高承壓動(dòng)水條件下裂隙型突水封堵技術(shù)研究

劉鈺鑫

（冀中能源股份公司 邢東礦，河北 邢臺(tái) 054001）

1 概 述

我國華北石炭二疊系煤田是我國重要的聚煤區(qū)和產(chǎn)煤基地，煤質(zhì)好，區(qū)位優(yōu)勢(shì)明顯，但水文地質(zhì)條件復(fù)雜，華北石炭二疊紀(jì)煤田基底巖層是中奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖，分布面積較大，煤系內(nèi)有多層灰?guī)r含水層，灰?guī)r巖溶發(fā)育、含水性強(qiáng)，煤系形成后又經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，加劇了灰?guī)r內(nèi)巖溶裂隙的發(fā)育，加強(qiáng)了含水層之間的水力聯(lián)系，煤層開采受巨厚奧灰?guī)r高承壓巖溶裂隙水威脅。

底板突水是威脅我國煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，隨著我國進(jìn)入下組煤的開采以及開采煤層深度的加大，煤礦受奧灰承壓水的威脅越來越嚴(yán)重。煤層開采后，在采動(dòng)應(yīng)力與水壓力共同作用下會(huì)引起底板巖體破壞失穩(wěn)，引發(fā)底板裂隙奧灰突水，逐步成為主要的底板突水形式。發(fā)生底板突水后，首要問題便是對(duì)出水通道的封堵，目前對(duì)出水通道的封堵局限在靜水條件下實(shí)施，急需對(duì)出水通道在動(dòng)水條件下進(jìn)行封堵展開研究。本文以邢東礦2228工作面出水治理為背景，研究高承壓動(dòng)水條件下裂隙型突水封堵技術(shù)。

2 出水水源及通道初步分析

2.1 出水水源分析

礦井工作面發(fā)生出水后，首要任務(wù)便是確定出水水源，明確水源后方可進(jìn)行治理。邢東礦2228工作面出水后根據(jù)取水樣化驗(yàn)結(jié)果及礦井奧灰水文孔水位變化情況，確定出水水源為奧灰水，明確治理層位。

2.2 出水通道初步分析

出水通道為堵水的對(duì)象，因此，出水后應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有資料初步分析出水通道，減小盲目性。2228工作面初始出水位置為工作面采線與運(yùn)料巷交叉口處，該位置揭露SF27 斷層組，巖層較破碎，根據(jù)出水位置及水位降速最大的水文孔與工作面位置關(guān)系，初步分析出水通道為SF27 斷層組及其附近裂隙，在采動(dòng)后地壓和高水壓共同作用下發(fā)生活化，成為出水通道。

3 治理方案制定

3.1 初始方案制定

通過對(duì)出水水源及出水通道的初步分析，結(jié)合出水水壓大、水量大且為動(dòng)水治理的工程條件，初步確定了“堵源為主，巷道截流為輔”的地面治理方案。利用堵源孔探查出水構(gòu)造及奧灰上部巖溶裂隙發(fā)育情況，結(jié)合水量和水文觀測孔水位動(dòng)態(tài)變化情況，分析出水層位，探查出水水源及出水通道，通過注漿對(duì)出水通道進(jìn)行封堵；利用巷道截流孔縮小過水面積，減少井下出水量，同時(shí)防止注漿過程中漿液的大量流失。方案布置了6 個(gè)地面鉆孔，分別為注1、注2、運(yùn)2、運(yùn)4、進(jìn)2 和進(jìn)5，其中運(yùn)2、運(yùn)4、進(jìn)2 和進(jìn)5 為巷道截流孔，注1 和注2孔為堵源孔，如圖1 所示。

3.2 方案的優(yōu)化

根據(jù)工作面出水量的變化情況和鉆孔施工的揭露情況，對(duì)治理方案進(jìn)行優(yōu)化。注2 孔和運(yùn)2 孔為出水治理孔，探查出水層位及出水通道，并進(jìn)行注漿治理；注1 孔為奧灰水位觀測孔；運(yùn)4 孔、進(jìn)2孔和進(jìn)5 孔為區(qū)域探查鉆孔，以2226 工作面、2228 工作面和-980 大巷延伸后開采區(qū)域奧灰含水層進(jìn)行探查治理，降低含水層富水性，實(shí)現(xiàn)安全開采，兼顧外圍截流減水。

當(dāng)出水量降至500 m3/h 后，大的出水通道已被封堵，設(shè)計(jì)施工注3 及其分支孔對(duì)出水通道及附近微小裂隙的注漿封堵。

圖1 注2 孔和運(yùn)2 孔漏失點(diǎn)分布位置示意Fig.1 Distribution of leakage points

4 突水治理工程實(shí)施

4.1 注 2 和運(yùn) 2 孔

方案優(yōu)化后，注2 和運(yùn)2 孔為出水治理孔，探查出水層位及出水通道，并進(jìn)行注漿治理。

（1） 注2 孔。該孔位于工作面采線外58 m，工程量為1 501.1 m，共有4 次漏失，累計(jì)注水泥2 116 t。2018 年 3 月 14 日開鉆，鉆進(jìn)至 1 234 m（奧灰頂下8.9 m） 漏失，漏失量為11 m3/h，注水泥937 t；進(jìn)尺至1 272 m（奧灰頂下42 m） 漏失，漏失量大于50 m3/h，注水泥382 t；進(jìn)尺至1 277 m（奧灰頂下46.7 m） 漏失，漏失量20 m3/h，注水泥513 t；進(jìn)尺至1 337.3 m（奧灰頂下90.8 m） 漏失，漏失量16 m3/h，注水泥83 t。鉆進(jìn)至1 494 m（奧灰頂下167.5 m） 起鉆壓水1 088.1 m3后間歇式注漿，注水泥201 t，5 月28 日16：00 封孔完畢。

（2） 運(yùn)2 孔。該孔位于工作面運(yùn)輸巷，工程量為1 345.36 m，共有4 次漏失，累計(jì)注水泥2 260 t。2018 年3 月5 日開鉆，鉆進(jìn)至1 302.2 m（奧灰頂下6.22 m） 全漏失，漏失量大于30 m3/h，注水泥698 t；鉆進(jìn)至1 307.5 m（奧灰頂下7.93 m） 漏失，漏失量大于60 m3/h，注水泥795 t，在該漏失位置進(jìn)行示蹤試驗(yàn)，投示蹤劑后9 h，井下發(fā)現(xiàn)示蹤劑；鉆進(jìn)至1 317 m（奧灰頂下16.31 m） 漏失，漏失量55 m3/h，注水泥28 t；進(jìn)尺至1 329.76 m（奧灰頂下30 m），壓水190 m3后開始注漿，注水泥259 t；進(jìn)尺至孔深1 338.6 m 處（奧灰頂下29 m） 漏失，漏失量50 m3/h，注水泥47 t。鉆進(jìn)至1 344.46 m（奧灰頂下30 m） 壓水后開始間歇式注漿，注水泥433 t。

通過注2 和運(yùn)2 孔的注漿治理出水量大幅下降，治理效果明顯，通過對(duì)2 孔鉆探施工揭露、漏失和注漿情況進(jìn)行綜合分析，進(jìn)一步判斷出水通道和原因。

（1） 從平面上注2 孔和運(yùn)2 孔在奧灰頂界面附近的主要漏失點(diǎn)分布在SF27 斷層組奧灰頂界面附近；剖面上漏失點(diǎn)在SF27 斷層組附近奧灰頂界面下0～50 m。對(duì)位于SF27 斷層組附近注2 孔和運(yùn)2 孔漏失點(diǎn)進(jìn)行注漿治理，對(duì)出水通道進(jìn)行了封堵，期間出水量大幅減小，說明出水的通道與SF27 斷層組有關(guān)。漏失原因?yàn)镾F27 斷層組附近巖層破碎，裂隙發(fā)育。

（2） 注2 孔鉆探施工過程中自2 煤底板下44 m 開始至奧灰頂界面一直有漏失，漏失量在8～16 m3/h，鉆進(jìn)至奧灰頂界面時(shí)仍有漏失。注2 孔距采空區(qū)較近，由漏失位置可知，采動(dòng)后煤層底板巖石破碎，裂隙發(fā)育，底板破壞深度較大。

（3） 運(yùn) 2 孔在孔深 1 307.5 m（奧灰頂下7.93 m） 發(fā)生漏失，漏失量大于60 m3/h，由于此次漏失量較大，為進(jìn)一步驗(yàn)證該漏失點(diǎn)與出水通道的關(guān)系，利用運(yùn)2 孔進(jìn)行了連通試驗(yàn)，在投入示蹤劑9 h 后，井下發(fā)現(xiàn)示蹤劑，說明漏失點(diǎn)與出水通道連通。

綜上所述，出水通道為SF27 斷層組及其附近裂隙，出水原因是在超高承壓水、斷層密集的情況下，工作面推進(jìn)至見方位置時(shí)，由于受礦壓影響，底板應(yīng)力擾動(dòng)深度加大，在與超高壓水的共同作用下，SF27 斷層組及其附近裂隙活化，形成裂隙型出水通道，導(dǎo)致滯后出水。

4.2 注3 及其分支孔施工過程

注3 主孔。自2018 年5 月6 日開始施工，6月5 日施工至1 318 m 進(jìn)入治理層位，施工層位為奧灰頂面下30～60 m，終孔孔深1 782 m（奧灰頂下56 m），累計(jì)注水泥3 147 t。其中，在孔深1 524 m 漏失（奧灰頂下29 m），漏失量大于64 m3/h，注水泥863 t；在孔深1 602 m（奧灰頂下25 m） 漏失3～5 m3/h，壓水后開始注漿，注水泥159 t；在孔深1 669.81 m（奧灰頂下37 m） 處壓水后開始注漿，注水泥1 807 t；在孔深1 732 m（奧灰頂下54 m），漏失量大于12 m3/h，注水泥78 t；在終孔孔深1 782 m 處，壓水后注水泥241 t。綜合注3 孔各漏失點(diǎn)分析，在孔深1 524 m 和孔深1 669.81 m 處注漿量較大，漏失點(diǎn)均位于SF27 斷層組附近，再次說明SF27 斷層組附近裂隙較為發(fā)育。通過注漿治理水量由591 m3/h 降至320 m3/h。

注3-6 分支孔。該孔自注3 主孔1 473 m 處側(cè)鉆，鉆孔設(shè)計(jì)向運(yùn)2 孔和注2 孔漏失點(diǎn)附近施工。自2018 年8 月29 日開始施工，施工層位為奧灰頂面下40～50 m，終孔孔深1 806.7 m（奧灰頂下50 m），累計(jì)注水泥241 t。其中，在孔深1 486 m 無漏失，壓水后注水泥86 t；在孔深1 546 m 無漏失，壓水后注水泥93 t；在孔深1 636 m 無漏失，壓水后注水泥130 t；在孔深1 709.84 m，漏失量5.2 m3/h，注水泥47 t；在終孔孔深1 806.7 m（奧灰頂下50 m） 處消耗量正常，壓水后注水泥68 t。鉆孔施工過程中最大漏失量5.2 m3/h，位于SF27-2 斷層附近，各點(diǎn)注漿前均進(jìn)行壓水且注漿量均較小，說明通過運(yùn)2 和注2 孔的注漿治理，兩鉆孔附近的出水通道及裂隙已被有效封堵。

注3-7 分支孔。該孔自注3 主孔1 464.02 m 處側(cè)鉆，鉆孔設(shè)計(jì)向運(yùn)2 孔和注2 孔漏失點(diǎn)附近施工。主要目標(biāo)層位為奧灰頂面下30～40 m，終孔孔深1 734.75 m（奧灰頂下52 m），累計(jì)注水泥84 t。其中，在孔深1 632 m（奧灰頂下45 m） 處消耗量正常，壓水后開始注漿，注水泥61 t；在終孔孔深1 734.75 m（奧灰頂下52 m） 處消耗量正常，壓水后開始注漿，注水泥23 t。鉆孔施工過程中均未出現(xiàn)漏失情況，各點(diǎn)注漿前均進(jìn)行壓水且注漿量均較小，說明通過運(yùn)2 和注2 孔的注漿治理，兩鉆孔附近的出水通道及裂隙已被有效封堵。

注3-5 分支孔。該孔自注3 主孔1 444.47 m 處側(cè)鉆，鉆孔設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)2 孔和注2 孔漏失點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，與漏失點(diǎn)距離較近，垂深小于1 m。主要目標(biāo)層位為奧灰頂面下5 ～15 m，終孔孔深1 713.47 m（奧灰頂下4 m），累計(jì)注水泥74 t。其中，在孔深1 632 m（奧灰頂下7 m） 處消耗量正常，壓水后開始注漿，注水泥45 t；在終孔孔深1 713.47 m（奧灰頂下4 m） 處，漏失量0.1 m3/h，壓水后注水泥29 t。鉆孔施工過程中均未出現(xiàn)漏失情況，特別是在運(yùn)2 和注2 孔漏失點(diǎn)處也未發(fā)現(xiàn)漏失，對(duì)注2 孔漏失點(diǎn)處（注3-5 孔深1 632 m） 進(jìn)行壓水且注漿量較小，僅注漿74 t，說明運(yùn)2 和注2 孔附近的出水通道及裂隙已被有效封堵。

注3-4 分支孔。該孔自注3 主孔1 444.42 m 處側(cè)鉆，鉆孔設(shè)計(jì)在注3 孔右側(cè)及工作面外圍區(qū)域。主要目標(biāo)層位為奧灰頂面下20 ～30 m，終孔孔深1 924.37 m（奧灰頂下10 m），累計(jì)注水泥496 t。其中，在孔深1 546 m（奧灰頂下23 m） 處消耗量正常，壓水后開始注漿，注水泥34 t；在孔深1 693 m（奧灰頂下27 m） 處漏失，漏失0.3 m3/h，壓水后開始注漿，注水泥48 t；在孔深1 746 m（奧灰頂下24 m） 處漏失，漏失量大于50 m3/h，抽水后開始注漿，注水泥136 t；在孔深1 824 m（奧灰頂下14 m） 出漏失，漏失量大于50 m3/h，抽水后開始注漿，注水泥197 t；在終孔孔深1 806.7 m（奧灰頂下10 m） 處消耗量正常，壓水后注水泥81 t。鉆孔施工過程中出現(xiàn)2 次漏失量大于50 m3/h，且均位于f2228yl-1、SF27-1 和SF27-2 斷層附近，注漿前均進(jìn)行抽水工作，但注漿量均較小，說明2228 工作面外圍區(qū)域未進(jìn)行采動(dòng)，前期區(qū)域治理已將該區(qū)域斷層附近的裂隙進(jìn)行了注漿治理。

注3-4-5 分支孔。該孔自注3-4 孔1 706.42 m處側(cè)鉆，設(shè)計(jì)對(duì)2228 工作面采空區(qū)下方及外圍進(jìn)行探查治理。主要目標(biāo)層位為奧灰頂面下3～25 m。在終孔孔深1 886.9 m（奧灰頂下3 m） 處消耗量正常，壓水后注水泥47 t。鉆孔施工過程中未出現(xiàn)漏失情況，終孔注漿量小，說明2228 工作面外圍區(qū)域未進(jìn)行采動(dòng)，前期區(qū)域治理已將該區(qū)域斷層附近的裂隙進(jìn)行了注漿治理。

注 3-4-4 分 支 孔 。 該 孔 自 注 3-4 孔 1 463.02 m 處側(cè)鉆，鉆孔設(shè)計(jì)對(duì)注3-6 分支孔與注3 孔之間區(qū)域進(jìn)行探查。主要目標(biāo)層位為奧灰頂面下 35 ～52 m。在終孔孔深 1 719.28 m（奧灰頂下46 m） 處消耗量正常，壓水后注水泥23 t。鉆孔施工過程中未出現(xiàn)漏失情況，說明注3 孔在孔深1 669.81 m 處注漿效果良好，對(duì)其附近斷層的裂隙進(jìn)行了有效封堵。

注3-3 分支孔。該孔自注3 主孔1 470 m 處側(cè)鉆，鉆孔設(shè)計(jì)在注3-4 右側(cè)采空區(qū)下方進(jìn)行探查治理。主要目標(biāo)層位為奧灰頂面下30～40 m。在終孔孔深1 757.32 m（奧灰頂下40 m） 處消耗量正常，壓水后注水泥52 t。鉆孔施工過程中未出現(xiàn)漏失情況，說明前期已對(duì)對(duì)2228 工作面采空區(qū)下方出水通道及裂隙已被有效封堵。

注3-2 分支孔。該孔自注3 主孔1 385.28 m 處側(cè)鉆，鉆孔設(shè)計(jì)在注3-3 右側(cè)采空區(qū)下方及外圍進(jìn)行探查治理。主要目標(biāo)層位為奧灰頂面下25～43 m。終孔孔深1 826.92 m（奧灰頂下43 m），累計(jì)注水泥719 t。其中，在孔深1 508 m（奧灰頂下26 m） 處漏失，漏失量20 m3/ h，抽水后開始注漿，注水泥31 t；在孔深1 632 m（奧灰頂下32 m） 處漏失，漏失8 m3/h，抽水后開始注漿，注水泥125 t；在孔深1 758 m（奧灰頂下34 m） 處漏失，漏失量8.5 m3/ h，抽水后開始注漿，注水泥124 t；在孔深1 773 m（奧灰頂下36 m） 處漏失，漏失量12 m3/h，抽水后開始注漿，注水泥194 t；在孔深1 798.22 m（奧灰頂下38 m） 處漏失，漏失量大于50 m3/h，抽水后開始注漿，注水泥200 t；在終孔孔深1 826.92 m（奧灰頂下42 m） 處消耗量正常，壓水后注水泥43 t。鉆孔施工過程中注漿5 次，注漿量均不大，注漿期間出水量未發(fā)現(xiàn)較大變化，說明前期已對(duì)該區(qū)域裂隙進(jìn)行了有效封堵。

通過注 3-6、注 3-7、注 3-5、注 3-4、注3-4-5、注3-4-4 和注3-2 分支孔的注漿治理出水量已由320 m3/h 降至260 m3/h 左右，且各分支孔注漿量逐漸減小，說明設(shè)計(jì)治理區(qū)域裂隙已被有限封堵。

由于前期運(yùn)2 孔漏失量較大，且注漿期間減水效果明顯，在對(duì)運(yùn)2 孔漏失點(diǎn)外圍進(jìn)行了注漿加固基礎(chǔ)上，利用運(yùn)2 孔重新進(jìn)行施工注3-1 分支孔，通過高壓壓裂手段對(duì)微小裂隙再次進(jìn)行注漿治理，以達(dá)到減水目的。

注3-1 分支孔。該孔在運(yùn)2 孔軌跡基礎(chǔ)上延伸20 m，主要控制目標(biāo)層位為奧灰頂面下27～47 m，對(duì)該孔及其附近微小裂隙進(jìn)行注漿封堵，終孔孔深1 484.75 m（奧灰頂下51.5 m）。施工過程中未出現(xiàn)漏失現(xiàn)象，終孔后進(jìn)行高水壓裂，2019 年5 月20日開始注漿，8 月5 日結(jié)束。由于運(yùn)2 注漿過程中曾發(fā)生跑漿現(xiàn)象，因此，此次注漿采取加注骨料（鋸末、麻、沙子等）、間歇式注漿和加注水玻璃等措施，累計(jì)注水泥6 697 t。

運(yùn)2 孔施工過程中漏失量較大，注漿期間井下出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象，出水量減小明顯，說明運(yùn)2 孔與出水通道相連，通過注漿大的導(dǎo)水通道已被封堵。利用注3-6、注3-7 和注3-5 分支孔對(duì)運(yùn)2 孔漏水點(diǎn)進(jìn)行了立體探查，漏失量和注漿量均較小，說明大的導(dǎo)水通道已被有效封堵。為進(jìn)一步減水，注3-1分支孔在運(yùn)2 孔軌跡基礎(chǔ)上延伸20 m，在通過高水壓裂后，將微小裂隙壓開，通過采用間歇式注漿，有效減小了工作面水量，出水量自260 m3/h將至60 m3/h，減水效果顯著，注漿減水效果明顯。

注3-8 分支孔。該孔自運(yùn)2 主孔1 291 m 處側(cè)鉆，鉆孔設(shè)計(jì)在注3-1 左側(cè)采空區(qū)下方及工作面外圍進(jìn)行探查治理。主要控制目標(biāo)層位為奧灰頂面下32～40 m，重點(diǎn)對(duì)采空區(qū)下方及注2、運(yùn)2 和SF27斷層組進(jìn)行探查治理，鉆孔終孔孔深1 488.3 m，施工過程中消耗量正常。通過高承壓水壓裂技術(shù)，注水泥86 t。鉆孔施工過程中均未達(dá)到注漿條件，通過分析鉆孔周邊注2、運(yùn)2、注3-6、注3-4-4和注3 孔施工層位及注漿情況，再結(jié)合高水壓裂實(shí)驗(yàn)參數(shù)，說明注3-8 孔施工區(qū)域目標(biāo)層位微小裂隙不發(fā)育，注3-1 孔有效對(duì)注3-8 孔目標(biāo)層位微小裂隙進(jìn)行了有效的封堵。

注3-8 分支孔施工過程中未發(fā)生漏失，通過高水壓裂后注漿量小，說明奧灰含水層內(nèi)微小裂隙已被有效封堵，故在運(yùn)2 孔軌跡上方煤系地層設(shè)計(jì)注3-9 分支孔，對(duì)煤系地層出水通道進(jìn)行封堵，進(jìn)一步減小出水量。

注3-9 分支孔。該孔自運(yùn)2 主孔1 070 m 處側(cè)鉆，鉆孔設(shè)計(jì)在注3-1 孔上方煤系地層內(nèi)。在煤系地層對(duì)工作面下覆伏青、大青及SF27 斷層組進(jìn)行探查治理，自2019 年9 月11 日開始注漿至10 月29 日結(jié)束，累計(jì)注水泥1 283 t。其中，在孔深1 272.17 m（大青灰?guī)r頂上6 m） 處漏失，漏失量大于46 m3/h，觀測水位穩(wěn)定后開始注漿，注水泥374 t；在孔深1 288.18 m（大青灰?guī)r頂上3.92 m） 處漏失，最大漏失17 m3/h，觀測水位穩(wěn)定后開始注漿，注水泥647 t；在終孔1 409.25 m，施工過程中消耗量正常，通過高承壓水壓裂技術(shù)，注水泥262 t。

注3-9 孔在大青灰?guī)r頂板靠近SF27 斷層組附近漏失量較大，在對(duì)漏失點(diǎn)注漿過程中，采用間歇式和大比重方式進(jìn)行注漿，兩漏失共計(jì)注漿1 021 t，有效對(duì)煤系地層SF27 斷層組附近裂隙進(jìn)行了封堵，水量由60 m3/h 減少到17.7 m3/h，注漿減水效果明顯。

5 結(jié) 語

整個(gè)注漿治理過程總體分為3 步，第1 步利用注2 孔和運(yùn)2 孔查明出水通道，并對(duì)出水通道進(jìn)行注漿封堵；第2 步設(shè)計(jì)注3 及其分支孔對(duì)出水通道附近微小裂隙進(jìn)行注漿封堵；第3 步當(dāng)奧灰含水層內(nèi)出水通道被徹底封堵后，設(shè)計(jì)施工煤系地層分支孔，對(duì)煤系地層內(nèi)出水通道進(jìn)行立體封堵。通過治理工程的實(shí)施成功查明出水水源、通道和原因，并對(duì)動(dòng)水條件下裂隙型出水通道進(jìn)行了徹底封堵，治理效果良好。