戴 磊，段李宏

(河南能源化工集團(tuán) 永城煤電控股集團(tuán)有限公司，河南 永城 476600)

陳四樓煤礦主采山西組二2煤，隨著礦井開采深度的增加，二2煤層底板隔水層承受的水壓達(dá)到了5.6～7.0MPa，隔水層厚度平均50m，突水系數(shù)[1]達(dá)到了0.112～0.14MPa/m，若不采取有效的防治水措施，太原組上段灰?guī)r水對礦井采掘活動造成嚴(yán)重威脅[2-4]。目前礦井主要采用井下施工底板注漿改造鉆孔將太原組上段承壓含水層進(jìn)行注漿改造為隔水層的方法進(jìn)行水害防治[5，6]，利用ZDY3200S型鉆機(jī)施工短孔進(jìn)行注漿加固煤層底板封堵巖層裂隙。根據(jù)高承壓水工作面的施工情況，高承壓水采區(qū)呈現(xiàn)鉆孔出水量大、出水次數(shù)多且水壓較高的特點(diǎn)，導(dǎo)致注漿量較小，注漿系統(tǒng)距離遠(yuǎn)使?jié){液濃度低，注漿設(shè)備壓力不能滿足壓力要求，注漿效果差，達(dá)不到對灰?guī)r改造成隔水層或弱含水層的效果。另外，井下底板注漿改造有效孔段占比低、造成無效進(jìn)尺多，施工勞動強(qiáng)度大、施工周期長，而且封孔點(diǎn)多，對底板的完整性破壞較大，工程費(fèi)用高，嚴(yán)重影響礦井采掘接替和安全效果。為了提高底板注漿改造的施工進(jìn)度，降低成本，有效降低無效進(jìn)尺，實(shí)現(xiàn)區(qū)域煤層底板超前治理[7-10]，達(dá)到減人增效、保證安全的目的，礦井實(shí)施地面定向鉆孔超前區(qū)域治理技術(shù)。

1 工作面概況

陳四樓煤礦2506工作面(里段)位于陳四樓煤礦南五采區(qū)，該工作面對應(yīng)地面標(biāo)高為+34.70m，整體為一單斜構(gòu)造，地層傾角15°～26°，平均18°，走向南東-南南東，傾向南西-南西西，開采煤層為二2煤層，平均厚度2.56m，面積50387m2，儲量19.7萬t，由于工作面內(nèi)發(fā)育F506Z3逆斷層(65°、∠18°～48°、H=18m)，里段可采儲量12.31萬t。

2506工作面(里段)斷層較為發(fā)育，根據(jù)三維地震及工作面巷道揭露資料，共發(fā)育10條斷層，其中4條逆斷層、6條正斷層，其中落差大于3m(含3m)的斷層有2條，落差大于1m(含1m)、小于3m的斷層有6條，落差小于1m的斷層有2條。工作面斷層產(chǎn)狀及對回采的影響程度見表1。

表1 工作面斷層產(chǎn)狀及對回采的影響程度

根據(jù)五采區(qū)已回采工作面實(shí)際揭露水文地質(zhì)情況分析，2506工作面(里段)直接充水水源為煤層頂?shù)装迳皫r裂隙水，以靜儲量為主，在巷道掘進(jìn)期間已對其進(jìn)行了疏放，但在局部裂隙發(fā)育地段仍會以頂板淋水和底板裂隙滲水的形式進(jìn)入回采工作面，目前工作面巷道內(nèi)砂巖裂隙水合計涌水量約5m3/h，影響較小。工作面間接充水水源為太原組上段灰?guī)r水，太原組上段灰?guī)r巖溶裂隙承壓水是二2煤層間接充水含水層，為礦井主要水害影響。根據(jù)地面區(qū)域治理鉆孔實(shí)際揭露巖性及井下鉆探實(shí)際揭露巖性資料分析，2506工作面二2煤下距太原組L11灰?guī)r含水層53.7m、距L10灰?guī)r含水層65.63m、距L9灰?guī)r含水層76.83m、距L8灰?guī)r含水層83.93m；L11灰?guī)r平均厚1.15m，L10灰?guī)r平均厚5.0m，L9灰?guī)r平均厚2.9m，L8灰?guī)r平均厚12m。工作面(里段)井下實(shí)測孔口水壓范圍1.0～3.6MPa，實(shí)測單孔最大出水量150m3/h，太原組上段灰?guī)r巖溶、裂隙發(fā)育，整體屬于富水性中等的含水層，但在斷層發(fā)育區(qū)域太原組上段灰?guī)r富水性強(qiáng)，底板裂隙發(fā)育。

2 地面區(qū)域治理工程

2.1 治理思路

針對陳四樓煤礦礦井南翼五采區(qū)水文地質(zhì)條件相對復(fù)雜，且區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造發(fā)育，太原組上段灰?guī)r補(bǔ)給、徑流強(qiáng)烈，2506工作面(里段)臨近區(qū)域底板注漿改造工程實(shí)施期間鉆孔出水量大、水壓高，鉆探工程量、注漿量大，治理工期長，礦井采用地面區(qū)域治理技術(shù)對底板灰?guī)r含水層進(jìn)行治理，施工地面鉆孔沿目標(biāo)治理灰?guī)r層順層鉆進(jìn)，區(qū)域性超前探查灰?guī)r巖溶裂隙、導(dǎo)水通道及儲水空間，并進(jìn)行高壓注漿封堵，通過分段“探注結(jié)合”施工，將含水層改造為等效隔水層，滿足底板突水系數(shù)要求，在治理區(qū)域范圍內(nèi)形成一個整體的“水平阻水墻”，阻隔目標(biāo)治理層及下部含水層的灰?guī)r水，解放受高壓強(qiáng)含水層威脅的煤炭資源。

2.2 工程目標(biāo)

工作面治理區(qū)域內(nèi)鉆孔順層段的灰?guī)r順層率達(dá)到90%以上，地面注漿孔口終壓不小于10～12MPa，單位進(jìn)漿量小于35L/min且穩(wěn)定30min以上。工程完成后，治理區(qū)井下目標(biāo)治理灰?guī)r層探查鉆孔單孔穩(wěn)定涌水量不大于10m3/h，工作面回采期間底板最大出水量不大于30m3/h。

2.3 治理層位的確定

2506工作面(里段)水文地質(zhì)條件相對復(fù)雜，煤層底板主要充水含水層為太原組上段灰?guī)r(L11—L8)，其中，L8灰含水層厚度平均12m，是該工作面最厚且穩(wěn)定的灰?guī)r含水層，上距二2煤層底板約80m。結(jié)合工作面周邊已回采工作面實(shí)施井下底板注漿改造經(jīng)驗(yàn)，選取L8灰含水層為治理目標(biāo)層位，增加底板隔水層厚度從而減小突水系數(shù)，如圖1所示。

圖1 2506工作面(里段)目標(biāo)治理層位

2.4 工程設(shè)計

2.4.1 工程布置方案

根據(jù)設(shè)計原則及工作面井上下對照圖，設(shè)計在地面布置1個孔組，采取一個主孔與多個一級分支孔進(jìn)行布置，呈扇狀發(fā)散，孔間距控制在50m左右，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)治理區(qū)及外擴(kuò)30m范圍覆蓋，如圖2所示。

圖2 2506工作面(里段)鉆孔軌跡平面布置

工程重點(diǎn)查明二2煤層底板L8灰?guī)r含水層的富水狀況及工作面內(nèi)5m以上構(gòu)造發(fā)育情況，在地面施工長距離定向鉆孔對L8灰?guī)r含水層進(jìn)行超前探查及注漿改造[11-18]，通過鉆孔注漿來充填底板灰?guī)r含水層的巖溶裂隙和導(dǎo)水裂隙，從而減弱含水層的富水性并切斷水源補(bǔ)給通道，使受注含水層變?yōu)橛行Ц羲畬樱档退ν{程度。

2.4.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)綜合治理思路、地層條件、設(shè)備能力等綜合因素確定鉆孔結(jié)構(gòu)。鉆孔一開孔徑?311mm，下入?244.5mm×8.94mm表層套管至基巖，水泥固井，隔離第四系表土地層。二開定向?qū)?，孔?216mm，下入?200.3mm×10.92mm套管至L8灰?guī)r，水泥固井。三開裸孔，孔徑?152mm，沿目標(biāo)治理灰?guī)r層順層鉆進(jìn)。直孔段和斜孔段兩級套管均要求用水泥進(jìn)行永久性止水，滿足鉆探注漿施工要求，確保施工安全。鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鉆孔結(jié)構(gòu)

2.4.3 注漿工程

鉆孔水平段在L8灰?guī)r含水層中遇到漏失量大的裂隙或溶洞時，采用250～750L/min的大排量注漿泵注入比重1.2～1.6左右的水泥漿，對裂隙或溶洞快速充填，從而減弱含水層的富水性并切斷水源補(bǔ)給通道，使受注含水層變?yōu)橛行Ц羲畬?，降低水害威脅程度。

3 地面區(qū)域治理鉆孔施工情況

3.1 鉆孔現(xiàn)場施工情況

2506工作面(里段)底板水害地面區(qū)域治理工程自2019年12月至2021年2月，施工1個主孔，13個分支孔。其中，一開進(jìn)尺360m，孔徑?311mm，下入?244.5mm×8.94mm表層套管至基巖，水泥固井，隔離第四系表土地層；二開進(jìn)尺428.36m，孔徑?222mm，下入?200.3mm×10.92mm套管至L8灰?guī)r；在里段附近總計注漿11次，其中進(jìn)行注漿的鉆孔包括1個主孔，5個分支孔，累計完成鉆探進(jìn)尺6349.06m，累計注水泥18945t。其中，三開段長度5716.06m，L8灰段長5331.7m。三開段鉆孔軌跡的垂深控制在L8灰頂?shù)装宸秶畠?nèi)，鉆孔沿L8灰?guī)r層位中上部位置鉆進(jìn)，工作面內(nèi)進(jìn)行注漿的1個主孔、13個分支孔L8灰?guī)r含水層順層率平均達(dá)到94.7%，符合設(shè)計要求，能夠最大程度地揭露L8灰含水層孔隙、裂隙及導(dǎo)水通道，對治理區(qū)域范圍內(nèi)的巖溶裂隙、導(dǎo)水通道及儲水空間進(jìn)行高壓注漿，將強(qiáng)含水層改造為等效隔水層。2506工作面里段分支孔層位控制見表2，2506工作面(里段)鉆孔實(shí)鉆平面軌跡如圖4所示。

表2 2506工作面里段分支孔層位控制

圖4 2506工作面(里段)鉆孔實(shí)鉆平面軌跡

3.2 鉆孔注漿情況

2506工作面(里段)治理區(qū)域鉆孔鉆進(jìn)至斷層帶附近多次發(fā)生漏失情況，漏失量大于60m3/h累計6次，漏失量10～40m3/h累計2次，無漏失累計3次。2506工作面(里段)累計注漿11次，如圖5所示，單次最大注漿量達(dá)到7587t，單次注漿量大于1000t的次數(shù)累計8次，占總注漿次數(shù)的66.7%，累計注漿量為18945t，斷層帶附近累計注漿量大，對斷層帶進(jìn)行了充分充填加固，保證整個注漿治理過程中注漿壓力正常傳遞，對目的含水層進(jìn)行劈裂注漿，保證注漿治理效果。2506工作面(里段)注漿情況見表3。

圖5 2506工作面(里段)注漿情況

表3 2506工作面(里段)注漿情況

3.3 工作面物探驗(yàn)證情況

為了驗(yàn)證2506工作面(里段)地面區(qū)域治理工程治理情況，工程施工前、后進(jìn)行了9次瞬變電磁勘探，實(shí)現(xiàn)了物探初探、復(fù)探全覆蓋，指導(dǎo)鉆孔設(shè)計及效果驗(yàn)證[19，20]。其中，初探結(jié)果顯示2506工作面(里段)內(nèi)分布瞬變電磁異常區(qū)25個，其中低阻區(qū)24個，高阻區(qū)1個；復(fù)探結(jié)果顯示2506工作面(里段)內(nèi)僅分布瞬變電磁富水異常區(qū)2個。

根據(jù)2506工作面(里段)瞬變電磁初探、復(fù)探視阻率剖面對比分析，2506工作面(里段)地面區(qū)域治理注漿加固效果明顯，根據(jù)復(fù)探視電阻率值結(jié)果分析，復(fù)探范圍內(nèi)煤層底板視電阻率值較高，底板巖層層位較為穩(wěn)定，原有異常區(qū)剖面深度大幅增加、寬度大幅度減小，較好地明了底板太原組上段灰?guī)r經(jīng)過注漿加固后，巖溶裂隙被有效充填，達(dá)到了底板注漿加固的目的。

4 結(jié) 論

1)地面區(qū)域治理工程施工期間鉆孔出現(xiàn)漏失量大于60m3/h累計6次，漏失量10～40m3/h累計2次，無漏失累計3次，探明了工作面底板L8灰?guī)r含水層富水性強(qiáng)，且裂隙比較發(fā)育。

2)該工程共完成1個主孔、13個分支孔，累計鉆探進(jìn)尺6349.06m，目標(biāo)層灰?guī)r平均順層率94.7%，注水泥18945t，注漿孔口終壓10～12MPa，斷層帶附近累計注漿量大，對斷層帶進(jìn)行了充分充填加固，單孔結(jié)束單位吸水率小于0.01L/(min·m·m)，注漿加固效果顯著。

3)治理完成后，利用井下“物探+鉆探”相結(jié)合的手段進(jìn)行了注漿改造效果驗(yàn)證，最終驗(yàn)證結(jié)果表明2506工作面(里段)富水異常區(qū)均已消除、檢驗(yàn)鉆孔出水量均小于10m3/h，表明該項(xiàng)技術(shù)在充填底板灰?guī)r含水層的巖溶裂隙和導(dǎo)水裂隙方面具有明顯優(yōu)勢，通過充填治理層位的巖溶裂隙減弱含水層的富水性并切斷水源補(bǔ)給通道，使受注含水層變?yōu)橛行Ц羲畬?，降低水害威脅程度。

4)2506工作面(里段)已安全回采結(jié)束。通過2506工作面(里段)底板水害地面區(qū)域治理工程的施工，一是大大縮短了工作面水害治理工期，緩解了礦井采掘接替緊張局面；二是解決了礦井大水量、高承壓水治理技術(shù)難題，提升了水害治理安全效果；三是在水害治理成本上大幅下降，同時減少了井下鉆探注漿其它成本投入，如排水、井巷工程、人員等投入。未來可在永夏礦區(qū)周邊具有相似地質(zhì)條件的礦井推廣應(yīng)用，社會效益顯著。