丁同福,汪敏華,劉滿才,朱昌淮,文東明,陳曉雷

(1.淮南礦業(yè)集團(tuán)地質(zhì)勘探分公司，安徽 淮南 232052；2.淮南礦業(yè)集團(tuán)煤業(yè)公司通地部，安徽 淮南 232095；3.淮浙煤電公司顧北礦,安徽 淮南 232150)

0 引 言

巖溶陷落柱是我國(guó)華北石炭-二疊系煤田廣泛發(fā)育的不明地質(zhì)異常體，屬于隱伏構(gòu)造；具有突水的隱蔽性、突發(fā)性，是煤礦水害的重大威脅，一旦突水將造成礦井災(zāi)難性后果。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)巖溶陷落柱成因進(jìn)行大量研究，牛磊等[1]提出了巖溶陷落柱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)概化模型；趙金貴等[2]通過野外觀測(cè)、井下編錄、疊置對(duì)比和統(tǒng)計(jì)分析、歸納了巖溶陷落柱柱體形態(tài)特征；尹尚先等[3-4]系統(tǒng)總結(jié)了陷落柱基本特征、分布規(guī)律、成因機(jī)制、突水模式機(jī)理及探查和治理方法等；據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，華北煤田發(fā)現(xiàn)的巖溶陷落柱超10 000個(gè)，其中山西約占85%、太行山東麓的河北和河南占12%；其他省份合計(jì)約占3%。

巖溶陷落柱的治理有很多成功案例，南生輝等[5]針對(duì)河北東龐礦特大陷落柱突水淹井，采用了快速截流恢復(fù)生產(chǎn)和注漿封堵根治水患兩個(gè)階段的治理方案；鄭士田等[6-7]通過實(shí)例論述了特大型垂向?qū)ǖ馈萋渲薪⑷斯ぁ爸顾钡募夹g(shù)與途徑；并通過地面定向鉆孔技術(shù)在安徽淮南潘二礦實(shí)現(xiàn)了“截流+堵源”；邵紅旗等[8]針對(duì)內(nèi)蒙古駱駝山礦突水淹井，采用地面定向鉆孔灌注雙液漿快速建造阻水墻封堵突水巷道；趙蘇啟等[9]論述了不同條件下陷落柱突水淹井采用巷道截流、“止水塞”“三段式”、直接封堵、返流注漿、引流注漿等治理技術(shù)。這些陷落柱治理方案，通行的做法是利用地面垂直鉆孔或者垂向大傾角定向斜孔(便于骨料重力投送)，快速投注大量骨料，再分孔分段灌(注)入雙液漿或單液水泥漿，先“截流”,后“堵源”；這些應(yīng)急治理都是在礦井發(fā)生突水事故后進(jìn)行，作為搶險(xiǎn)救援方案，盡快封堵突水、盡快恢復(fù)礦井生產(chǎn)，取得很好的效果。但是無(wú)法彌補(bǔ)突水淹井造成的巨大損失，采用這些治理技術(shù)施工，往往造成骨料和漿液投注量巨大，即便是骨料也擴(kuò)散很遠(yuǎn)，甚至造成主要大巷、井底車場(chǎng)等被充填，后期礦井恢復(fù)處置工程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。若巖溶陷落柱基底發(fā)育進(jìn)入奧灰深部或者寒武灰?guī)r，陷落柱腔體空間大、很難實(shí)現(xiàn)“堵源”。對(duì)巖溶陷落柱進(jìn)行超前治理，消除了高壓奧陶(寒武)灰?guī)r強(qiáng)含水層突水威脅，避免礦井重特大安全事故發(fā)生，具有極大安全和經(jīng)濟(jì)效益,面臨很多迫切需要解決的技術(shù)難題；目前國(guó)內(nèi)鮮有報(bào)道華北巖溶陷落柱超前治理的類似案例。筆者基于淮南某礦大型垂向?qū)萋渲牡刭|(zhì)條件分析，選定巖溶陷落柱裂隙區(qū)，在高壓巖溶充水水源與待回采煤層之間，采用疊層多分支水平井定向造孔技術(shù)、充填注漿+壓裂注漿等，精準(zhǔn)建造足夠范圍和足夠厚度的 “堵水塞”，阻斷高壓巖溶水與回采煤層的聯(lián)系，為華北型煤田巖溶陷落柱超前治理提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 陷落柱水文地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)構(gòu)造特征

淮南煤田東西長(zhǎng)100 km，南北寬35 km，是華北型煤田最南端的整裝煤田。煤田內(nèi)有延展超100 km 的推覆體造山帶，有延展30～60 km、由西向東傾伏的多個(gè)(向)背斜構(gòu)造，有斜切多井田、延展近8 km的地塹式斷裂構(gòu)造帶，有基底發(fā)育在寒武灰?guī)r的多個(gè)巖溶陷落柱(其中最大橢圓長(zhǎng)軸超1 km)，有呈巖柱和巖床產(chǎn)出的巖漿巖構(gòu)造等；南部老礦區(qū)基巖直露區(qū)發(fā)育構(gòu)造型式更為多樣，主要有“330°”構(gòu)造線、“X型”斷裂帶(組)、羽狀平行斷裂帶(組)等[10]。

淮南煤田含煤地層為石炭～二疊系，為連續(xù)沉積地層。其中石炭系太原組厚度110～125 m、含薄煤線7～9層、不可采；二疊系煤系厚度近1 000 m，含煤32～40層，主采煤系地層厚度290～340 m、含煤厚度29.5～32.6 m[11]。煤系地層的底部為奧陶系灰?guī)r地層，奧灰厚度數(shù)十米至530 m，與石炭系地層呈角度不整合；其中的志留系、泥盆系、下石炭統(tǒng)地層沉缺；煤系地層的頂部為古近系、新近系松散沉積地層，厚度0～500 m。

1.2 某礦2號(hào)陷落柱特征

1.2.1 陷落柱的三維地震探查

三維地震解釋陷落柱形態(tài)是一項(xiàng)新的技術(shù)手段[12]。某礦2號(hào)陷落柱是三維地震勘探成果進(jìn)行二次精細(xì)解釋發(fā)現(xiàn)的，陷落柱在三維地震曲線的剖面上同相軸出現(xiàn)明顯的錯(cuò)斷、下拉，平面上呈現(xiàn)近圓形的特征，在地震屬性切片上也可以看到近圓形的異常分布。圖1為2號(hào)疑似陷落柱(黃線圈定)在十字地震剖面上的反映，圖2為疑似陷落柱在方差體屬性切片上的反映。

圖1 陷落柱在十字地震剖面上的反映Fig.1 Reflection of the fall column on cross seismic profile

圖2 陷落柱在方差屬性切片上的反映Fig.2 Reflection of falling columns on variance property slices

1.2.2 陷落柱地面鉆探驗(yàn)證

在陷落柱中心和四周區(qū)域，布置7個(gè)地面垂直勘探鉆孔、陷落柱探查鉆孔布置圖如圖3所示；自基巖面上100 m開始取心至終孔，基巖段簡(jiǎn)易水文觀測(cè)；7個(gè)鉆孔(六T-1～六T-7)終孔層位有6個(gè)進(jìn)入寒武灰?guī)r、1個(gè)進(jìn)入奧灰；完成鉆探進(jìn)尺5 754.18 m，常規(guī)測(cè)井孔深5 722.75 m，聲波測(cè)井孔深2 475.85 m，鉆孔簡(jiǎn)易測(cè)溫7次；抽水試驗(yàn)27次，其中4煤下駱駝缽砂巖3次、1煤頂板砂巖3次、C3I組灰?guī)r7次、太灰組地層7次、太灰+奧灰地層混合7次；巖樣測(cè)試112組、水質(zhì)分析27個(gè)、同位素分析7個(gè)、微量元素分析9個(gè)；進(jìn)行了灰?guī)r與煤系地層、灰?guī)r與灰?guī)r之間擬流場(chǎng)測(cè)漏12次,勘探工程量統(tǒng)計(jì)見表1，太原組灰?guī)r柱狀如圖4所示。

圖3 陷落柱探查鉆孔布置Fig.3 Fall column probe drilling layout

表1 勘探工程量統(tǒng)計(jì)

圖4 太原組灰?guī)r柱狀Fig.4 Taiyuan groupashstone column

1.2.3 陷落柱的水文地質(zhì)特征

通過三維地震發(fā)現(xiàn)、地面勘探驗(yàn)證、綜合資料對(duì)比研究[13-16]，進(jìn)一步控制了陷落柱平面形態(tài),剖面形態(tài)；查清了其頂界位置及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，并對(duì)其導(dǎo)水性進(jìn)行了定量評(píng)述。

陷落柱裂隙區(qū)六T-1太原群C3Ⅰ組中抽水試驗(yàn)，單位涌水量最大為6.03 L/(s·m)，富水性及導(dǎo)水性極強(qiáng)。

2 疊層多分支水平井設(shè)計(jì)

2.1 陷落柱平面治理范圍

以待開采的1煤(又稱A組煤)陷落柱外導(dǎo)水裂隙帶范圍為目標(biāo)邊界，沿其長(zhǎng)軸、短軸方向(95 m×74 m)分別外擴(kuò)100 m，形成320 m×290 m陷落柱平面治理范圍，治理面積74 666 m2；治理范圍面積是1煤導(dǎo)水裂隙帶范圍的14.3倍，如圖5所示。

2.2 陷落柱鉆孔平面軌跡設(shè)計(jì)

布置兩口地面鉆井N8孔、N9孔，分別通過多分支水平井對(duì)陷落柱治理范圍進(jìn)行全面覆蓋。其中N8孔設(shè)計(jì)8個(gè)分支井，N9孔設(shè)計(jì)8個(gè)分支井，同一層位相鄰水平井間距≤40 m，N8、N9孔的水平段平面上呈60°以上大角度斜交，確保水平孔在陷落柱治理范圍均勻展布和對(duì)構(gòu)造的交叉控制；鉆孔平面軌跡設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 鉆孔平面軌跡設(shè)計(jì)Fig.5 Drilling plane track design

2.3 陷落柱鉆孔剖面軌跡設(shè)計(jì)

N8、N9孔水平段剖面軌跡設(shè)計(jì)分別沿太原群C3Ⅱ組9灰層位、C3Ⅰ組3灰層位設(shè)計(jì)；垂向距離1煤底板層間距分別為81.8、53.3 m。鉆孔剖面軌跡設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 鉆孔剖面軌跡設(shè)計(jì)Fig.6 Drillingsection track design

3 “堵水塞”精準(zhǔn)建造技術(shù)

3.1 “堵水塞”造孔軌跡精準(zhǔn)控制技術(shù)

1)鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆具組合。采用三開鉆孔結(jié)構(gòu)，一開?311 mm孔徑，下入?244.5 mm×8.94 mm J55石油套管，水泥固井封閉新生界地層；二開?216 mm孔徑，導(dǎo)斜至目的層、井斜與地層近似平行，下入?177.8 mm×8.05 mm J55石油套管、水泥固井；三開水平段?152 mm、裸孔至目的層終孔位置。

一開?311 mm鉆頭+?203 mm加重鉆鋌+?89 mm鉆桿；二開采用?197 mm的1.5°螺桿；三開采用?120 mm的1.5°螺桿。

2)定向造孔施工軌跡控制。一開鉆孔軌跡采用數(shù)字測(cè)井技術(shù)測(cè)量，測(cè)點(diǎn)間距20 m。二開及三開定向?qū)便@進(jìn)軌跡采用MWD正脈沖定向儀器(含伽馬探管)[17]進(jìn)行隨鉆測(cè)量,測(cè)點(diǎn)間距10 m。定向造孔曲率半徑不小于200 m,全角變化率不大于10°/30 m。導(dǎo)斜定向鉆進(jìn)后采用復(fù)合鉆進(jìn)重新掃(滑)孔，利于軌跡順滑。采用伽馬探管實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地層伽馬數(shù)值，結(jié)合巖屑錄井，確保實(shí)測(cè)軌跡不超過設(shè)計(jì)軌跡2 m。

3.2 “堵水塞”注漿工藝

1)一般原則。注漿前進(jìn)行壓水試驗(yàn)，計(jì)算含水層吸水率[18]；遵循先稀后稠原則；采用前進(jìn)式注漿方式、地面孔口止?jié){；復(fù)注間歇時(shí)間不小于12 h。

2)注漿材料。材料選用32.5礦渣硅酸鹽水泥，原則上選用單液水泥漿，特殊漏失層段添加粉煤灰；漿液密度1.2～1.5 kg/m3。

3)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。終壓不小于奧陶系灰?guī)r含水層靜水壓力的1.5倍，并持續(xù)30 min以上。

4)陷落柱導(dǎo)水裂隙區(qū)注漿工藝。裂隙區(qū)裂隙特別發(fā)育，鉆進(jìn)中沖洗液全漏失，起注壓力為0；原則是首先采用大泵量(50 m3/h以上)、大密度(不小于1.5 kg/m3)漿液來進(jìn)行高強(qiáng)度連續(xù)充填注漿，封堵裂隙區(qū)大的空間、同時(shí)控制漿液擴(kuò)散距離；待孔口注漿壓力升高到3～5 MPa以上，改用小泵量(10～15 m3/h)、較小密度(1.2～1.4 kg/m3)來連續(xù)進(jìn)行壓(劈)裂注漿，擴(kuò)大漿液擴(kuò)散半徑、充填微小裂隙，直至達(dá)到注漿標(biāo)準(zhǔn)[19-20]。

5)幾種特殊情況處理。① 漿液短路問題：分支水平井的水平段很長(zhǎng)，最長(zhǎng)超1 200 m，要確保漿液在水平段能夠輸送到末端，避免前端非注漿段大量進(jìn)漿，造成末(后)端沒有漿液注入的“空白帶”?？偟脑瓌t是鉆進(jìn)時(shí)隨漏隨注，封堵漏漿通道，有利于漿液在水平段遠(yuǎn)距離輸送，“堵后路、開前路”。② 特殊層段：斷層、破碎帶、三維地震異常區(qū)、廣域電磁低阻區(qū)等特殊層段等，作為區(qū)域治理注漿重點(diǎn)層段對(duì)待。技術(shù)原則是把這些層段單獨(dú)作為一個(gè)注漿段,縮短水平井段長(zhǎng)，提高注漿針對(duì)性。再根據(jù)注漿過程中動(dòng)態(tài)分析、不斷調(diào)整注漿工藝參數(shù)。

3.3 “堵水塞”注漿質(zhì)量檢驗(yàn)

1)鉆探過程中簡(jiǎn)易水文檢驗(yàn)。后續(xù)水平井鉆探造孔施工，可以對(duì)前期已經(jīng)完成水平井注漿質(zhì)量檢驗(yàn)。如N8-5井在裂隙區(qū)水平段造孔時(shí)沖洗液全漏失，最大漏失量65 m3/h。后期的N8-3孔鉆探到同樣裂隙區(qū)時(shí)，沖洗液不但不漏失，還發(fā)生相應(yīng)地層涌水0.5 m3/h現(xiàn)象，證明裂隙區(qū)前序孔注漿效果。

2)注漿過程動(dòng)態(tài)變化檢驗(yàn)。后續(xù)分支孔起注壓力高、升壓快、注漿量大幅減少，驗(yàn)證了前序孔的注漿效果。如表2中后續(xù)N8-2、N8-3分支孔相對(duì)前序N8-4、N8-5、N8-6分支孔，起始注漿壓力明顯升高，吸水率、單位吸漿量明顯降低。其中后期N8-2孔水平段吸漿量?jī)H為N8-5孔的15%,見表2。

表2 鉆孔注漿參數(shù)統(tǒng)計(jì)

依據(jù)起注壓力、注漿量、注漿時(shí)間等注漿動(dòng)態(tài)過程分析，檢驗(yàn)注漿效果，也同樣驗(yàn)證了前序孔的注漿效果；如N8-4孔在裂隙區(qū)注漿，前10 d壓力為0，第11～13天壓力1～2 MPa,第14～25天壓力又降為零，隨后間歇注漿才緩慢回升并有反復(fù)，一個(gè)孔注漿近2.5個(gè)月，如圖7所示；同樣位于裂隙區(qū)后期施工的N8-2孔，起始?jí)毫? MPa，第8～9天注漿就合格，時(shí)間大幅縮短，如圖8所示。

圖7 N8-4孔注漿壓力歷時(shí)曲線Fig.7 N8-4 hole slurry pressure graph

圖8 N8-2孔注漿壓力歷時(shí)曲線Fig.8 N8-2 hole slurry pressure graph

3)漿液擴(kuò)散半徑檢驗(yàn)。漿液擴(kuò)散半徑是分支孔間距設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，在實(shí)際注漿過程中可用多種方法進(jìn)行檢驗(yàn)。① 在陷落柱裂隙區(qū)的水平井鉆探和注漿采用間隔施工，間隔1個(gè)水平井、水平間距80 m情況下，能夠隨時(shí)從回返的鉆探?jīng)_洗液，明顯見到前序孔水泥注漿中一些成分，進(jìn)一步撈取的巖屑見到小的水泥塊,證明水泥漿有效擴(kuò)散半徑已達(dá)80 m以上。② 在陷落柱治理的同一個(gè)采區(qū)內(nèi)，同時(shí)施工的1號(hào)、2號(hào)井場(chǎng)，正在進(jìn)行A組煤地面區(qū)域治理，注漿目的層也是C3Ⅱ組9灰層位；1號(hào)井場(chǎng)N2-7在9灰段注漿，漿液從2號(hào)井場(chǎng)的N4-10孔9灰水平井定向(孔深1 052 m)孔口跑漿，漿液有效擴(kuò)散距離169 m以上。

4 結(jié) 論

1)陷落柱注漿治理范圍是1煤導(dǎo)水裂隙帶范圍的14.3倍，設(shè)計(jì)漿液擴(kuò)散半徑20 m，實(shí)際漿液有效擴(kuò)散在陷落柱裂隙區(qū)80 m以上；在同一采區(qū)的地面區(qū)域治理中漿液有效擴(kuò)散169 m以上；遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求，構(gòu)建的“堵水塞”注漿平面覆蓋范圍遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)。

2)N8孔多分支水平井位于C3Ⅱ組9灰層位、距離1煤底板層間距為81.8 m；1煤底板埋深約615 m、其底板充水含水層奧陶系高壓含水層的靜止水位小于6.15 MPa(實(shí)際測(cè)量)；N8孔多分支水平井建造的1煤底板隔水層巖柱厚度超過81.8 m；按照《煤礦防治水細(xì)則》中關(guān)于“突水系數(shù)不大于0.1 MPa/m”的技術(shù)要求，“堵水塞”建造的隔水巖層厚度遠(yuǎn)大于奧灰高壓含水層防水煤巖厚度的要求。

3)沿C3Ⅱ組9灰層位、C3Ⅰ組3灰層位，采用MWD無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀和螺桿鉆具，實(shí)現(xiàn)了多分支水平井造孔軌跡精準(zhǔn)控制；通過鉆探驗(yàn)證、注漿過程驗(yàn)證、漿液擴(kuò)散半徑驗(yàn)證等多種方法對(duì)注漿質(zhì)量進(jìn)行了檢驗(yàn)，確保 “堵水塞”的注漿質(zhì)量。

4)采用疊層多分支水平井，立體地精準(zhǔn)建造 “堵水塞”對(duì)陷落柱進(jìn)行超前治理，是陷落柱水害治理由被動(dòng)向主動(dòng)轉(zhuǎn)變的一次有益嘗試，為打造煤礦防治水本安型礦井提供技術(shù)支撐。