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)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)條件

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。

1.2 水文地質(zhì)條件

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。

2 試驗工程

2.1 試驗工程設(shè)計

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。

2.2 實際鉆探工程

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

2.3 注漿工程

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。

3 試驗工程投入與效率

3.1 試驗工程投入

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

3.2 試驗工程效率

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。

4 奧灰水害治理技術(shù)方案比選

4.1 治理技術(shù)方法

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。

4.2 方案對比

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。

5 結(jié) 語

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。