉煤灰–水泥混合稠漿。高壓劈裂階段，地層裂隙基本被完全充填，選用1.6比重的水泥稠漿，進一步對高壓新產生的裂隙進行充填，并對前期注漿區(qū)域進行加固。

表1 不同注漿階段漿液類型

根據定向鉆進過程中揭露原始地層巖溶裂隙發(fā)育情況的初步判識結果，進一步結合Ⅲ632工作面鉆孔單位注漿干灰量，選取單位注漿干灰量15 t/m為指標，將Ⅲ632工作面底板三灰順層段劃分為高巖溶裂隙發(fā)育區(qū)域和低巖溶裂隙發(fā)育區(qū)域。其中，高巖溶裂隙發(fā)育區(qū)域單位注漿量大于15 t/m，低巖溶裂隙發(fā)育區(qū)域單位注漿量小于等于15 t/m。不同注漿鉆孔順層段長度對應的單位注漿量擬合曲線如圖5所示，不同裂隙發(fā)育程度下，單位注漿量與注漿干灰總量的線性相關系數(shù)為0.963 4(高巖溶裂隙發(fā)育)和0.980 6（低巖溶裂隙發(fā)育）。其中，單位注漿量為注漿量與順層段(三開)鉆進距離比值。

在無明顯構造異常區(qū)情況下，根據地層原生裂隙發(fā)育不同程度，單位注漿量與注漿干灰總量呈線性關系。地層裂隙發(fā)育程度越高，單位注漿量越大，相應地注漿干灰總量越大。低巖溶裂隙發(fā)育下，單位注漿量與鉆孔注漿干灰總量關系為：

=464.39–66.231 (2)

高巖溶裂隙發(fā)育下，單位注漿量與鉆孔注漿干灰總量關系為：

=554.74–4 244.1 (3)

式中：為單位注漿量；為鉆孔注漿干灰總量。

如圖5所示，D1和D2孔組最小和最大單位注漿量分別為1.42 t/m和53.68 t/m，漿液對不同程度裂隙發(fā)育的地層進行了有效填充，灰?guī)r含水層得到有效改造。在無明顯構造異常區(qū)情況下，根據式(2)和式(3)可以對淮北礦區(qū)不同原生裂隙發(fā)育程度的煤層底板灰?guī)r含水層注漿量進行預計。

圖5 裂隙發(fā)育不同程度下注漿量變化關系曲線

3.4 單元鉆孔注漿工程分析

根據D1和D2孔組不同分支孔注漿(量)情況，相同鉆孔組內有且僅有1個鉆孔注漿量最大，占到該孔組總注漿量的50%左右。注漿進行到中壓加固和高壓劈裂階段時，灰?guī)r含水層中原生裂隙基本填充完畢。根據高壓劈裂階段鉆進過程中返回的巖屑類型，原生灰?guī)r地層裂隙中漿液的擴散半徑為60～120 m。根據弱透水巖體內注漿擴散距離為50～55 m、中等透水巖體內為90～150 m、強透水巖體內為350 m判斷[17]，朱莊煤礦左翼6煤下伏灰?guī)r含水層為弱–中等透水巖體。

注漿鉆孔的平均跟層率(即鉆進在目的層薄層灰?guī)r的距離/總的順層段鉆進距離)和鉆孔單位注漿量直接反映漿液在目的層注漿量的有效作用和地層原生裂隙的發(fā)育程度，即地層可注性。Ⅲ632工作面實測平均單位注漿量為16.42 t/m，D1和D2孔組平均跟層率分別為95.93%和96.72%，三灰跟層率平均為96.48%，Ⅲ632工作面鉆孔整體質量較高。

4 技術關鍵及推廣

朱莊煤礦左翼Ⅲ632首采工作面按照工作面區(qū)域內外雙孔組鉆孔的布設方法，采用地面順層定向鉆進技術對煤層底板薄層灰?guī)r進行高壓注漿，在工作面底板下伏灰?guī)r含水層中形成了“再造”隔水層，防止煤層底板突水的同時，阻隔礦井水對地下奧灰水的污染。

Ⅲ632工作面實測涌水量小于10 m3/h，預計回采時煤層底板灰?guī)r涌水量將減少90%，實現(xiàn)了工作面底板薄層灰?guī)r含水層大范圍改造和導水通道的封堵，實現(xiàn)了超前區(qū)域治理和水源–通道一體化治理，為今后淮北礦區(qū)深部高承壓強富水煤層開采提供有益參考。

5 結論

a.提出的工作面區(qū)域內、外雙(鉆)孔組的水平定向鉆孔布設方法，實現(xiàn)對工作面底板薄層灰?guī)r全覆蓋式改造(治理)，提高鉆孔利用率，可以對工作面下伏灰?guī)r含水層進行全面改造，形成區(qū)域性再造隔水層，降低了施工難度和鉆孔工程量，并優(yōu)化施工工藝。

b.建立了注漿工程“微壓充填—低壓擴散—中壓加固—高壓劈裂”的“階段型”注漿壓力控制模型和注漿壓力的分階段閾值，提出了不同注漿階段的注漿漿液類型和漿液比重。結果表明，微壓充填和低壓擴散階段對注漿總量起主要控制作用，高壓劈裂作用產生的新生裂隙有限，注漿主要對灰?guī)r含水層進行加固。

c.提出了不同淮北礦區(qū)煤層底板區(qū)域注漿最大允許壓力設計公式，綜合分析注漿目的地層構造發(fā)育的不同特征，推導的不同巖溶裂隙發(fā)育程度地層的薄層灰?guī)r注漿量預計公式，可為煤層底板注漿現(xiàn)場試驗設計提供有益指導。

d. 提出以漏失量30 m3/h和壓水試驗呂榮值10 Lu作為構造導水性判識準則閾值，分類總結了不同指標值對應的目的段巖層導水性和可注性特征，綜合實際沖洗液漏失量和壓水試驗指標，對注漿治理區(qū)域(順層段)構造發(fā)育情況進行初判，可為區(qū)域底板注漿工程注漿量進行預計和指導。

e.在無明顯導水構造發(fā)育情況下，提出了巖溶裂隙發(fā)育程度的多源信息判識方法。綜合沖洗液錄井、壓水試驗和單位注漿干灰量的判識準則及其相應指標，可以對地層原生裂隙發(fā)育情況進行系統(tǒng)性綜合判識，有效控制和指導順層段注漿工程。

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Optimization of regional advanced coal floor water hazard prevention and control technology and its application

ZHENG Shitian1,2, MA Hewen1,2, JI Yadong1,2

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 2. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China)

In order to optimize the grouting process, improve the effect of the technology, and promote its application, this paper presents an investigation on the application of the regional advanced coal floor water hazard prevention and control technology in Huaibei mining area. The investigation shows that the pressure control in low pressure diffusion and medium pressure strengthening stages plays a major role in controlling the total grouting volume, which directly affects the limestone aquifer reformation. The prediction formula for grouting volume for strata with different karst fractures can provide guidance to the grouting engineering design. In addition, the horizontal layout method of double drill hole group inside and outside the working face is put forward to optimize the grouting technology and improve the utilization rate of drilling holes. To address the key technical issues of grouting pressure control and grout selection, the multi-source information identification method of fracture development and the stage-grouting pressure control model are established, in which the slurry types for different grouting stages are divided, and the classification threshold and design formula of grouting pressure are proposed, making the grouting pressure control efficiently and accurately. It is of great significance for the application and promotion of the regional advanced coal floor water hazard prevention and control technology.

the floor water hazard; thin limestone; regional advanced prevention and control; horizontal directional drilling; grouting process

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TD745；TD265.4

A

1001-1986(2021)05-0167-07

2021-02-06；

2021-07-06

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC0804100)

鄭士田，1963年生，男，河南周口人，研究員，研究方向為礦井水害防治. E-mail：zhengshitian@cctegxian.com

馬荷雯，1990年生，女，陜西綏德人，博士，助理研究員，研究方向為水文地質工程地質. E-mail：mahewen@cumt.edu.cn

鄭士田，馬荷雯，姬亞東. 煤層底板水害區(qū)域超前治理技術優(yōu)化及其應用[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(5)：167–173. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.05.018

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. doi: 10.3969/j.issn.1001- 1986.2021.05.018

(責任編輯 周建軍)