高銀貴,孔皖軍,安士凱,薛賢明,鄭劉根,常成林,姜春露,國 偉,雷 鋒,王 剛,楊成超
(1.鄂爾多斯市華興能源有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000;2.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,安徽 淮南 232001;3.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)
底板奧灰?guī)r溶水害是威脅我國華北型煤田煤炭資源安全開采的主要災(zāi)害之一[1-3]。圍繞煤層開采底板防治水,國內(nèi)專家學(xué)者進(jìn)行了大量科學(xué)研究與工程實踐,取得了豐富的學(xué)術(shù)成果。20世紀(jì)70年代,峰峰、邯鄲等地提出了“適當(dāng)疏降,輔以(注漿)堵(水)截流”的底板突水治理思路[4]。之后,邯邢礦區(qū)首先引入地面徑向射流技術(shù)與壓裂注漿工藝對底板含水層進(jìn)行改造,實現(xiàn)未采掘區(qū)域底板水害的超前治理[5]。趙慶彪[6-7]針對華北型煤田深部煤層開采首次提出了“區(qū)域超前治理”奧灰?guī)r溶水害理念和“超前主動、區(qū)域治理、全面改造、帶壓開采”的防治水指導(dǎo)原則。峰峰礦區(qū)結(jié)合深部煤層開采的水文地質(zhì)條件及奧灰突水機理,提出了多項深部煤層開采防治水方法,基本消除了奧灰水害威脅[8-9]。蔣向明[10]提出注漿治理目的層應(yīng)綜合分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件、突(涌)水方式,選擇離煤層最近、厚度適中、可注性較好的含水層進(jìn)行注漿改造,按“探、注、驗一體化”的思路進(jìn)行治理。董書寧[5]針對華北型煤田水害治理,分析總結(jié)了華北型煤田煤層賦存和水文地質(zhì)條件,將鉆孔施工條件、層位選取、鉆進(jìn)工藝3個主要因素優(yōu)化組合,將超前區(qū)域治理模式系統(tǒng)化。
準(zhǔn)格爾煤田位于鄂爾多斯盆地東北緣,主要開采石炭二疊系煤層,屬于華北型煤田。唐家會煤礦是目前準(zhǔn)格爾煤田中采深最大、水壓最高的礦井,礦井地下水系統(tǒng)屬于鄂爾多斯盆地地下水系統(tǒng)中的寒武系-奧陶系碳酸鹽巖巖溶含水層系統(tǒng),主采6煤底板受奧灰?guī)r溶水害威脅嚴(yán)重,水文地質(zhì)條件復(fù)雜。目前對于該區(qū)域礦井奧灰水害防治技術(shù)方法尚不成熟,為此,開展奧灰水害區(qū)域治理試驗工程,為后續(xù)治理提供最優(yōu)方案及工藝參數(shù),給礦井奧灰水防治及斷層治理提供依據(jù)。
唐家會礦井位于準(zhǔn)格爾煤田窯溝背斜的西翼,礦區(qū)構(gòu)造形態(tài)與煤田構(gòu)造特征基本一致,地層為走向NE,傾向NW,傾角<10°,一般在0°~5°左右的單斜構(gòu)造[11]。井田的中東部和中西部發(fā)育有2條斷裂構(gòu)造帶DF1和DF2,裂隙極發(fā)育,走向NE,從井田東北部一直延伸至井田西北部,貫穿整個勘探區(qū),斷層落差一般在20 m左右,最大落差50 m。井田掘進(jìn)及生產(chǎn)過程中也實際揭露了眾多斷層,大部分落差小于5 m,對生產(chǎn)造成主要威脅的是DF2、DF11及其次生斷層。
研究區(qū)含水層自上而下為第四系松散層含水層、白堊系下統(tǒng)志丹群承壓水含水層、石炭系~二疊系碎屑巖類承壓水含水層和奧陶系石灰?guī)r巖溶承壓水含水層。其中奧灰含水層水位標(biāo)高+866.11~+869.12 m,單位涌水量0.007 825~5.26 L/(s·m),水化學(xué)類型Cl·HCO3—Na、Cl—Na型,富水性弱~強,局部地區(qū)富水性極強[12]。由于井田缺失石炭系太原組和奧陶系峰峰組灰?guī)r層沉積,導(dǎo)致主采6煤與底板奧灰含水層之間局部地段隔水層厚度較薄。奧灰水突水系數(shù)為0.020~0.043 MPa/m,正常地段回采6煤時底板突水危險性較小,但由于陷落柱、斷層造成隔水層厚度變薄,增大了突水系數(shù),且奧灰水與上部砂巖含水層在構(gòu)造部位有一定的水力聯(lián)系,采動裂隙也增大了斷層的破壞程度,在構(gòu)造發(fā)育地段奧灰水對煤層開采存在突水威脅。
以奧灰水防控為目標(biāo),選擇61207工作面開展奧灰水害區(qū)域治理試驗工程。在工業(yè)廣場布設(shè)1號鉆孔,試驗工程施工平面圖如圖1。
圖1 試驗工程施工平面圖Fig.1 The construction plan of the test project
采用地面長距離順層定向分支孔進(jìn)行區(qū)域探查,對工作面底板奧灰含水層和DF2斷層進(jìn)行探查,奧灰水害區(qū)域治理分支孔以50 m為間距呈扇骨狀均勻布設(shè)在奧灰頂下20~30 m,斷層治理孔布設(shè)于9下煤底板砂巖。試驗工程設(shè)計了1-1~1-7及1#1~1#4奧灰水害區(qū)域治理鉆孔,其中1-1~1-7孔為平行孔,1#1~1#4孔為發(fā)散孔,1#D1孔為兼顧斷層探查治理的鉆孔,1#D1-1和1#D1-2孔為斷層探查治理分支孔,通過注漿對工作面進(jìn)行加固和對斷層進(jìn)行治理。
實際鉆孔施工過程中,因區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜,在奧灰中鉆探?jīng)_洗液頻繁失返,起下鉆及注漿占據(jù)大量時間,注漿材料花費較高,僅施工1-7、1-5分支孔。斷層治理孔對61202工作面中的DF2斷層帶,以及DF2-1及F201斷層進(jìn)行治理,施工中發(fā)生多次的掉塊、塌孔、埋鉆及泥化現(xiàn)象,致D1斷層治理孔未完孔。治理孔三開段設(shè)計見表1。
表1 治理孔三開段設(shè)計Table 1 Design of three open sections of treatment hole
鉆孔一開為直孔段,鉆至石千峰組約20 m處新鮮基巖,孔深約170 m,下入170 m長一開套管。鉆孔二開為導(dǎo)斜段,孔深原則上進(jìn)入到奧灰風(fēng)化帶以下完整灰?guī)r中,奧灰風(fēng)化帶以上9煤以下堅硬完整的巖層中,下入套管。
鉆孔三開為裸孔近水平段,孔徑φ152.4 mm,孔深至工作面外側(cè)40 m處。三開水平井的著陸點在奧灰中,按奧灰平均頂面以下10~30 m控制,保證鉆孔揭露層位始終在奧灰中。三開裸孔段是多個分支孔經(jīng)所在的層位,通過頻繁造斜形成分支井,達(dá)到覆蓋工作面下部奧灰的目的。鉆探過程中對1-7及1-5分支孔的砂巖和泥巖巖樣進(jìn)行了巖屑X衍射測試分析,分析分支孔揭露處的巖性。
圖2 奧灰區(qū)域治理試驗工程1號鉆孔剖面示意圖Fig.2 Profile of No.1 borehole of Ordovician limestone area treatment test project
注漿施工過程中對奧灰含水層和砂巖含水層水位進(jìn)行了對比,明確注漿量和注漿壓力對兩含水層水位的影響。
水泥采用PO32.5硅酸鹽水泥(符合國家GB 175—2007標(biāo)準(zhǔn));粉煤灰(符合GB/T 1596—2017的Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn))。吃漿量大時,采用骨料作為注漿材料,采用“水+骨料”或“水泥漿+骨料”的注漿方法,根據(jù)現(xiàn)場條件,骨料材料定為風(fēng)積沙。
采用孔口封閉靜壓前進(jìn)式分段注漿法。注漿前先進(jìn)行壓水,注漿中若吃漿量大,可用稠漿(漿液密度:1.3~1.5 g/cm3)進(jìn)行注漿或采用間歇式注漿法。若吃漿量小,可用稀漿(漿液密度:1.1~1.2 g/cm3)進(jìn)行注漿。
注漿順序采用插花式跳孔施工方法,先注兩邊孔,再注中間孔,然后再在已注漿孔之間穿插注漿。后序鉆孔注漿時對前序鉆孔的注漿效果進(jìn)行檢查。單回次注漿起壓等凝后,進(jìn)行掃孔再注漿,若能吃漿還需繼續(xù)注漿,然后再掃孔,直至掃孔不吃漿然后繼續(xù)向前鉆進(jìn),循環(huán)式前進(jìn)。
由于本區(qū)尚無開展奧灰地面區(qū)域治理工程案例,參考峰峰、邢臺等地治理工程經(jīng)驗[9,13-14],注漿地面孔口壓力為6 MPa。注漿終止時地面泵量不大于60 L/min,穩(wěn)定時間不小于15 min。
綜合分析區(qū)域治理和斷層治理工程的投入,工程投入對比分析表見表2。
由表2可知,區(qū)域治理工程1-7及1-5分支孔中,注漿費用是主要費用,注漿費用占到總費用的80%以上;斷層治理工程中吃漿量大的F1孔注漿費用占到總費用的87%,相比吃漿量很小的D1和F2中注漿費用只占7%~12%。根據(jù)試驗工程預(yù)算三開段單位投入為0.36萬/m,1-7、1-5及F1孔的綜合單位投入均已遠(yuǎn)超該數(shù)值。
表2 工程投入對比分析表Table 2 Comparative analysis of project investment
綜合分析區(qū)域治理和斷層治理工程的效率,工程效率綜合對比分析表見表3。
表3 工程效率綜合對比分析表Table 3 Comprehensive comparative analysis of project efficiency
由表3可見,工程綜合效率與鉆探回次和注漿量有關(guān),鉆探回次越少,即單回次鉆探進(jìn)尺越長,鉆探工期越短;注漿量越小,注漿時間越短。在鉆探和注漿中,注漿對工期的影響大,占總工期的67%,約是鉆探時間的2倍,是制約工期的主要因素。鉆探注漿的綜合效率按工期要求需要達(dá)到21 m/d,表中只有F2和D1能滿足要求,其他幾個吃漿量大的鉆孔均達(dá)不到工期要求。
1)底板探查加固。目前唐家會煤礦采用順層長鉆孔對底板含隔水層進(jìn)行探查加固,已安全回采61203、61303和61304等工作面,實施效果已初步得到驗證。該方法是在工作面兩巷形成后,采用井下定向鉆,于9煤底板砂巖中順層鉆進(jìn),孔間距40 m,單孔最大日進(jìn)尺可達(dá)60 m,對工作面內(nèi)實現(xiàn)底板全覆蓋。同時也可結(jié)合槽波物探、音頻電透視及瞬變電磁等物探方法所探測的異常區(qū),有針對性地加密鉆孔數(shù)量,縮小孔間距,對異常區(qū)進(jìn)行定點探測和治理。以唐家會礦61303工作面為例,該工作面底板探查及注漿加固定向長鉆孔工程自2017年8月10日開始施工,截止2019年1月12日施工完畢,累計完成鉆孔39個(主孔17個,分支孔22個),累計進(jìn)尺19 509.5 m,掃孔進(jìn)尺2 763 m,61303工作面累計施工39個底板順層長鉆孔共注水泥471.17 t,鉆探效率可滿足工作面底板探查工作要求。在工作面內(nèi)無較大斷層的情況下,可以考慮采用以探查為主的底板順層長鉆孔。
2)斷層帶治理。在目前唐家會煤礦勘探情況下,已確定2組集中發(fā)育的斷層組DF1及DF2,其中正斷層占絕大多數(shù),多個工作面被斷層截斷為2部分。結(jié)合井下揭露情況,落差10 m以上的斷層均導(dǎo)水,巷道掘進(jìn)和工作面回采均受到斷層導(dǎo)通奧灰水的威脅。若不實施斷層治理,則需留設(shè)防隔水煤柱,丟失大量煤炭資源,同時對于斷層橫穿工作面的情況,還需留設(shè)防隔水煤柱,重新布置切眼,搬遷安裝設(shè)備,嚴(yán)重影響采煤接續(xù)。以唐家會礦前期對DF2斷層綜合治理為例,采用井上下結(jié)合、水平孔加固奧灰頂部灰?guī)r輔助的技術(shù)方案,設(shè)置2個定向鉆孔(孔內(nèi)施工6個分支孔)和1個定向水平鉆孔(孔內(nèi)施工2個分支孔),直孔進(jìn)尺共1 571.1 m,斜孔進(jìn)尺1 039.7 m,水平孔進(jìn)尺498.5 m,注入水泥9 468 t,成功的完成了DF2斷層的治理和加固,及部分灰?guī)r頂部巖層的充填和加固。通過斷層帶治理可以有效解決因揭露導(dǎo)水?dāng)鄬右l(fā)的底板突水,但由于D1分支孔未完孔,因此更重要的是使目前斷層帶治理的技術(shù)方法和工程效果得到完全驗證,進(jìn)一步研究能否實現(xiàn)治理后跨斷層回采。
根據(jù)以上對底板探查加固、區(qū)域治理、斷層帶治理各技術(shù)手段的分析論述,對比以上各種技術(shù)方法的效果和優(yōu)缺點,唐家會礦奧灰水害治理技術(shù)對比表見表4。
表4 唐家會礦奧灰水害治理技術(shù)對比表Table 4 Comparison of Ordovician limestone water disaster control technology
綜合對比表4,由于現(xiàn)階段試驗結(jié)果所得奧灰區(qū)域治理工程的費用高工期長,采用“工作面內(nèi)井下定向鉆底板探查加固”和“工作面外地面定向鉆斷層帶治理”技術(shù)路線較合理,即“內(nèi)探查加固”和“外斷層治理”相結(jié)合。
試驗工程中鉆孔三開段在目的層位鉆進(jìn)中多次發(fā)生漏失和失返現(xiàn)象,注漿中吃漿量大,鉆探和注漿的工期長效率低,采用區(qū)域治理方式防治底板奧灰水害費用高、工期長,難以滿足工作面生產(chǎn)接續(xù)成本控制的需要。根據(jù)試驗結(jié)果,綜合對比奧灰區(qū)域治理技術(shù)、斷層帶治理技術(shù)和底板探查加固技術(shù),現(xiàn)階段宜采用“工作面內(nèi)部井下定向鉆底板探查加固”和“工作面外部地面定向鉆斷層帶治理”奧灰水防控技術(shù)方案。