注漿改造頂- 底板灰?guī)r含水層技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐研究

賀敬平， 周景凱， 劉培躍

(山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司邱集煤礦， 山東 德州 251105)

1 前言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001—2015年，我國(guó)共發(fā)生煤礦水害事故1 162起，占煤礦事故的3.3%。近年，淺部煤炭資源逐漸枯竭，國(guó)內(nèi)許多礦井轉(zhuǎn)入深部或下組煤的開采。深部開采面臨著水文地質(zhì)更復(fù)雜[1-7]。

華北地區(qū)石炭- 二疊系煤層在世界晚古生代煤田中礦井水文地質(zhì)條件最為復(fù)雜，均受巖溶水威脅，防治水難度大[8]。華北型煤田部分礦區(qū)賦存薄層灰?guī)r含水層，奧灰與徐灰的間距小或存在變薄帶、構(gòu)造破碎帶、導(dǎo)水裂隙帶，致使二者之間水力聯(lián)系密切，并且部分井田內(nèi)孤立水流和優(yōu)勢(shì)流同時(shí)并存[9-11]。多因素綜合影響造成了華北型煤田水害防治和安全開采成為世界性的難題。

國(guó)內(nèi)底板灰?guī)r承壓水治理方法主要有井下斜孔探查和治理，井下定向鉆進(jìn)技術(shù)超前探測(cè)和注漿，但此法不足在于井下空間受限，施工工程量大，安全系數(shù)相對(duì)低。地面水平鉆治理底板薄層灰?guī)r技術(shù)[12-15]，是目前工作面底板注漿改造中的新技術(shù)，該技術(shù)解決了受底板薄層灰?guī)r水威脅的礦層開采，但對(duì)于受頂、底板雙重灰?guī)r含水層水害威脅的礦層，并未給出最佳方案。

華北型煤田山東黃河北煤田的11煤，頂板受四五灰水威脅，底板受徐灰、奧灰承壓水威脅，且頂?shù)装搴畬铀β?lián)系密切，是典型的受頂、底板雙重灰?guī)r含水層水害威脅的煤層。由于頂板水與奧灰有水力聯(lián)系，難以疏干，疏排水費(fèi)用高、浪費(fèi)地下水資源且經(jīng)濟(jì)上不合理，造成資源呆滯。鑒于此，在分析治理方法的基礎(chǔ)上，提出了雙層多分支順層鉆孔注漿方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)頂?shù)装寤規(guī)r含水層的治理。

2 雙層多分支順層鉆孔注漿方法

2.1 方法

該方法是一種雙層多分支順層鉆孔對(duì)頂?shù)装寤規(guī)r含水層進(jìn)行注漿改造的技術(shù)，通過(guò)對(duì)目標(biāo)含水層探查和治理，實(shí)現(xiàn)煤層的安全開采。該方法利用同一個(gè)鉆孔，采用地面定向鉆探技術(shù)[16-17]對(duì)頂?shù)装寤規(guī)r含水層進(jìn)行探查，采用高壓注漿方式將頂板改造成弱含水或不含水巖層、底板改造成隔水層。該方法可分為鉆探和注漿兩個(gè)方面，也可分為頂板治理和底板治理部分，工藝流程如圖1所示。

圖1 施工工藝流程圖

2.2 雙層多分支順層鉆孔

雙層多分支順層鉆孔設(shè)計(jì)，包括層位選擇、鉆孔結(jié)構(gòu)、施工工藝等部分。

2.2.1 鉆探設(shè)計(jì)

綜合考慮治理層位、煤層展布規(guī)律、地質(zhì)構(gòu)造、鉆探施工效能等因素，本著鉆孔布置合理的原則，依據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)定向水平鉆孔，平面示意圖如圖2所示。扇形鉆孔呈“線網(wǎng)狀”揭露巖層含水溶隙、裂隙等導(dǎo)水通道。鉆孔順被加固巖層鉆進(jìn)，沿鉆孔軌跡分段揭露灰?guī)r裂隙。

圖2 定向水平鉆孔平面布置示意

2.2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

(1)開直孔段，0～300 m，孔徑φ311 mm，下入φ244.5 mm×8.94 mm孔口管，至基巖層段，隔離第四系、新近系表土地層。

(2)開定向?qū)倍?，進(jìn)入設(shè)計(jì)巖層，300～550 m，孔徑φ216 mm，下入φ177.8 mm×8.05 mm套管。

(3)開定向順層段，順層鉆進(jìn)200～800 m。各分支鉆孔均在目的層位內(nèi)定向鉆進(jìn)，孔徑φ152 mm。鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鉆孔設(shè)計(jì)剖面示意圖

2.2.3 施工工藝

1)鉆孔立孔段

鉆孔造斜：當(dāng)鉆孔到達(dá)第四系地層中時(shí)施工造斜段，當(dāng)造斜段進(jìn)入基巖10～15 m后下一級(jí)套管，并固管。

2)施工底板鉆孔

(1)施工底板主孔：施工出造斜段后，通過(guò)無(wú)磁鉆具施工底板主孔，施工至堅(jiān)硬巖層下二級(jí)套管。

先施工底板主孔進(jìn)入底板灰?guī)r，進(jìn)入底板灰?guī)r含水層后，沿含水層順層向前施工若干米，對(duì)鉆孔內(nèi)的漏失段采用高壓注入注漿材料的方式進(jìn)行改造，直至設(shè)計(jì)孔深，使底板形成隔水層。

(2)施工底板分支孔：在底板主孔孔道的設(shè)計(jì)位置，調(diào)整方位施工新的底板分支孔，對(duì)鉆孔內(nèi)的漏失段采用高壓注入注漿材料的方式進(jìn)行改造，直至設(shè)計(jì)孔深，將底板含水層中的水?dāng)D出。

3)施工頂板鉆孔

(1)施工頂板主孔：底板分支孔施工完成后，在造斜段通過(guò)無(wú)磁鉆桿調(diào)節(jié)方位在設(shè)計(jì)位置進(jìn)行頂板主孔的施工，施工進(jìn)入頂板灰?guī)r含水層后，沿頂板灰?guī)r含水層順層繼續(xù)向前施工若干米，沿頂板灰?guī)r含水層順層向前施工過(guò)程中，對(duì)鉆孔內(nèi)的漏失段采用高壓注入注漿材料的方式進(jìn)行改造直至設(shè)計(jì)孔深，使頂板形成隔水層或弱含水層。

(2)施工頂板分支孔：頂板主孔施工完成后，在頂板主孔的孔道設(shè)計(jì)位置通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)磁鉆桿的彎度調(diào)整方位側(cè)出新的頂板分支孔。

2.3 雙層多分支順層鉆孔注漿

在漿液流動(dòng)過(guò)程中，漿液壓力會(huì)導(dǎo)致巖體產(chǎn)生變形，而巖體的變形又會(huì)影響漿液擴(kuò)散距離以及最終的注漿封堵效果。采用COMSOL Multiphysics進(jìn)行數(shù)值模擬，研究煤層底板灰?guī)r順層注漿參數(shù)及漿液有效擴(kuò)散半徑。

2.3.1 采用COMSOL Multiphysics進(jìn)行注漿終壓與漿液擴(kuò)展范圍的模擬

1)數(shù)值計(jì)算模型

根據(jù)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，建立數(shù)值概化模型，模擬不同注漿壓力下漿液擴(kuò)散范圍，設(shè)計(jì)垂向剖面上的數(shù)值計(jì)算模型，具體如圖4所示。

圖4 注漿模型及網(wǎng)格劃分示意圖

根據(jù)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，建立數(shù)值概化模型，模擬不同注漿壓力下漿液擴(kuò)散范圍，模型尺寸300 m×150 m，注漿孔φ152 mm。參考區(qū)域地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果和模擬埋深，模型上邊界10 MPa荷載，左邊界9 MPa荷載，模型上下為隔水邊界，注漿孔定義為恒水壓邊界并考慮巖體自重。根據(jù)目標(biāo)含水層水文地質(zhì)特征，模擬4 MPa、8 MPa、10 MPa和12 MPa下裂隙漿液的擴(kuò)散過(guò)程，結(jié)果如圖5所示，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 不同注漿壓力下漿液擴(kuò)散范圍

表1 相關(guān)材料參數(shù)

2)計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)于二維數(shù)值模型，不同注漿壓力下，漿液的擴(kuò)散規(guī)律，黑線為漿液2 mm/s流速等值線圖，取2 mm/s流速等值線與注漿孔的距離為漿液擴(kuò)散半徑。

模擬結(jié)果表明，當(dāng)注漿壓力為4 MPa時(shí)，主要充填含水層的天然裂隙，注漿段局部向灰?guī)r頂板擴(kuò)散，漿液擴(kuò)散半徑約13 m。

當(dāng)注漿壓力升至8 MPa時(shí)，漿液擴(kuò)散范圍逐漸增大，軟弱結(jié)構(gòu)面開始擴(kuò)張，漿液擴(kuò)散半徑約35 m。

當(dāng)注漿壓力升至10 MPa時(shí)，含水層被進(jìn)一步加固，漿液擴(kuò)散半徑約40 m。

當(dāng)注漿壓力升至12 MPa時(shí)，原生已被封堵，含水層被較好地加固，漿液擴(kuò)散半徑約60 m。

研究表明，注漿壓力為靜水壓力的2.0～2.5倍時(shí)，原生裂隙及壓裂形成的裂縫被漿液填充密實(shí)，擴(kuò)散半徑為40～60 m。隨注漿壓力的增加，裂隙充填得密實(shí)程度增加，但漿液擴(kuò)散半徑增長(zhǎng)幅度較小。因此，最終注漿壓力設(shè)為靜水壓力的2.0～2.5倍。分支孔間距應(yīng)小于2倍擴(kuò)散半徑，綜合考慮鉆孔高效利用和經(jīng)濟(jì)合理性，孔間距設(shè)計(jì)為60～80 m。

2.3.2 注漿終壓注漿量標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)試驗(yàn)段位于地下水位以下，透水率在10Lu以下，滲透系數(shù)為

式中：K——地層滲透系數(shù)，m/d；

Q——壓水流量，m3/d；

H——試驗(yàn)壓力，以水頭表示，m；

L——試驗(yàn)段長(zhǎng)度，m；

r——鉆孔半徑，m。

3 工程案例

3.1 礦井水文地質(zhì)特征

邱集煤礦位于德州市齊河縣，是黃河北煤田第一對(duì)試驗(yàn)型礦井。礦井采用立井開拓，中央并列式通風(fēng)，可采煤層為7、10、11、13煤層。下組煤(11、13煤層)總儲(chǔ)量近2億t，占礦井資源量的87%。

井田內(nèi)的含水層自上而下主要是太原組一灰、二灰、三灰、四五灰、徐灰和奧陶系灰?guī)r。其中一灰、二灰、三灰已基本疏干，對(duì)11、13煤層的開采沒(méi)有影響。四五灰為11煤直接充水含水層，徐灰為間接充水含水層，奧灰是四五灰、徐灰的直接充水含水層。經(jīng)多次放水試驗(yàn)查明四五灰、徐灰與徐奧灰之間存在廣區(qū)域、多點(diǎn)式的垂向補(bǔ)給通道，水力聯(lián)系密切，因此11、13煤層同時(shí)受頂板四五灰、底板徐灰和奧灰含水層的威脅，水文地質(zhì)條件為復(fù)雜型，具體柱狀如圖6所示。

圖6 礦井主要煤巖層柱狀圖

3.2 11、13煤開采水害危險(xiǎn)性分析

(1)四五灰含水層。四五灰為11煤層的直接頂板，巖溶裂隙發(fā)育，鉆孔最大涌水量為300 m3/h；四五灰間夾薄層泥巖，厚度約1.42 m，故可視四五灰為一個(gè)含水層。根據(jù)瞬變電磁探查結(jié)果(圖7)，可知頂板富水性呈現(xiàn)局部聚集，區(qū)域連通的特點(diǎn)。四五灰含水層對(duì)11、13煤層的開采威脅較大，采前必須對(duì)四五灰含水層進(jìn)行治理。

(2)徐灰含水層。上距11煤層30.62～39.14 m，平均35.40 m，與奧灰相距5.67～17.99 m，平均11.74 m，是開采11、13煤層的間接充水含水層，巖溶裂隙發(fā)育，鉆孔最大涌水量200 m3/h。-447 m水平首采區(qū)徐灰突水系數(shù)為0.11～0.15，對(duì)11、13煤層開采有較大影響。由圖8可知，徐灰富水性強(qiáng)，部分富水區(qū)與頂板四五灰重合，可能水力聯(lián)系密切。

圖8 徐灰富水狀態(tài)分布

(3)奧灰含水層。具有多段多層的巖溶含水層，且各段各層的富水性并不一致[18]，-447 m水平奧灰突水系數(shù)為0.06～0.12，部分區(qū)域?qū)γ簩娱_采影響較大。探查結(jié)果可知(圖9)，奧灰含水層水量比較豐富。

圖9 奧灰富水狀態(tài)分布(頂板下10 m)

通過(guò)上述分析，結(jié)合主要含水層水文地質(zhì)參數(shù)，見(jiàn)表2，可知11、13煤層是一種典型的同時(shí)受頂板四五灰、底板徐灰和奧灰含水層威脅的下組煤。

表2 主要含水層水文地質(zhì)參數(shù)

3.3 頂- 底板灰?guī)r含水層方法

1)鉆探工程

結(jié)合礦井水文地質(zhì)特征和巖層賦存條件，注漿改造的目標(biāo)層位為頂板四五灰、底板徐灰。頂板四五灰改造成弱含水或不含水巖層，底板徐灰改造成隔水層。

鉆孔單元由一個(gè)主孔和2～6個(gè)呈“扇形”交錯(cuò)排列的近水平順層分支孔組成。每個(gè)鉆孔需要在孔深約340～550 m處進(jìn)入底板徐灰或者頂板四五灰地層，順目標(biāo)層位在灰?guī)r內(nèi)近水平鉆進(jìn)200～800 m。頂?shù)装邈@孔設(shè)計(jì)平面如圖10所示。

圖10 頂?shù)装邈@孔設(shè)計(jì)平面圖

鉆探施工采用定向水平鉆孔技術(shù)，主要技術(shù)包括無(wú)線隨鉆定向鉆進(jìn)技術(shù)、柔性鉆桿水平孔鉆進(jìn)技術(shù)、特殊泥漿沖洗液循環(huán)技術(shù)等[19]，設(shè)備構(gòu)成如圖11所示。

圖11 定向鉆探無(wú)線儀器設(shè)備構(gòu)成

2)注漿過(guò)程

注漿采用分段下行式注漿法。目標(biāo)地層是徐灰和四五灰?guī)r層，鉆探中若有涌水情況，需進(jìn)行注漿；水平段以漏失量、分段注漿為標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)注漿情況采用連續(xù)與間歇相結(jié)合。

注漿壓力直接影響到漿液的擴(kuò)散距離與有效的充填范圍。綜合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算兩項(xiàng)成果，確定治理目的層主要參數(shù)[20-21]，治理參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 目的含水層治理參數(shù)

3.4 治理效果

截至2019年，11煤層首采區(qū)首個(gè)治理區(qū)域治理區(qū)域內(nèi)共施工了19個(gè)主孔和95個(gè)分支孔，累計(jì)進(jìn)尺6.41萬(wàn)m，累計(jì)注漿量35.3萬(wàn)t，鉆孔施工如圖12所示。

圖12 頂?shù)装邈@孔施工圖

音頻電透視和瞬變電磁探查發(fā)現(xiàn)，頂?shù)装寤液畬拥母凰惓^(qū)基本消失；治理后頂板四五灰滲透系數(shù)降為0.010 4 m/d，底板徐灰平均滲透系數(shù)為0.010 38 m/d。

注漿后四五灰含水裂隙和水泥的結(jié)石體，裂隙最大寬度達(dá)5 cm，最大注漿體厚度>20 cm；地面鉆探驗(yàn)證鉆孔徐灰結(jié)石體，具體如圖13所示。

圖13 地面驗(yàn)證立孔徐灰?guī)r芯水泥結(jié)石體

2018年，試采工作面頂?shù)装逅χ卫硇Ч胺乐嗡踩栽u(píng)價(jià)通過(guò)評(píng)審，后試采工作面進(jìn)行安全開采。當(dāng)前，首采工作面已經(jīng)推采450 m，累計(jì)產(chǎn)出11煤近50萬(wàn)t，經(jīng)濟(jì)收入近3億元，經(jīng)濟(jì)效益明顯，破解受頂?shù)装咫p重灰?guī)r威脅的下組煤開采世界性難題，為我國(guó)黃河北煤田類似礦井水害的治理提供了科學(xué)的指導(dǎo)。

4 結(jié)論

本文以山東黃河北煤田邱集煤礦受頂- 底板灰?guī)r含水層水害威脅的煤層為工程背景，利用雙層多分支順層鉆孔注漿改造頂- 底板灰?guī)r含水層方法為基礎(chǔ)，確定施工方案和關(guān)鍵參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，主要結(jié)論如下：

(1)針對(duì)黃河北煤田受頂- 底板灰?guī)r含水層水害威脅下組煤水文地質(zhì)條件，經(jīng)過(guò)分析總結(jié)、探索，提出了一種雙層多分支順層鉆孔注漿改造頂- 底板灰?guī)r含水層方法，實(shí)現(xiàn)了頂- 底板灰?guī)r含水層的治理，破解受頂?shù)装咫p重灰?guī)r威脅的下組煤開采世界性難題。

(2)方法將底板改造成隔水層，頂板改造成弱含水或不含水層，封堵了底板水源補(bǔ)給通道并形成一定厚度的有效隔水層，從而防止采中、采后突水，保護(hù)地下水系統(tǒng)和水循環(huán)，實(shí)現(xiàn)受頂?shù)装咫p重灰?guī)r水害威脅的礦層的安全保水開采。

(3)該方法創(chuàng)新采用了共用一個(gè)孔位和一造斜段施工雙層多分支順層鉆孔對(duì)頂、底板雙層灰?guī)r層進(jìn)行改造，降低工程成本，減少地面的占地面積和搬家的次數(shù)。

(4)結(jié)合治理巖層的特征，采用COMSOL Multiphysics進(jìn)行數(shù)值模擬，研究目標(biāo)灰?guī)r擴(kuò)散半徑達(dá)40～60 m，注漿終壓設(shè)為含水層靜水壓力的2.0～2.5倍，分支孔間距60～80 m。

(5)該方法被應(yīng)用到受頂- 底板灰?guī)r含水層水害威脅的邱集煤礦下組煤治理，取得了良好效果。為黃河北煤田受水威脅的10多億t煤炭資源的開發(fā)，以及受頂?shù)装逅{的類似礦井及非煤礦山，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用前景。