煤礦地面區(qū)域治理漏失點(diǎn)注漿效果檢驗(yàn)方法

任松濤

（1.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；2.河北省礦井微震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，近年來(lái)需要的煤炭資源量也在逐步加大，加上上組煤的可開(kāi)采儲(chǔ)量減小，許多煤礦開(kāi)采深度不斷加大，并逐步開(kāi)始開(kāi)采下組煤。采深加大及水害威脅的加劇，井下防治水工程施工面臨很大的施工安全風(fēng)險(xiǎn)，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成熟的高承壓水施工標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)，井下施工難度大、工期長(zhǎng)、效果差，生產(chǎn)和防治水工作矛盾十分突出，是需要迫切解決的生產(chǎn)難題，因此，區(qū)域超前探查治理工程的開(kāi)展是十分必要的。

根據(jù)具體帶壓開(kāi)采條件及底板主要含水層富水性確定治理層位，應(yīng)滿足治理后突水系數(shù)不大于0.1 MPa/m。一般選擇奧陶系灰?guī)r頂部或影響安全帶壓開(kāi)采的主要薄層灰?guī)r含水層，探查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)漏失點(diǎn)進(jìn)行注漿，從而對(duì)含水層進(jìn)行治理。注漿的質(zhì)量關(guān)系到治理工程的效果，因此注漿效果的檢驗(yàn)至關(guān)重要，現(xiàn)對(duì)幾種檢驗(yàn)方法進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

1 利用相鄰的鉆孔檢驗(yàn)

鉆孔設(shè)計(jì)施工時(shí)采取間隔施工的方法，當(dāng)一個(gè)分支鉆孔有漏失點(diǎn)注漿后，可利用相鄰的鉆孔進(jìn)行注漿效果驗(yàn)證，驗(yàn)證鉆孔鉆進(jìn)至漏失點(diǎn)附近時(shí)，觀察是否仍然有漏失現(xiàn)象，再者就是根據(jù)鉆進(jìn)返出的巖屑內(nèi)是否有水泥，隨著鉆伽馬值是否有大的變動(dòng)，確定驗(yàn)證孔周圍的巖性，并分析導(dǎo)水裂隙的發(fā)育程度，從而判斷出注漿的擴(kuò)散范圍，以及注漿的效果。

該方法一般適用于鉆孔設(shè)計(jì)分布呈帶狀或者羽狀分布的情況下，且注漿量比較小的漏失點(diǎn)驗(yàn)證，該方法的優(yōu)點(diǎn)是施工孔兼作驗(yàn)證孔，節(jié)省工程量的同時(shí)縮短工期（圖1、圖2）。這種漏失點(diǎn)從注漿量上來(lái)分析，附近導(dǎo)水裂隙發(fā)育不是特別好，驗(yàn)證的范圍比較小且缺乏針對(duì)性，由于裂隙的發(fā)育方向不明確，單獨(dú)的驗(yàn)證孔只能作為簡(jiǎn)單的驗(yàn)證。對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)塊以及注漿量比較大的地區(qū)，不適合運(yùn)用該驗(yàn)證方法，或者增加其他的驗(yàn)證方法共同檢驗(yàn)注漿效果。

圖1 帶狀分布鉆孔兼作驗(yàn)證孔分布Fig.1 Banded distribution drilling hole also as verification hole distribution

圖2 羽狀分布鉆孔兼作驗(yàn)證孔分布Fig.2 Feather distribution drilling hole also as verification hole distribution

2 施工專門的驗(yàn)證孔檢驗(yàn)

對(duì)于漏失量比較大的漏失點(diǎn)一般采取施工專門的驗(yàn)證孔進(jìn)行注漿效果檢驗(yàn)，注漿量大的漏失點(diǎn)有可能附近的導(dǎo)水裂隙發(fā)育比較好，也有可能存在隱伏的地質(zhì)構(gòu)造，對(duì)上覆的采掘活動(dòng)水害威脅比較大，因此必須采取針對(duì)性的效果驗(yàn)證方法。

驗(yàn)證孔的設(shè)計(jì)靶心一般在漏失點(diǎn)位置，有多個(gè)漏失點(diǎn)同時(shí)驗(yàn)證時(shí)，可以穿過(guò)漏失點(diǎn)或從漏失點(diǎn)附近經(jīng)過(guò)，保證能很好驗(yàn)證的同時(shí)也便于施工順利，同時(shí)減少了驗(yàn)證孔的施工個(gè)數(shù)。驗(yàn)證層位一般選取和漏失點(diǎn)同一個(gè)治理層位偏上5～10 m 位置。鉆進(jìn)一般采取取芯鉆進(jìn)，可以觀察巖芯內(nèi)是否有水泥來(lái)判斷漿液的擴(kuò)散方向及范圍，鉆進(jìn)至漏失點(diǎn)附近觀測(cè)鉆井循環(huán)液是否有消耗，然后充分洗孔后通過(guò)觀測(cè)孔內(nèi)水位是否有異常和做高壓壓水試驗(yàn)來(lái)判斷是否有漏失，從而判定漏失點(diǎn)注漿是否達(dá)到了很好的效果。

梧桐莊礦四采區(qū)地面區(qū)域治理補(bǔ)注14-6 孔孔深1763 m 發(fā)生漏失，漏失量為54 m3/h，注漿量11376 t（純水泥9569.8 t，含30%粉煤灰水泥1806.2 t）；補(bǔ)注14-8 孔孔深2074 m 注漿封孔，注漿量7946.2 t（純水泥7821.3 t，含30%粉煤灰水泥124.9 t）。為了驗(yàn)證2 個(gè)大的注漿點(diǎn)，設(shè)計(jì)專門的驗(yàn)證孔補(bǔ)注14-5-1 分支孔，采取一個(gè)驗(yàn)證孔串兩個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案。由于施工工藝問(wèn)題，該驗(yàn)證孔未進(jìn)行取芯，驗(yàn)證孔施工至補(bǔ)注14-6 孔漏失點(diǎn)和補(bǔ)注14-8 孔孔深2074 m 時(shí)鉆進(jìn)層位分別高于驗(yàn)證點(diǎn)5 m 和8 m，巖粉未發(fā)現(xiàn)異常，鉆進(jìn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)鉆井液漏失現(xiàn)象，完孔后洗孔對(duì)整個(gè)孔段做高壓壓水試驗(yàn)，排量35 L/min，泵壓0.02 MPa，吸水率為0.002 L/min.m.m，說(shuō)明驗(yàn)證孔內(nèi)沒(méi)有漏失現(xiàn)象，驗(yàn)證點(diǎn)注漿質(zhì)量合格。驗(yàn)證孔施工平面、剖面如圖3、圖4 所示。

圖3 驗(yàn)證孔施工平面圖Fig.3 Verification hole construction plane

圖4 驗(yàn)證孔施工剖面圖Fig.4 Verification hole construction profile

3 高壓壓水試驗(yàn)檢驗(yàn)

可以通過(guò)高壓壓水試驗(yàn)檢驗(yàn)是否存在堵孔、塌孔等其他原因造成的起壓現(xiàn)象，也可判斷注漿后是否還存在小的漏失。漏失點(diǎn)注漿結(jié)束后，應(yīng)立刻進(jìn)行掃孔作業(yè)，掃孔至比原漏失點(diǎn)孔深深1 m 處。首先壓入清水替換鉆井液，進(jìn)行抽（壓） 水洗井至水清砂凈后進(jìn)行水位觀測(cè)，每30 分鐘觀測(cè)一次水位，直至水位穩(wěn)定。然后進(jìn)行壓水，需保證壓水量大于孔內(nèi)體積2 倍才可停止壓水，求取注漿目標(biāo)層單位吸水率，單位吸水率計(jì)算公式采用公式

式中：q 為單位吸水率，即單位壓力下，單位長(zhǎng)度試驗(yàn)段單位時(shí)間內(nèi)的吸水量，L/min·m·m；Q 為壓入流量，L/min；H 為作用于試驗(yàn)段的水頭壓力，m；L 為試驗(yàn)長(zhǎng)度，m。

試驗(yàn)的最小泵量一般選取35 L/min，若在最小泵量壓水時(shí)計(jì)算單位吸水率小于0.01 L/min·m·m，則視為注漿質(zhì)量合格，反之注漿質(zhì)量不合格，需要進(jìn)行補(bǔ)注。地面區(qū)域治理鉆孔吸水率計(jì)算見(jiàn)表1。

表1 地面區(qū)域治理鉆孔吸水率計(jì)算Table 1 Surface regional control drilling hole water absorption calculation

4 物探探測(cè)技術(shù)檢驗(yàn)

該方法主要是治理結(jié)束后，對(duì)于形成的工作面需要進(jìn)行采前物探探測(cè)，根據(jù)探測(cè)結(jié)果看漏失點(diǎn)附近是否出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。在我國(guó)煤炭探測(cè)通常使用瞬變電磁、音頻電透視和坑透這三種物探方法。其中，瞬變電磁、音頻電透視主要探測(cè)工作面和周圍環(huán)境的含水量和異常區(qū)，坑透應(yīng)主要查勘隱藏的地質(zhì)構(gòu)造。

一般采用瞬變電磁法進(jìn)行注漿效果驗(yàn)證，探測(cè)結(jié)果中低阻率區(qū)域代表相對(duì)富水區(qū)域，然后對(duì)比漏失點(diǎn)處是否出現(xiàn)低阻現(xiàn)象。若沒(méi)有出現(xiàn)低阻率現(xiàn)象，說(shuō)明漏失點(diǎn)附近的導(dǎo)水裂隙經(jīng)過(guò)注漿已經(jīng)被充填改造，達(dá)到了很好的注漿效果；若注漿點(diǎn)處出現(xiàn)了低阻率現(xiàn)象，說(shuō)明導(dǎo)水裂隙還沒(méi)有被完全充填，仍然存在水害隱患，就需要通過(guò)井下防治水工程再進(jìn)行治理，直到水害隱患排除。

瞬變電磁超前探測(cè)成果如圖5 所示，正前方探測(cè)范圍內(nèi)視電阻率等值線變化相對(duì)較為均勻且電阻率值相對(duì)較大，無(wú)明顯低阻異常區(qū)域，推斷為正前方向無(wú)明顯賦含水構(gòu)造。右前方探測(cè)范圍內(nèi)視電阻率等值線變化相對(duì)較為大且電阻率值相對(duì)較小，有明顯低阻異常區(qū)域，推斷為右前方向可能存在賦含水構(gòu)造，需要用其他方法進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖5 瞬變電磁超前探測(cè)成果示意Fig.5 Advance detection results of transient electromagnetic

5 微震技術(shù)檢驗(yàn)

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)新的防治水技術(shù)，我國(guó)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)起步較晚，但在微震設(shè)備與監(jiān)測(cè)技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用方面近年來(lái)已取得長(zhǎng)足進(jìn)步。傳統(tǒng)的應(yīng)用中是對(duì)被動(dòng)震源進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)震源的定位研究，對(duì)被動(dòng)震源區(qū)域內(nèi)的巖體力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析。而水和漿液在動(dòng)平衡狀態(tài)時(shí)往往激發(fā)不了微震事件，注漿過(guò)程中由于漿液的流動(dòng)及擴(kuò)散誘發(fā)微震事件，由常規(guī)方法的“被動(dòng)等震”監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃?dòng)誘震”監(jiān)測(cè)。

發(fā)揮微震技術(shù)所特有的大范圍、連續(xù)、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)高靈敏度檢波器感知注漿過(guò)程中漿液在導(dǎo)水裂隙中流動(dòng)產(chǎn)生的微小震動(dòng)信號(hào)，以此進(jìn)行事件的時(shí)空定位和震源機(jī)制解釋，實(shí)現(xiàn)對(duì)漿液流向的實(shí)時(shí)、連續(xù)、全空間、超前預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)。根據(jù)微震事件發(fā)生的位置一方面可以判斷漿液的擴(kuò)散方向，另一方面可以計(jì)算漿液的擴(kuò)散范圍，從而可以模擬分析導(dǎo)水裂隙的發(fā)育情況，而且可以根據(jù)實(shí)時(shí)的觀測(cè)，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)漿液的比重和注漿排量，對(duì)注漿的參數(shù)選取，具有非常重要的指導(dǎo)意義。

注漿結(jié)束后，如果漏失點(diǎn)附近無(wú)微震事件的發(fā)生或者有少量微震事件發(fā)生經(jīng)分析可以排除的，說(shuō)明導(dǎo)水裂隙內(nèi)被漿液所充填，形成一個(gè)相對(duì)靜止平衡的狀態(tài)，可以認(rèn)為注漿效果良好；如果漏失點(diǎn)附近仍多次出現(xiàn)微震事件且無(wú)法排除外界條件干擾的，說(shuō)明漏失點(diǎn)附近仍存在擾動(dòng)，需要結(jié)合其他防治水措施進(jìn)行驗(yàn)證治理，以達(dá)到消除水害的目的。

石家莊瑞豐煤業(yè)有限公司（原井陘礦務(wù)局三礦） 在2002 年9 月20 日采區(qū)南側(cè)179 工作面回采91 m 發(fā)生底板奧灰水突水，水量10.5 m3/min，后采取地面鉆孔注漿技術(shù)，直接封堵奧灰頂部巖溶裂隙通道，根據(jù)5 號(hào)孔放水及注漿期間以及注漿結(jié)束后，奧灰含水層內(nèi)微震事件分布情況，繪制出鉆孔放水及注漿人工干擾與奧灰內(nèi)微震事件個(gè)數(shù)關(guān)系如圖6 所示。

圖6 鉆孔放水及注漿與奧灰內(nèi)微震事件關(guān)系Fig.6 Relationship between drilling hole drainage and grouting and microseismic events in Ordovician limestone

2 月12 日—4 月9 日鉆孔放水、注漿期間，奧灰含水層內(nèi)微震事件頻繁出現(xiàn)，最多時(shí)一天內(nèi)微震事件達(dá)到12 個(gè)之多，而注漿結(jié)束后，4 月10 日—5 月31 日，奧灰含水層內(nèi)不再有微震事件出現(xiàn)。而且?jiàn)W灰含水層內(nèi)微震事件多少與鉆孔注漿量、注漿壓力變化密切相關(guān)。充分表明，鉆孔放水及注漿對(duì)地下水流場(chǎng)的影響及微震事件的產(chǎn)生具有重要作用，人工干擾微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種可與常規(guī)放水試驗(yàn)、示蹤試驗(yàn)、連通試驗(yàn)相媲美的有效手段。

通過(guò)鉆孔放水、注漿等人工干擾技術(shù)，追蹤期間奧灰含水層內(nèi)微震事件發(fā)生的路徑、范圍、過(guò)程，準(zhǔn)確刻畫出東大巷煤柱采區(qū)下方存在的一個(gè)奧灰水強(qiáng)徑流帶位置及范圍。該徑流帶平面上呈SW-NE-SEE 向弧形展布，寬約100～150 m，橫貫整個(gè)采區(qū)，如圖7 所示。

圖7 奧灰含水層強(qiáng)徑流帶微震監(jiān)測(cè)成果Fig.7 Microseismic monitoring results of strong runoff zone in Ordovician limestone aquifer

6 結(jié)語(yǔ)

注漿效果的不同檢驗(yàn)方法適用于不同的環(huán)境及條件，應(yīng)當(dāng)根據(jù)漏失點(diǎn)附近的地質(zhì)構(gòu)造以及實(shí)際生產(chǎn)情況來(lái)選取合適的驗(yàn)證方法，有的方法只作為能簡(jiǎn)單的驗(yàn)證依據(jù)，不能起到很好的檢驗(yàn)效果，因此需要配合多種方法多次全面的驗(yàn)證，可以準(zhǔn)確的驗(yàn)證漏失點(diǎn)注漿的質(zhì)量和效果。