應用地面水平分支孔注漿技術超前治理灰?guī)r突水綜合效果分析

賈華峰

（安徽省煤田地質局第三勘探隊，安徽宿州234000）

1 治理區(qū)域概況

1.1 治理區(qū)地質概況

東一A 組煤采區(qū)（東翼）位于陶王背斜東部轉折端，地質構造復雜，斷層發(fā)育，煤層受斷層切割破壞嚴重。在斷層附近煤層結構和厚度變化有異?，F(xiàn)象。根據(jù)11223、11123、東一A組煤膠帶機巷實際揭露及附近鉆孔資料綜合分析，該范圍內(nèi)3煤存在異常增厚。根據(jù)歷次地質勘探和采掘巷道實見資料綜合分析，本采區(qū)內(nèi)共發(fā)現(xiàn)斷層156 條，其中落差大于20m 共有2 條，落差10～20m共有3條，落差小于10m共有151條。東一A 組采區(qū)3 煤厚1.6～13.8m，平均5.3m，為穩(wěn)定煤層；1煤厚0.8～9.1m，平均3.7m，為較穩(wěn)定煤層；傾角2°～22°，平均12°。3 煤層直接頂板為泥巖或砂質泥巖，老頂為中細砂巖；臨近西二采區(qū)上山直接頂變?yōu)橹屑毶皫r。1煤層與3煤層之間為泥質夾層，較松軟破碎。

1.2 區(qū)域水文概況

本區(qū)開采主要充水水源為3 煤層頂板砂巖水和1煤底板灰?guī)r水，中間被A 煤底板隔水層隔開。井田內(nèi)煤系砂巖富水性差，表現(xiàn)出以儲存量消耗的弱含水層特征。3煤底板至C31灰?guī)r間巖性主要為1煤、泥巖、砂泥巖互層，夾薄層粉砂巖及細砂巖，是3煤層開采底板隔水層，該隔水層厚14.21～32.2m，平均厚為21.18m。因C31、C32層灰?guī)r不含水，自 C31灰?guī)r頂至 C33上頂層段可作為相對隔水層看待，則3煤底板至C33上灰?guī)r頂?shù)膶娱g隔水層平均厚33.15m。

太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層（組）可分為C3Ⅰ組、C3Ⅱ組、C3Ⅲ組。根據(jù)抽水試驗資料，C3Ⅰ組灰?guī)r單位涌水量q=0.000009～0.0187L/(s·m)，滲透系數(shù)K=0.000021～0.07m/d，富水性弱，導水性差，靜水位標高為+0.495（構8孔，具體時間不詳）～-238.73m（Ⅴ東C3Ⅰ孔，2011-1）。C3Ⅱ組灰?guī)r單位涌水量q=0.000263～0.0013L/(s·m)，滲透系數(shù)K=0.000832～0.012m/d，富水性弱，導水性差；靜水位標高為-83.47（Ⅵ西C3Ⅱ，2011-10）～-140.03m（Ⅴ東C3Ⅱ，2011-1）。C3Ⅲ組灰?guī)r單位涌水量q=0.000083～0.00059L/(s·m)，滲透系數(shù)K=0.00279～0.0031m/d，富水性弱，導水性差，靜水位標高為-51.6（Ⅵ西C3Ⅲ，2011-7）～-65.19m（Ⅴ東C3Ⅲ，2011-1）。

井田奧灰富水性不均一，根據(jù)抽水試驗資料，單位涌水量q=0.0055～0.005509L/(s·m)，滲透系數(shù)K=0.0024～0.0042m/d，富水性弱，導水性差。背斜軸部富水性較強，單位涌水量q=0.2～1.283L/(s·m)，滲透系數(shù)K=0.0526～0.967m/d，富水性中等—強，導水性中等。靜水位標高為-10.35（Ⅵ西 O2，2011-6）～-22.046m（水二1，1989-8）。

1.3 治理范圍和治理層位概況

本次探查治理范圍為：東起11313 運輸順槽外擴30m，西至11313 軌道順槽外擴40m，南起工作面切眼外擴30m；北至F10斷層與C39灰?guī)r交面線外擴30m，治理平面面積137538m2。治理區(qū)九灰底板距1 煤底板80m，灰?guī)r厚度0.55～3.29m，平均厚度1.69m，治理區(qū)九灰底板奧灰水壓4.74～5.34MPa，突水系數(shù)為0.059 ～0.067MPa/m，九灰距離奧灰較近，富水性弱，綜合考慮，探查層位選擇九灰。

2 治理效果分析與評價

2.1 工程設計分析

針對待治理區(qū)水文地質條件，A 組煤開采的治水方針以探查垂向導水通道為主，S1 孔組采用地面定向井布置1個主孔和7個水平分支孔方式近水平鉆孔，以1煤底板80m左右地層為主要探查層位，主要沿9灰順層鉆進探查治理，揭露可能存在的垂向導水通道并注漿充填加固，有效阻隔深部灰?guī)r水進入工作面發(fā)生涌水。在鉆孔揭露目標層溶隙、裂隙帶的條件下，通過分段、分序次連續(xù)高壓注漿對裂隙進行封堵，達到有效充填加固灰?guī)r含水層及垂向導水通道的目的，封堵目標層以下太灰及奧灰含水層水涌入礦井的通道，進而最大限度加固消除礦井發(fā)生災變性水害的導水通道，保障礦井安全生產(chǎn)。

2.2 鉆探探查分析

（1）地質構造。S1 孔組各鉆孔對F10斷層進行探查，根據(jù)各分支鉆孔施工過程中漏失點情況分析：F10斷層上盤，漏失點距離斷層面最大水平距離為77.27m；F10斷層下盤，漏失點距離斷層面最大水平距離為29.79m，由此推測F10斷層上盤破碎帶寬度達到77.27m，下盤破碎帶寬度達到29.79m。

（2）鉆井液漏失。S1 孔組各分支鉆孔施工過程中共計發(fā)生鉆井液漏失4 次，累計漏失量1.2～2.4m3/h，各漏失點位置均靠近F10斷層，屬于F10斷層次生裂隙影響。F10斷層裂隙帶影響范圍外的探查區(qū)域均未發(fā)現(xiàn)鉆井液漏失情況，推測11313工作面底板灰?guī)r探查區(qū)域內(nèi)9灰?guī)r溶裂隙不甚發(fā)育。

（3）水位觀測。S1 孔組各鉆孔注漿壓水前進行水位觀測，相對穩(wěn)定水位范圍為-67.2～-79.3m。11313 工作面內(nèi)部無奧灰含水層觀測鉆孔，根據(jù)潘二礦提供水位動態(tài)記錄，工作面周邊水二1（2020-8）、VIO（22020-8）、Ⅵ西O（22020-8）奧水水文標高分別為-49.46m、-35.83m、-37.31m，奧灰水位范圍在-35.83～-49.46m，綜上可見S1 孔組各鉆孔探查過程中，探查區(qū)域未發(fā)現(xiàn)與奧灰含水層之間存在水力聯(lián)系的通道，未發(fā)現(xiàn)太灰與奧灰含水層間的垂向導水通道。

（4）壓水試驗。根據(jù)S1孔組各鉆孔壓水試驗結果可知，吸水率范圍為0.00023～0.0016L/(min·m·m)，吸水率均小于0.01L/(min·m·m)，表明S1 孔組探查區(qū)域內(nèi)C39灰?guī)r巖溶裂隙不甚發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)隱伏陷落柱或垂向導水通道等地質異常體。

（5）鉆孔軌跡與地質錄井綜合分析。S1 孔組各鉆孔三開水平段揭露巖性的主要是淺灰色灰?guī)r、深灰色泥巖及灰色砂質泥巖，根據(jù)鉆進過程中鉆時錄井、巖屑錄井等綜合資料判斷，揭露地層是太原組C39灰?guī)r及其頂?shù)装?。目的層位太原組C39灰?guī)r，厚度0.55～3.29m，平均厚度1m，厚度小，賦存不穩(wěn)定，褶皺及斷層構造較多，順層難度較大，采取跟層、跟深鉆進（1 煤底板下不小于80m）相結合施工，有效控制鉆孔軌跡。

（6）隨鉆伽馬測井。S1孔組各鉆孔施工過程中，采用隨鉆伽馬測井技術，結合現(xiàn)場地質錄井情況分析，C39灰?guī)r厚度小，賦存不穩(wěn)定，褶皺及斷層構造較多。S1孔組各鉆孔揭露灰?guī)r伽馬值范圍為20.6～99.7API。當伽馬幅值在20.6～99.7API 范圍內(nèi)時，地層巖性為灰?guī)r，當伽馬幅幅值超過99.7API時，鉆頭遠離灰?guī)r。

2.3 綜合注漿分析

（1）單位注漿量。通過對所有注漿孔單位注漿量統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，平均單位注漿量為1.83t/m，最大單位注漿量4.12t/m（S1-3鉆孔第二段），最小單位注漿量0.63t/m（S1-3鉆孔第一段、S1-7鉆孔）。

所有注漿孔單位注漿量最大的前三位分別是S1-3 鉆孔第二段（4.12t/m）、S1-4 孔第三段（3.26t/m）和S1-1 鉆孔第二段（3.11t/m），后三位分別是是S1-7 鉆孔終孔（0.63t/m）、S1-3 鉆第一段（0.63t/m）、S1-4 孔第一段（1.00t/m），單位注漿量懸殊較大。最大注漿量是最小注漿量的6.5 倍，去除最大最小值后為3.26 倍。小于1.0t/m 有 2 個注漿段，1.0～3.0t/m 有 7 個注漿段，3.0t/m以上有3個注漿段，總體反映探查區(qū)域內(nèi)裂隙不發(fā)育。

（2）注漿壓力對注漿效果的影響。通過對東一采區(qū)（東翼）注漿壓力分析發(fā)現(xiàn)，隨著注漿壓力的變化，可以分為三個階段。

第一階段，0～4.0MPa，注漿充填階段。在此階段，漿液主要對灰?guī)r地層中的天然裂隙（斷層、破碎帶）進行充填。一般而言初始注漿壓力低于4.0MPa的鉆孔，總注漿量普遍較大，如S1-3 分支孔第二段，初始壓力2.0MPa，注漿量2001.33t；S1-1分支孔第二段，初始壓力0MPa，注漿量1342.42t；S1-4主孔第三段，初始壓力4.0MPa，注漿量1048.73t。

表1 S1孔組各鉆孔單位注漿量統(tǒng)計表

第二階段，4.0～8.0MPa，壓實擴散裂隙階段。在該階段，隨著壓力的不斷提升，漿液不斷壓實斷層、破碎帶裂隙中的充填物，填充空間，并且擴散距離逐漸增大。該階段也是主要注漿階段，但由于壓力不大，在裂隙不發(fā)育情況下，注漿量可能不大。

第三階段，8.0MPa 以上，劈裂擴展及填實裂隙階段。隨著壓力的持續(xù)上升，灰?guī)r地層薄弱部位的應力與抗拉強度被克服，發(fā)生劈裂形成充填裂縫，原先微小裂隙也不斷被擴展變大，隨著漿液的填充，灰?guī)r地層被進一步加固，此為注漿的主要階段，持續(xù)時間較長，注漿半徑增大，漿液擴散較遠，因而消耗的水泥量最多。S1孔組注漿量主要集中在高壓注漿階段。孔組最后一個分支孔進行高比重（1.65g/cm3）注漿封孔，以封堵填實鉆孔內(nèi)所有空間為目的，其他鉆孔注漿達到結束標準后則改用清水壓水，將水泥漿液盡可能擠壓至二開套管口附近，此時三開裸孔段也進一步得到了填實，達到了底板注漿改造的效果。鉆孔設計注漿壓力如表2所示。

3 效果評價

3.1 質量效果評價

（1）S1 孔組各鉆孔以1 煤底板80m 左右地層為主要探查層位，主要沿9灰順層鉆進探查治理，探查治理區(qū)域內(nèi)C39灰?guī)r裂隙不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)隱伏陷落柱或導水通道等地質異常體，未發(fā)現(xiàn)太原組灰?guī)r與奧灰含水層之間存在水力聯(lián)系的通道。

（2）通過高壓注漿治理，S1孔組探查治理區(qū)域內(nèi)的斷層及其破碎帶、灰?guī)r裂隙已被水泥充填加固，隔絕了奧灰水和工作面的水力聯(lián)系，增加了安全隔水層厚度，達到了注漿結束標準，完成了既定的探查、治理目標，注漿效果良好，安全隱患大大降低。

3.2 奧灰?guī)洪_采評價

（1）煤層與含水層間距。11313工作面A組煤的煤層結構簡單，賦存較穩(wěn)定，其中3煤厚1.6～13.8m，平均5.3m；3煤與下伏1煤層間距平均為1.5m，夾矸為泥巖，1 煤厚0.8～9.1m，平均3.7m，直接底板為平均4.5m 厚的砂質泥巖或粉砂巖。1煤底距C3Ⅰ組灰?guī)r頂（C31頂）平均距離約為15m，距C3Ⅱ組灰?guī)r頂（C35頂）平均距離約為60m，距C3Ⅲ組灰?guī)r頂（C39頂）平均距離約為80m，距奧灰含水層頂面平均距離約為150m。

（2）奧灰水害危險程度分析。突水系數(shù)即單位隔水層厚度所承受的水壓，而臨界突水系數(shù)則為單位隔水層厚度所能承受的最大水壓。用突水系數(shù)法預測煤層底板突水，能反映底板突水因素的綜合作用。主要影響因素有水壓和隔水層厚度，其數(shù)學表達式如下：

表2 鉆孔設計注漿壓力表

式中：T——突水系數(shù)，MPa/m；

P——底板隔水層承受的實際水頭值，MPa；

M——底板有效隔水層厚度，m。

①隔水層厚度：底板探查治理加固定向孔布置于1煤底板80～82m 左右，3 煤底板85～87m，根據(jù)以往注漿經(jīng)驗，注漿擴散半徑為25m，注漿擴散半徑范圍內(nèi)以及上部巖層可視為相對隔水層，隔水層厚度為110～112m，平均厚度為111m。

②底板隔水層承受的水壓：由于工作面內(nèi)部無奧灰含水層觀測鉆孔，據(jù)周邊水二1、VIO2、Ⅵ西O2奧水水位標高分別-49.46m、-35.83m、-37.31m，取最高水位為-35.83m。11313 工作面底板標高平均為-540m，有效隔水層底界面標高為-652～-650m，則底板隔水層承受的平均水壓為5.04MPa。

③奧灰水害危險程度分析：由于工作面底板的斷層、垂向導水構造裂隙等已通過注水泥漿液充填加固，即已將受構造破壞塊段改造成了正常塊段。根據(jù)突水系數(shù)公式計算，11313 工作面突水系數(shù)為5.04÷111=0.045(MPa/m)，小于正常塊段的突水系數(shù)0.1MPa/m。根據(jù)《煤礦防治水細則》相關要求，11313工作面達到安全回采級別。

4 結論及建議

11313 工作面底板灰?guī)r水害地面區(qū)域探查治理工程在收集治理區(qū)地質及水文地質條件、充水條件資料的基礎上，結合實際施工情況，并對施工過程中探查、治理效果以及經(jīng)濟效益進行了分析評價，得到以下結論：

（1）采用地面水平定向鉆探技術，以探查A組煤底板80m 左右的九灰地層中垂直導水構造為主要目的，主要沿9灰順層鉆進探查治理。經(jīng)探查，探查治理區(qū)域內(nèi)C39灰?guī)r巖溶裂隙不甚發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)隱伏陷落柱或垂向導水通道等地質異常體，未發(fā)現(xiàn)C39灰?guī)r及以上地層與奧灰含水層之間存在水力聯(lián)系的通道，通過高壓注漿治理，對揭露的F10斷層及其破碎帶、灰?guī)r裂隙進行了水泥充填加固，完成了本次探查治理工程的任務目標。

（2）依據(jù)定向水平分支孔鉆探軌跡、地質錄井、壓水試驗和注漿單孔結束標準等綜合分析，認為此次底板灰?guī)r水害地面區(qū)域探查治理工程效果良好，切斷了治理區(qū)A 組煤與奧灰含水層之間的水力聯(lián)系，完成了裂隙導水通道探查與治理的目標。

（3）治理后的11313工作面（剩余段）底板奧灰突水系數(shù)為0.045MPa/m，均小于正常塊段突水系數(shù)0.1MPa/m，達到安全回采要求，可以進行奧灰?guī)洪_采。

（4）此次地面區(qū)域超前探查治理工程首次在東一采區(qū)(東翼)采用地面定向水平分支孔進行奧灰垂直導水通道探查治理并取得成功，11313工作面可以進行奧灰含水層帶壓開采，為礦區(qū)類似水文地質條件奧灰水害快速治理提供了可借鑒的成熟經(jīng)驗。