帷幕截流疏干技術在煤礦水害防治中的應用

陳悅亨

（廣東煤炭地質二〇二勘探隊，廣東 廣州 510800）

0 引言

帷幕截流技術是利用高壓噴射注漿或壓力注漿等方法，使破碎的巖層或巖溶發(fā)育的巖層固結成整體，封堵巖層中的溶洞和裂隙，從而達到隔水的效果。

隨著科學技術的發(fā)展，帷幕截流技術在煤礦防治水工程中得到了推廣。近年來，朱仙莊煤礦應用帷幕截流疏干技術對“五含”水害進行防治，取得了良好的效果。

1 煤礦水文地質特征

1.1 礦井地質概況

朱仙莊煤礦位于安徽省宿州市朱仙莊鎮(zhèn)境內，距宿州市約10 km，交通較為便利。某公司2009 年核定生產能力為245 萬t/a。

井田煤系地層全部為第四系、新近系松散層覆蓋，松散層與基巖呈不整合接觸。煤系地層為石炭系、二疊系，井田四周為石炭系、奧陶系地層，北部煤系地層上覆侏羅系地層。

侏羅系礫巖含水層（即“五含”）的產狀與煤層大體相同，與太灰、奧灰地層呈不整合接觸?！拔搴睘橘_系下段的一層紫紅色礫巖段。其沉積環(huán)境為山麓相堆積，礫石成分為灰?guī)r碎塊，分選性差，礫徑2 mm～70 mm，膠結物為鈣質，巖溶發(fā)育，富水性好。礦井總體為中間厚四周薄，厚度變化較大，且有往深部和東部逐漸變薄、尖滅的趨勢?！拔搴钡膭兾g面與8 煤層平行，傾向為北東，傾角為15°～25°，厚度在0 m～102 m，平均厚度為50 m～65 m。

1.2 “五含”水文地質特征

井田北部受塔橋斷層影響，“五含”覆蓋面積約為9 km2，井田范圍內面積為2.8 km2?！拔搴钡貙哟竺娣e壓覆于8 煤、10 煤等煤系地層、太灰及奧灰含水層上，呈角度不整合接觸關系?！拔搴鄙喜繛? 層侏羅系砂巖。隔水性較好，“四含”呈角度不整合壓覆在侏羅系地層上，局部“五含”剝蝕條帶與“四含”直接接觸。“五含”的巖溶發(fā)育具有明顯的垂向分帶性。標高-350 m 以上，巖溶率為8.82%～13.2%；標高-350 m 以下，巖溶率小于1%。淺部“五含”富水性好，導水性好。1993 年放水試驗顯示，由于“五含”與“四含”、太灰和奧灰的特殊接觸關系，“五含”與以上3 個主要含水層之間存在明顯的水力聯系。

2015 年1 月30 日，“五含”壓覆下的866-1 工作面發(fā)生突水水害，造成重大損失。水源為頂板“五含”水，突水牽動太灰、奧灰水位下降。該次出水顯示，隨著采動影響造成頂板破壞裂隙溝通“五含”，“五含”作為主要的儲水含水層和徑流通道，“五含”水快速涌入工作面，同時牽動“四含”、太灰及奧灰水位聯動，其他主要含水層形成對“五含”補給的趨勢。

2 水害防治思路

由于“五含”水量大，與其他含水層的水力聯系明顯，補給充足，因此采取帷幕截流的防治策略。

通過對水文地質參數進行綜合的分析及計算，確定沿8煤外側“五含”覆蓋區(qū)為帷幕墻位置。

在預設帷幕墻沿線，通過合理布置地面探注鉆孔，對墻體位置進行鉆探探查，查明帷幕線上的“五含”儲水空間或徑流通道，然后利用地面注漿系統進行反復的注漿和壓水試驗檢查，最終在預設位置建造1 條具有“上頂下底隔水”且滿足8 煤安全開采截流要求的“連續(xù)截流防滲墻體”，阻隔來自帷幕墻外側“五含”及奧灰水對礦井的側向補給[1]。

通過帷幕墻截流，達到截流率85%以上的目標。具體指標包括以下2 點。1） 工程質量符合《礦山帷幕注漿規(guī)范》（DZ/T 0285—2015）要求，其中帷幕墻體內“五含”壓水試驗，透水率≯1.0Lu。2） 帷幕截流后“五含”疏水水位降至-350 m以下，殘余補給水量≯300 m3/h；帷幕截流后“五含”疏水水位降至-430 m 以下，殘余補給水量≯350 m3/h。

帷幕墻建成后，在帷幕墻內側和外側分別設置觀測系統，在帷幕墻內側進行疏放水，觀測并計算帷幕墻的透水率及水位降到-350 m 以下的殘余補給水量，評價帷幕截流效果。

3 帷幕墻設計

3.1 帷幕墻設計參數

根據8 煤開采邊界，將帷幕墻設計在8 煤隱伏露頭線外側約120 m 的位置。既滿足帷幕墻建墻階段注漿向墻內采區(qū)頂板大量擴散的要求，又滿足帷幕墻建成后墻體遠離開采影響范圍的安全要求，并兼顧墻內“五含”疏干范圍等因素。

帷幕墻沿線需要“上頂下底隔水”。8 煤露頭外側約120 m沿線底板均為煤系地層，作為“底隔”；大部分區(qū)段頂板為侏羅系上段砂泥巖互層隔水層，視為“頂隔”。北側西段“四含”與“五含”直接接觸帶，埋深淺，巖溶發(fā)育強，將其視作同一含水層，頂板三隔作為該區(qū)段帷幕墻的“頂隔”[2]。

“五含”西側為剝蝕邊界，帷幕墻北線尤其是北線起點應盡量遠離太灰邊界；“五含”東側為F21 斷層邊界，則東線終點應落在F21 斷層上盤與煤系地層的接觸帶。東線終點在空間上是圈合的，北線起點在空間上“五含”是圈合的，“四含”厚度僅3 m～5 m，“四含”與“五含”接觸帶富水性較強，但其他地段富水性不均，且側向補給弱，視為相對隔水圈閉。

帷幕墻北線起點為“五含”剝蝕邊界，終點也即轉折點位于補勘DZ2 鉆孔位置。東線起點自DZ2 鉆孔，中間靠近DZ3、DZ4 鉆孔，穿過DZ7、DZ5 鉆孔位置，延伸至“五含”交F21 斷層邊界。

帷幕墻長度為3.13 km，帷幕墻的有效厚度為40 m（可承受4 MPa 的水壓），帷幕墻建設空間位置為預設帷幕線“五含”頂底上下外擴15 m 所圈閉的厚度范圍，平均60 m～70 m。 “四含”與“五含”直接接觸地段，當含水層厚度小于30 m 時，厚度控制為“四含”頂5 m、“五含”底15 m。

3.2 帷幕鉆探工程設計

3.2.1 設計原則

帷幕墻鉆孔設計遵循以下5 個原則。1） 帷幕墻各類鉆孔排距均為20 m（有效擴散范圍10 m，墻體有效厚度40 m）。2） 根據“五含”賦存的高度及厚度設計鉆孔?！拔搴辟x存的高程在-350 m 以上，定向鉆孔的施工難度極高，存在大量不可控因素，設計常規(guī)直孔；“五含”賦存的高程在-350 m～-400 m，采用順層鉆孔；“五含”賦存的高程在-400 m以下，以下采用水平孔。3） 直孔的孔間距為20 m，兩排交錯布孔。每80 m 設計1 個檢查加固孔。4） 順層孔落底孔間距為30 m，鉆孔并排布置，有效段交錯布孔，每組定向孔各布置1 個延伸到對側末端的檢查加固孔。5） 水平孔并排布置，水平段交錯布置。每個水平孔的分支孔上下間距為20 m，每組孔各布置1 個延伸到對側末端的檢查加固孔。

3.2.2 設計依據

帷幕墻可分為北線和東線2 個部分。北線長1 011.74 m，東線長2 118.36 m，合計3.13 km。

3.2.2.1 北線

北線均位于淺部段（“五含”底板基本上位于-350 m 以上），按鉆孔類型可分為常規(guī)直孔（長約819.9 m）和淺部順層孔（長約191.84 m）。1） 直孔段位于“四含”與“五含”直接接觸帶及五含底板約-340 m 標高以上?？煞譃椤八暮迸c“五含”接觸（厚度＜30 m）、“四含”與“五含”接觸（厚度＞30 m）和“四含”與“五含”不接觸。2） 淺部順層孔段位于北線終點附近?！八暮迸c“五含”之間存在隔水層，“五含”頂底板位于-350 m～-380 m。

3.2.2.2 東線

東線可分為淺部段和深部段。淺部段（埋深-380 m 以上）約419.47 m，位于東線南側，采用淺部順層孔；深部段（埋深-380 m 以下）約1 626.89 m，位于DZ5 鉆孔以里至DZ2 鉆孔，采用水平孔。

3.3 鉆孔設計

該工程鉆孔設計分為4 個部分，分別為北線直孔、北線順層孔、東線淺部順層孔和東線水平孔。鉆孔剖面布置如圖1 所示。

圖1 朱仙莊煤礦“五含”帷幕截流疏干開采綜合治理剖面圖

3.3.1 北線直孔

直孔帷幕總長共計819.9 m，設計94 個直孔，其中內墻42個，外墻41 個，檢查加固鉆孔11 個，鉆探總進尺為30 124 m，下入套管總重720 t。

3.3.1.1“四含”與“五含”接觸（厚度＜30 m）

共設計鉆孔20 個，鉆探總長5 253 m。鉆孔結構包括以下2 個。1）一開。孔徑Φ215.9 mm，孔深0 m～215 m，至“四含”頂部5 m，下入Φ177.8 m×6.91 m 孔口管，水泥固井至孔口返漿。2） 二開。裸孔段，孔徑Φ131 mm，分段延伸至“五含”底界面下15 m。

3.3.1.2“四含”與“五含”接觸（厚度＞30 m）

共設計鉆孔74 個，鉆探總長為24 871 m。鉆孔結構包括以下3 個。1） 一開。孔徑Φ215.9 mm，孔深0 ～215 m，至“四含”頂部5 m，下入Φ177.8 mm×6.91 mm 孔口管，水泥固井至孔口返漿。2） 二開。孔徑Φ152 mm，至“五含”頂界面下10 m，下入Φ139.7 mm×6.2 mm 套管，隔離“五含”風氧化帶，套管為飛管，與一開套管重疊段為30 m，水泥固井。3） 三開。裸孔段，孔徑Φ110 mm，分段延伸至“五含”底界面下15 m。

3.3.2 北線淺部順層孔

北線共設計2 組順層孔。分別為LS1 和WS1 孔組、LS2和WS2 孔組，共4 個鉆孔。落底孔間距為30 m，交錯布孔。井斜控制在10°～60°，五含目標層內鉆孔長度控制在100 m～150 m。鉆孔結構包括以下3 個。1） 一開?？讖溅?11 mm，0 m～30 m，下入Φ244.5 mm×8.94 mm 孔口管，水泥固井至孔口返漿，隔離流砂層，護壁。2） 二開?？讖溅?15.9 mm，自50 m 開始定向，鉆進至“四含”下侏羅系穩(wěn)定地層，下入Φ177.8 mm×8.05 mm 通天套管，隔離“四含”及其以上地層。水泥固井至孔口返漿。3） 三開。裸孔段，孔徑Φ152 mm，分段延伸至“五含”底界面下15 m。

3.3.3 東線淺部順層孔

東線兩端“五含”賦存較高，分別布置LS3 和WS3、LS10 和WS10 孔組。共4 個鉆孔。落底孔間距為30 m，交錯布孔。井斜控制在10°～60°，“五含”目標層內鉆孔長度控制在100 m～150 m。鉆孔結構同上。

3.3.4 東線水平孔

東線中部“五含”賦存低于-400 m，可以布置水平孔。共設計了6 組水平孔。分別為LS4 和WS4～LS9 和LS9，共計12 個鉆孔。1） 其中LS4 和WS4、LS8 和WS8、LS9 和WS9 鉆孔覆蓋范圍，“五含”厚度較薄，每個鉆孔布置3 個水平分支孔，分別位于“五含”上部、中部和下部，垂向孔間距20 m，墻內外兩側鉆孔有效段交錯布置。同時，內外墻鉆孔各設計1個檢查加固分支孔自本側延伸至對側末端。由此，每組鉆孔8 個分支孔，合計24 個分支孔。2） 東線中部五含埋深較大，厚度約為60 m，相對穩(wěn)定，設計LS5 和WS5、LS6 和WS6、LS7 和WS7 鉆孔。每個鉆孔布置4 個水平分支孔，分別位于“五含”上部、中部和下部，垂向孔間距為20 m，墻內外兩側鉆孔有效段交錯布置。同時內外墻鉆孔各設計1 個檢查加固分支孔自本側延伸至對側末端。每組鉆孔10 個分支孔，合計30 個分支孔。

4 帷幕墻施工

4.1 鉆探施工

4.1.1 直孔段施工技術

帷幕墻直孔段投入T685WS 型車載鉆機、TSJ-600 型車載鉆機各1 臺，并投入足夠的配套設備。

4.1.1.1 一開技術措施

按設計組合鉆具Φ215.9 mm 鉆頭下鉆。開眼時，采取吊打方式，輕壓鉆進，每鉆完1 個單根洗井2 min～3 min，劃眼2 次，修整井壁。鉆達設計井深，或鉆至基巖穩(wěn)定地層后，增加泥漿維持井壁穩(wěn)定。下套管前大排量循環(huán)洗井，通井1次，確保下套管順利。下入Φ177.8 mm×6.91 mm 套管，水泥固井至孔中返漿。

一開鉆井液采用坂土聚合物泥漿，主要防止上部地層漏失及坍塌，鉆進過程中根據地層變化及時調整鉆井液性能，防止地層漏失。

4.1.1.2 二開技術措施

采用Φ152 mm 鉆頭鉆進至設計深度。對于“四含”與“五含”接觸（厚度≤30 m）或“四含”與“五含”不接觸，隔水層厚度＞15 m 地段，采用清水鉆進，并洗孔。對于“四含”與“五含”接觸（厚度＞30 m）或“四含”與“五含”不接觸，侏羅系隔水層厚度≤15 m 的鉆孔，下入Φ139.7 mm×6.2 mm 套管，與一開套管重疊段為30 m，水泥固井，并做止水效果檢查。

二開鉆進鉆井液配制以防塌和防漏為目的。加入絮凝劑以提升巖屑上返能力，同時嚴格控制鉆井液密度及鉆井液中固相顆粒的含量，達到安全鉆井的目的。對于“四含”與“五含”接觸（厚度≤30 m）或“四含”與“五含”不接觸，水層厚度＞15 m 地段，應采用清水鉆進。

4.1.1.3 三開技術措施

采用Φ110 mm 鉆頭，清水鉆進至設計深度（“五含”下15 m），清水洗孔。

鉆進過程中，每50 m～100 m 進行1 次測斜，保證孔斜率，確保各鉆孔終孔偏斜距≤2 m。鉆孔固井后通過止水效果來檢驗固井效果。注漿段采用清水鉆進。每注漿段鉆探完成后，洗孔10 min～20 min，孔底沉渣厚度控制在20 cm 內。

4.1.2 定向、水平段施工技術

帷幕墻水平孔采用T200XD 型、ZJ20 型、ZJ30 型車載石油鉆進無線測斜定向施工，確保跟層率。該次定向施工所用儀器為北京海藍YST-48R MWD 系統，將傳感器測得的井下參數按照一定的方式進行編碼，產生脈沖信號，由脈沖器產生壓力變化，使信號傳送到地面。再由地面設備解碼得出井下參數。

4.2 注漿施工

設計注漿材料包括水泥、粉煤灰及骨料等3類。在制作漿液時，根據漿液類型選擇合適的制漿設備。所選擇的設備性能應該與注漿量、漿液密度和注漿方式相適應，能安全、穩(wěn)定、均勻、連續(xù)地制漿。

選用專用注漿泵、泥漿泵等注漿設備，性能應該滿足流量和壓力可調、耐磨和抗腐蝕等要求。注漿達到結束指標后，先孔內漿液自行卸壓至井口壓力為零，然后止?jié){塞松壓，待凝一定時間段后進行鉆孔掃孔，掃孔到底并通過段次簡易壓水試驗檢驗該段洼漿效果。段次壓水試驗結果符合設計要求，即可結束該段次注漿。

5 結語

綜上所述，結合煤礦水害防治的實踐，發(fā)現帷幕截流疏干技術具有良好的應用效果，尤其表現在溶洞及裂隙封堵和隔水這2 個方面。工作人員應該結合技術應用原理與要求，制定煤礦水害防治方案，明確技術應用思路后結合地質和現場施工條件等實施作業(yè)。這樣一方面體現出帷幕截流疏干技術的作用，另一方面也有利于提高水害防治技術的應用水平，經過最后的疏放水試驗，肯定該技術的應用效果。建議在今后煤礦水害防治的各項工作中加以運用，保證煤礦開采的安全性。