華北型煤田區(qū)域治理工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)研究

盧玲敏

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局 水文地質(zhì)局，河北 邯鄲 056004）

1 概況

隨著防治水技術(shù)的進(jìn)步，煤礦防治水害手段越來(lái)越多樣，有物探超前探測(cè)、微震監(jiān)測(cè)技術(shù)、采空區(qū)疏排技術(shù)，導(dǎo)水裂隙帶高度探測(cè)技術(shù)等。隨著華北型煤田煤礦開(kāi)采強(qiáng)度和深度不斷增加，其中高水頭、大流量的奧灰?guī)r溶地下水成為制約開(kāi)采下組煤最主要的因素，但上述這些方法對(duì)于此類情況的水害防治而言，效果甚微。

區(qū)域治理的煤層底板注漿加固技術(shù)是一種改善底板隔水性、提高底板完整性和抗水壓能力的重要的治理防治水技術(shù)措施，是解放受承壓水威脅的煤炭資源、提高經(jīng)濟(jì)效益的有效手段。由于奧灰水水量大，水頭高，大埋深的特點(diǎn)，治理難度加大，因此工程設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。區(qū)域治理工程設(shè)計(jì)是通過(guò)對(duì)礦井的地質(zhì)及水文地質(zhì)特征（構(gòu)造及含隔水層特征、充水水源、充水通道、突水系數(shù)等） 的分析；目的層段的確定；區(qū)域治理一系列關(guān)鍵參數(shù)（孔口位置、靶前距、水垂比、分支孔間距、驗(yàn)證孔原則等） 的選定，最終確定區(qū)域治理方案的。通過(guò)邯邢礦區(qū)礦井實(shí)例驗(yàn)證，說(shuō)明治理效果明顯，能達(dá)到安全開(kāi)采的目的。

2 華北型煤田地質(zhì)及水文地質(zhì)特征

華北型煤田位于我國(guó)華北地臺(tái)范圍內(nèi)，北自陰山構(gòu)造帶，南至秦嶺構(gòu)造帶，西起賀蘭山構(gòu)造帶，東臨黃海，包括晉、冀、魯、豫、京、津區(qū)域和蒙、陜、甘、寧、蘇、皖、遼、吉局部區(qū)域，通稱華北型煤田，如圖1 所示。

圖1 華北型煤田分布示意Fig.1 The distribution of North China Coalfield

區(qū)內(nèi)發(fā)育地層為中元古界、古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、第三系和第四系，地表被第四系松散沉積物覆蓋。含煤地層主要以中石炭統(tǒng)本溪組、上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組為主，目前隨著煤礦開(kāi)采強(qiáng)度和深度不斷增加，淺層煤資源日益枯竭，解放煤礦深部煤炭資源迫在眉睫。

2.1 地質(zhì)構(gòu)造概況

華北型煤田位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)，其構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以升降為主，表現(xiàn)形式為高角度的正斷層，逆斷層比較少見(jiàn)，這種構(gòu)造特點(diǎn)為底板巖溶突水創(chuàng)造了有利條件，是煤層安全開(kāi)采的主要影響因素。

斷裂構(gòu)造發(fā)育，一方面使奧灰?guī)r溶水以垂向或水平側(cè)向等方式補(bǔ)給石炭系薄層灰?guī)r，造成奧灰與薄灰水力聯(lián)系密切，局部地段成為一個(gè)含水體；另一方面破壞了煤層底板隔水層的完整性，造成斷層處地層破碎、力學(xué)強(qiáng)度降低，在礦壓、水壓的作用下易發(fā)生底板突水。

2.2 含水層特征及充水因素分析

華北型煤田分布之廣、煤層之多、儲(chǔ)量之大，在煤層開(kāi)采時(shí)，不同時(shí)代煤層所遇到的水文地質(zhì)問(wèn)題和復(fù)雜程度亦不相同。隨著華北型煤田煤礦開(kāi)采強(qiáng)度和深度的不斷增加，已由淺層煤向深部下組煤資源開(kāi)采轉(zhuǎn)移。水文地質(zhì)問(wèn)題也主要是高水頭、大流量的奧灰?guī)r溶地下水為主要威脅。且?guī)r溶水系統(tǒng)往往是一個(gè)向斜或單斜構(gòu)造，在構(gòu)造內(nèi)煤水共存。巖溶發(fā)育，富水性強(qiáng)，多數(shù)屬于強(qiáng)—中等逕流區(qū)。

根據(jù)華北煤田范圍內(nèi)以往發(fā)生突水情況分析，判斷出區(qū)內(nèi)主采煤層的主要充水水源為煤層底板的水量大、水頭高的奧灰水，主要充水通道為導(dǎo)水?dāng)鄬?、?dǎo)水陷落柱、裂隙密集帶及封閉不良鉆孔等垂向?qū)ǖ?，存在較高的突水危險(xiǎn)性。需要通過(guò)探查治理工程的實(shí)施，切斷奧灰突水通道，保證底板隔水層的完整性，因此需要針對(duì)區(qū)內(nèi)斷層開(kāi)展有針對(duì)性的探查與治理工作。

3 目標(biāo)層確定

探查與注漿目的層的確定對(duì)治理效果起至關(guān)重要的作用。目的層的選擇應(yīng)綜合考慮，主要因素有：開(kāi)采煤層底板充水條件和隔水層特征；厚度宜不小于5 m，且空隙較發(fā)育具有注漿條件的地層；增強(qiáng)煤層底板隔（阻） 水性能和強(qiáng)度；目的層與開(kāi)采煤層之間的距離應(yīng)滿足安全開(kāi)采的需要。

4 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的確定

隨著煤層埋深的增大，伴隨高水壓帶來(lái)的突水威脅極為嚴(yán)重，采掘進(jìn)度、生產(chǎn)與防治水矛盾突出，高水壓、大流量、構(gòu)造發(fā)育、陷落柱隱伏性強(qiáng)、埋深大施工難度大等難題，對(duì)區(qū)域治理探查治理工程提出了更高的要求，因此技術(shù)參數(shù)的確定成為了關(guān)鍵。

4.1 地面鉆孔位置的選擇

鉆孔孔口位置的選擇至關(guān)重要，決定了鉆孔施工的難易程度及能否有效完成鉆探任務(wù)，孔口位置的選擇主要從以下方面考慮：治理區(qū)域的范圍、幾何形態(tài)及構(gòu)造發(fā)育的優(yōu)勢(shì)方位；孔口到治理區(qū)域的距離要滿足水平定向井對(duì)靶前位移的要求；孔口位置盡可能使鉆孔軌跡避開(kāi)采空區(qū)與巷道，并保持15 m 以上的安全距離；地面建筑物與地形情況，選擇較為空曠，便于施工的區(qū)段。

4.2 全角變化率

全角變化率，又稱“狗腿嚴(yán)重度”，指在單位井段內(nèi)三維空間的角度變化。它即包含了井斜角的變化，又包含著方位角的變化，其計(jì)算方法為：

式中：a1為井段上端點(diǎn)處井斜角，°；a2為井段下端點(diǎn)處井斜角，°；△φ為該井段內(nèi)方位角的絕對(duì)變化值，°；△L 為該井段內(nèi)的長(zhǎng)度，m；K為全角變化率，°/30 m。目前技術(shù)常用狗腿度范圍在9～12°/30 m。

4.3 靶前距

設(shè)計(jì)規(guī)定的必須鉆達(dá)的地層位置的目標(biāo)點(diǎn)為著陸點(diǎn)，通常是以地面井口為相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)的大地坐標(biāo)系的經(jīng)緯度來(lái)表示。所謂靶區(qū)，就是在著陸點(diǎn)所在的水平投影面上，通常是以著陸點(diǎn)為圓心，以靶區(qū)半徑為半徑的一個(gè)圓面積，如圖2 所示。以允許實(shí)鉆井眼軌跡偏離設(shè)計(jì)著陸點(diǎn)的距離，稱為靶區(qū)半徑。靶區(qū)半徑的大小，根據(jù)勘探開(kāi)發(fā)的需要或鉆井的目的而定。

圖2 定向井剖面示意Fig.2 Directional well profile

靶前距即為設(shè)計(jì)著陸點(diǎn)到直井段延長(zhǎng)線的距離，就是在靶區(qū)平面上，實(shí)鉆井眼軸線與著陸點(diǎn)之間的水平距離。目前技術(shù)的靶前距一般控制在150～250 m。在設(shè)計(jì)控制點(diǎn)與靶點(diǎn)時(shí)要求鉆孔盡可能多地沿目標(biāo)層位鉆進(jìn)，本次設(shè)計(jì)將控制點(diǎn)設(shè)計(jì)到奧灰八段底部，靶前距為160 m。

4.4 水垂比

所謂水垂比是指定向井的水平段長(zhǎng)度與定向井垂直深度的比值。在煤礦區(qū)域治理工程中，考慮地層及設(shè)備能力因素，結(jié)合以往類似項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)，鉆孔水垂比一般取比值不大于3。水垂比越高，采出率越高，但鉆進(jìn)難度也越大。目前，當(dāng)水垂比≤3 時(shí)，技術(shù)可行，相對(duì)經(jīng)濟(jì)合理，并可據(jù)此控制定向井總工程量。

4.5 鉆孔間距布置原則

根據(jù)注漿擴(kuò)散距離確定合理孔間距，按照邯邢礦區(qū)各礦井工作面底板注漿擴(kuò)散半徑試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，底板灰?guī)r注漿擴(kuò)散半徑一般為35～55 m，結(jié)合邯邢礦區(qū)已有區(qū)域探查治理項(xiàng)目實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，一般正常地段水平孔間距選擇小于等于60 m 較合理，鉆孔以探查構(gòu)造為重點(diǎn)，在構(gòu)造發(fā)育區(qū)段鉆孔間距適當(dāng)加密，水平孔間距選擇30～40 m 為宜，施工中應(yīng)當(dāng)逢漏必注。

鉆孔軌跡的方位包括主孔方位與分支孔方位，主孔方位的選擇要保證其他分支孔能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的覆蓋。一方面，主孔方位要保證鉆孔單元中兩側(cè)鉆孔能夠順利完；另一方面，鉆孔軌跡還應(yīng)盡可能與裂隙的優(yōu)勢(shì)發(fā)育方位斜交，同時(shí)兼顧對(duì)周邊突水點(diǎn)附近區(qū)域的探查。

4.6 驗(yàn)證鉆孔原則

鉆探注漿結(jié)束后，再用檢查孔壓水試驗(yàn)形式進(jìn)行檢查，達(dá)到探查、治理、效果驗(yàn)證三位一體布局。

檢查孔應(yīng)在分析施工資料的基礎(chǔ)上在下列位置布置：一開(kāi)始平行于治理區(qū)域的中心線，驗(yàn)證孔盡可能多的穿過(guò)或垂直較多水平分支孔，并應(yīng)自上而下分段鉆進(jìn)，分段阻塞，分段進(jìn)行壓水試驗(yàn)，一般30～50 m 做一次壓水試驗(yàn)，壓水試驗(yàn)宜采用單點(diǎn)法；布置在基巖破碎、斷層與裂隙發(fā)育、強(qiáng)巖溶等地質(zhì)條件復(fù)雜的部位；布置在泥漿注入量大、漏失量大的孔段附近；布置在防滲要求高的、鉆孔偏斜過(guò)大、灌漿過(guò)程不正常等經(jīng)分析資料認(rèn)為可能對(duì)治理效果有影響的部位。

5 實(shí)例方案

邯邢礦區(qū)是典型的華北型煤田大水礦區(qū)，邢東礦井田含煤地層為中石炭統(tǒng)本溪組、上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組，共含煤15 層，目前主采2號(hào)煤。該井田治理區(qū)內(nèi)曾發(fā)生多次突水，區(qū)域探查治理區(qū)為-980 水平以深區(qū)域，面積約2.6 km2，治理區(qū)域內(nèi)受制約開(kāi)采的2、2 下、6 號(hào)煤儲(chǔ)量為774.68 萬(wàn)t，地表均被第四系松散沉積物覆蓋，地層平緩，傾角10°～15°。設(shè)計(jì)地面孔口時(shí)，按照孔距70 m 均布奧灰近水平鉆孔，以探查區(qū)內(nèi)已知斷層為重點(diǎn)，兼顧探查周邊構(gòu)造異常區(qū)，對(duì)整個(gè)-980 以深區(qū)域進(jìn)行探查治理。

5.1 地質(zhì)構(gòu)造概況

井田位于邯邢煤田東北部。邯邢煤田的區(qū)域大地構(gòu)造位置在太行山東麓深大斷裂西側(cè)，太行山隆起帶之東緣，華北盆地西緣，屬華北古板塊內(nèi)太行山次級(jí)斷塊的范疇，區(qū)域內(nèi)發(fā)育大量北北東～北東向正斷層及少量北西向正斷層，組成一系列地塹、地壘和階梯狀斷塊。

邢東礦井田位于邢臺(tái)市區(qū)以東，2 條重要的北北西走向的正斷層之間，即邢臺(tái)1 號(hào)正斷層與邢臺(tái)2 號(hào)正斷層，因此井田內(nèi)斷層發(fā)育，東部、西部、北部、南部、中部分別發(fā)育有走向大致平行且密集排列的張扭性斷裂，還發(fā)育有縱橫交錯(cuò)的中小型斷層。依據(jù)勘探和巷道揭露，目前該井田共發(fā)現(xiàn)高角度正斷層240 余條，共揭露陷落柱7 個(gè)。

5.2 含水層特征及充水因素分析

邢東礦井田主要含水層共11 層，開(kāi)采2 號(hào)煤時(shí)的直接充水水源為山西組2 號(hào)煤頂板砂巖裂隙承壓水和下石盒子組砂巖裂隙承壓含水層水，2 號(hào)煤頂板砂巖水與下石盒子組砂巖水是礦井正常涌水量的主要組成部分。生產(chǎn)礦井實(shí)際資料表明，煤系地層中的含水層，一般以靜儲(chǔ)量為主，水量較小，對(duì)采掘安全構(gòu)不成威脅。但是當(dāng)煤系含水層與奧灰水溝通時(shí)，尤其是2 號(hào)煤頂板砂巖水、本溪灰?guī)r和大青灰?guī)r與奧灰水溝通時(shí)，水量將會(huì)增大，對(duì)煤礦生產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。

5.2.1 充水水源

邢東礦開(kāi)采過(guò)程中2 號(hào)煤承受奧灰水壓大，一旦奧灰水涌入礦井將危及礦井的安全。-980 水平以深區(qū)域煤系基底存在巨厚灰?guī)r強(qiáng)含水層，開(kāi)采深度1000～1237 m，奧灰富水性無(wú)論是在剖面上還是平面上都是不均一，2 號(hào)煤層底板承受奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙水水壓約12 MPa，區(qū)域構(gòu)造發(fā)育，進(jìn)入-980 水平以深開(kāi)采后，發(fā)生過(guò)3 次奧灰突水，給安全生產(chǎn)造成巨大威脅。

5.2.2 充水通道

奧灰水涌入礦井的途徑主要為垂向的導(dǎo)水通道。垂向?qū)畼?gòu)造包括導(dǎo)水?dāng)鄬?、?dǎo)水陷落柱、裂隙密集帶及封閉不良鉆孔等。

（1） 斷層。當(dāng)斷層溝通奧陶系灰?guī)r地下水時(shí)，對(duì)礦井危害極大。該井田斷層眾多，依據(jù)勘探和巷道揭露，目前共發(fā)現(xiàn)高角度正斷層240 余條。其中，落差大于20 m 的斷層60 余條，落差在5～20 m 的斷層50 余條，落差在5 m 以下的小型斷層140 余條。大斷層控制了礦井的生產(chǎn)邊界，區(qū)內(nèi)斷層的發(fā)育使得部分區(qū)域奧灰與煤系地層對(duì)接。斷層增加了奧灰突水的危險(xiǎn)性，是探查與治理的重點(diǎn)。

（2） 陷落柱。生產(chǎn)過(guò)程中共揭露陷落柱7 個(gè)，目前揭露的陷落柱皆為不導(dǎo)水陷落柱，但礦井深部開(kāi)采過(guò)程仍存在揭露導(dǎo)水陷落柱及發(fā)生隱伏導(dǎo)水陷落柱的可能性，陷落柱一旦導(dǎo)水會(huì)形成奧灰突水通道，是礦井深部開(kāi)采探查與防治的難點(diǎn)。

（3） 裂隙密集帶。深部開(kāi)采過(guò)程中，巖體變形破壞受采掘活動(dòng)擾動(dòng)影響大，裂隙密集區(qū)巖體較破碎，強(qiáng)度低，受到采動(dòng)影響，易形成奧灰突水通道。

（4） 封閉不良鉆孔。封閉不良鉆孔包括未封堵或封閉不良鉆孔，特別是與奧灰含水層相連通的鉆孔，生產(chǎn)中應(yīng)預(yù)先處理。

5.2.3 煤層底板突水系數(shù)計(jì)算

承壓水體上采煤普遍采用突水系數(shù)評(píng)價(jià)理論，以突水系數(shù)作為帶壓開(kāi)采安全與否的計(jì)算指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

式中：T 為突水系數(shù)，MPa/m；p 為底板隔水層承受的水壓，MPa；M 為底板隔水層厚度，m。2 號(hào)煤層全部處于奧陶系灰?guī)r含水層水位以下，受到底板突水的威脅。

由鉆孔資料得，邢東礦2 號(hào)煤底板至奧灰之間隔水層厚度85.05～262.55 m，平均厚度為156.962 m，2 號(hào)煤底板至奧灰頂面之間防護(hù)層巖性組成主要為砂巖、泥巖、灰?guī)r、鋁土巖、煤等。-980 以深煤層底板標(biāo)高-980—-1250 m，探查治理區(qū)域煤層底板標(biāo)高-1050—-1150 m，奧灰水位標(biāo)高為+66.84 m（D 水1，奧灰7 段）。根據(jù)計(jì)算，-980以深區(qū)域突水系數(shù)為0.07～0.098 MPa/m，大于構(gòu)造發(fā)育區(qū)段底板臨界突水系數(shù)0.06 MPa/m。因此，應(yīng)通過(guò)區(qū)域性探查與治理工程，確保煤層底板隔水層的完整性，排除垂向?qū)畼?gòu)造發(fā)育的可能性。

5.3 目標(biāo)層確定

邢東礦井田治理區(qū)內(nèi)發(fā)生多次突水，且構(gòu)造發(fā)育。通過(guò)對(duì)該井田的地質(zhì)及水文地質(zhì)特征的分析，判斷出礦井的主要充水水源為水量大、水頭高的奧灰水，主要充水通道為導(dǎo)水?dāng)鄬?、?dǎo)水陷落柱、裂隙密集帶及封閉不良鉆孔等垂向?qū)ǖ溃嬖谳^高的突水危險(xiǎn)性。結(jié)合近年施工進(jìn)入奧灰的20041、水4、水3 和水9 等地面奧灰水文孔，奧灰八段為較純的灰?guī)r段，巖性主要為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及泥灰?guī)r。沖洗液漏失發(fā)生在奧灰八段底部，說(shuō)明本區(qū)奧灰八段底部有一定的巖溶發(fā)育，將該層段作為本次探查治理工程施工的目標(biāo)層段。針對(duì)區(qū)內(nèi)斷層開(kāi)展有針對(duì)性的探查與治理工作。

5.4 工程設(shè)計(jì)及工程量

地面孔口布置距離邢東礦222 工作面及2127工作面頂板導(dǎo)水裂縫帶距離為168 m 及150 m，均大于該處防水煤巖柱留設(shè)要求，可以保證鉆孔不會(huì)形成新的突水通道。該地面孔口位于呂家屯村南偏東、東外環(huán)路以西，泉北大街以北，交通方便，場(chǎng)地開(kāi)闊，易于鉆探及注漿施工。

本工程由主孔1 個(gè)+水平定向羽狀分支孔20個(gè)孔組及2 個(gè)水平定向機(jī)動(dòng)孔組成。北區(qū)布置12個(gè)近水平水層鉆，編號(hào)為N1～N12 孔；南區(qū)布置8 個(gè)近水平鉆孔，編號(hào)為S1～S8 孔，共計(jì)20 個(gè)分支鉆孔，預(yù)計(jì)鉆探總工程量為16468.40 m。預(yù)設(shè)2個(gè)機(jī)動(dòng)孔JD2、JD2 孔，水平定向鉆孔施工結(jié)束后注漿、掃孔。

工程施工過(guò)程中，結(jié)合邢東礦生產(chǎn)實(shí)際，動(dòng)態(tài)調(diào)整鉆孔布置方案，按需要增加了部分鉆孔，至工程結(jié)束，該礦井共完成1 主孔（直孔段+造斜段）+40 個(gè)水平分支孔，實(shí)際孔間距70 m，狗腿度17°/30 m，鉆探總工程量27638.98 m，其中直孔段377.90 m，造斜段1100.70 m，水平段26160.38 m，其中最長(zhǎng)水平段為S2 孔（實(shí)際孔深3058 m，水平段軌跡長(zhǎng)1579.40 m）。從鉆探及注漿情況來(lái)看，該礦對(duì)-980 水平以深區(qū)域進(jìn)行奧灰探查治理的方案是有效、可行的。

6 結(jié)語(yǔ)

區(qū)域治理技術(shù)目前已在冀中能源邯邢礦區(qū)、峰峰礦區(qū)、安徽淮南礦區(qū)、淮北礦區(qū)、山西晉城等10 多個(gè)大型礦區(qū)得到推廣應(yīng)用，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。經(jīng)過(guò)這些推廣實(shí)踐，表明區(qū)域治理優(yōu)勢(shì)有：從以往工作面治理擴(kuò)展到以采區(qū)或地質(zhì)構(gòu)造單元為治理范圍，強(qiáng)調(diào)的是區(qū)域治理效果；對(duì)充水含水層注漿改造，是從源頭治理，治根治本，安全可靠性高；探查、治理、效果驗(yàn)證三位一體；提前主動(dòng)治理，不受采掘生產(chǎn)和采掘巷道的影響；施工效率高，更經(jīng)濟(jì)更合理。