定向構(gòu)筑阻水塞在陷落柱治理中的應(yīng)用

張曉楠，郭曉帥

（中國煤炭地質(zhì)總局 第一水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

巖溶陷落柱嚴(yán)重威脅礦井安全開采，其治理也是重點(diǎn)關(guān)注的對象，通常采用截、堵及留設(shè)保護(hù)煤柱等形式進(jìn)行治理。從根本上對陷落柱進(jìn)行治理一直是人們探索的方向，本文介紹了淮南礦區(qū)顧北煤礦采用地面定向技術(shù)，在前期勘探成果的基礎(chǔ)上，對陷落柱采取上下雙層交圈超前精準(zhǔn)區(qū)域探查治理的模式進(jìn)行徹底防治。地面施工2 個(gè)孔組19 個(gè)地面定向水平鉆孔，分為上下2 個(gè)目的層對陷落柱影響區(qū)形態(tài)進(jìn)行探查，并進(jìn)行高壓注漿治理，于陷落柱影響區(qū)頂部形成阻水塞，切斷深部巖溶水與煤層間的水力聯(lián)系[1]。

1 礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)條件概況

1.1 井田地質(zhì)

礦區(qū)鉆孔揭露地層自上而下依次為新生界（第四系、第三系） 松散層、二疊系煤系、石炭系（上統(tǒng)） 和奧陶系海相地層[2]。可采煤層8 層，平均可采總厚22.61 m[3]。

1.2 井田水文地質(zhì)

井田含水層（組） 自上而下主要有4 部分組成，分別為新生界松散砂層孔隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層、石炭系太原組及奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層[4]。其中石炭系太原組巖溶裂隙含水層分成3 個(gè)含水組：C3Ⅰ灰?guī)r含水組（1～3下灰）、C3Ⅱ灰?guī)r含水組（4～9 灰）、C3Ⅲ灰?guī)r含水組（10～12 灰）[5]。太原組灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育不均一。奧陶系巖溶裂隙含水層為弱—中等富水性。

1 煤層底板承受的灰?guī)r水頭壓力約6.7 MPa，底部奧灰水可沿構(gòu)造裂隙直接與太灰含水層組發(fā)生水力聯(lián)系。

2 陷落柱治理方案

2.1 陷落柱特征分析

三維地震解釋發(fā)現(xiàn)了疑似巖溶陷落柱后，2014—2015 年，對2 號疑似陷落柱進(jìn)行了地面鉆探探查，完成地面探查鉆孔7 個(gè)、鉆探進(jìn)尺5 754.18 m，二疊、太灰、奧灰、寒灰混合或單層（組） 抽水試驗(yàn)27 次，以及聲波測井和井溫測試等，實(shí)施擬流場測漏7 孔12 次。

經(jīng)探查，確定2 號疑似陷落柱為頂界發(fā)育在C312 層位、基底在寒灰中的充水、導(dǎo)水型巖溶陷落柱，推測其在-850 m 長軸103 m，短軸84 m，面積6 252 m2。其富水性及導(dǎo)水性極強(qiáng)，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。陷落柱影響到4 煤底板駱駝缽砂巖，4煤以上地層與陷落柱無水力聯(lián)系，對一水平北一1煤采區(qū)回采有較大影響。

2.2 陷落柱治理理念

采用地面定向鉆進(jìn)技術(shù)，地面布置2 個(gè)地面主井，在陷落柱影響區(qū)治理范圍內(nèi)實(shí)施上下交叉探查、雙層注漿治理的模式，探查可能存在的隱伏導(dǎo)水構(gòu)造、深部奧灰導(dǎo)水通道和巖溶發(fā)育區(qū)，并對鉆進(jìn)過程中揭露的灰?guī)r溶隙、裂隙以及垂向?qū)畼?gòu)造進(jìn)行高壓注漿封堵[6]，消除可能存在的垂向?qū)ǖ?，隔斷奧灰與太灰間水力聯(lián)系。

2.3 工程施工情況

鉆孔結(jié)構(gòu)采用三開結(jié)構(gòu)，一開孔徑為311 mm，下入φ244.5 mm×8.94 mmJ55 石油套管，水泥固井，隔離松散地層。二開孔徑為φ216 mm，采取定向鉆井，鉆進(jìn)至目的層位斜深5 m，下φ177.8 mm×8.05 mmJ55 石油套管，水泥固井并進(jìn)行套管耐壓試驗(yàn)。三開孔徑φ152 mm，裸孔，全部在目的層位鉆進(jìn)，直至終孔位置。鉆進(jìn)過程中配合巖屑錄井、伽馬錄井、鉆時(shí)錄井、鉆井液錄井、簡易水文觀測、井溫、跟層率等參數(shù)綜合分析地層發(fā)育情況[7]。注漿遵循先稀后稠原則，注漿方式采用孔口止?jié){、靜壓下行高壓注漿法，連續(xù)注漿與間歇注漿相結(jié)合。注漿材料采用32.5 礦渣硅酸鹽水泥，特殊情況時(shí)添加早強(qiáng)劑及骨料。注漿終壓不小于鉆孔水平段所在位置奧灰含水層靜水壓力的1.5 倍，鉆孔吸漿量不大于60 L/min，并持續(xù)不少于30 min。

投入2 臺石油ZJ30 鉆機(jī)及相應(yīng)配套的附屬設(shè)備，施工2 個(gè)地面孔組，N9 孔組選擇上層治理目的層位太原組C33下灰層位，共施工8 個(gè)分支孔，累計(jì)注入水泥90 425.9 t，砂118.2 t，工業(yè)鹽5 104 kg，三乙醇胺510.4 kg。；N8 孔組選擇下層治理目的層位太原組C39灰對應(yīng)深度層位上，共施工11個(gè)分支孔，累計(jì)注水泥88 998.22 t，粉煤灰597.76 t，砂410.6 t，工業(yè)鹽900 kg，三乙醇胺90 kg。每個(gè)孔組各選擇1 個(gè)分支孔進(jìn)行注漿后效果驗(yàn)證孔。完成工程量平面布置及施工順序如圖1 所示。

圖1 完成工程量平面布置及施工順序Fig.1 The plane layout and construction sequence of completed engineering quantity

2.4 工程質(zhì)量評述

對施工鉆孔的工程質(zhì)量按照表1 進(jìn)行評述，均達(dá)標(biāo)。

3 陷落柱治理效果分析

3.1 探查成果分析

2 個(gè)孔組同時(shí)施工，遵循分支孔間隔施工的原則，N8 孔組由陷落柱中心向外側(cè)施工，N9 孔組由陷落柱外側(cè)向中心施工。位于陷落柱正中心的下層鉆孔N8-4 孔于孔深1 212.00 m 鉆井液失返，N8-5 孔鉆井液未出現(xiàn)明顯漏失，但終孔壓水試驗(yàn)壓力為0，其余各孔壓水試驗(yàn)吸水率為0.000 7 ~ 0.008 3（L/min.m.m)。上層目的層鉆孔N9 孔組各分支為發(fā)現(xiàn)鉆井液異常漏失現(xiàn)象。各分支孔采用間隔施工的方式，分支孔之間互相檢校注漿效果，通過巖屑中發(fā)現(xiàn)水泥位置分析注漿擴(kuò)散半徑大于40 m。施工過程中未發(fā)現(xiàn)上下兩層目的層鉆孔串漿現(xiàn)象。

表1 工程質(zhì)量評述標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Standard for engineering quality evaluation

3.2 注漿成果分析

各分支孔注漿結(jié)束壓力均不小于為奧灰靜水壓力的1.5 倍，最大的達(dá)到了1.75 倍，注漿初壓為0~8.9 MPa，注漿終壓為7.7~11 MPa，實(shí)際注漿量是預(yù)期的2.02 倍。注漿量由施工先后順序基本呈減少趨勢，下層陷落柱影響帶中心的N8-4、N8-5分支孔單位吸漿量分別達(dá)到了24.62 t/m、38.80 t/m，而該孔組最后施工的N8-9 單位吸漿量只有7.80 t/m；同樣N9 孔組先施工的N9 主孔、N9-1、N9-2 分支孔吸漿量分別達(dá)到了21.70、53.97、31.39 t/m，后期施工而且是位于陷落柱影響帶中心的N9-4 分支孔單位吸漿量僅僅只有8.37 t/m，說明后期施工的鉆孔很好的驗(yàn)證了前期施工的注漿效果，其治理區(qū)裂隙已得到較好充填。

3.3 治理效果驗(yàn)證

3.3.1 返出巖屑驗(yàn)證

自第二個(gè)施工的分支孔均在鉆進(jìn)時(shí)返出巖屑中一直夾雜著大量水泥碎屑，而且鉆進(jìn)速度同比相對較慢。

3.3.2 注后壓水試驗(yàn)驗(yàn)證

注后壓水單位吸水率比注前壓水單位吸水率明顯大幅減少，變化幅度最大的是N8-4 和N8-5 分支孔，從注前壓水的沒有壓力，注后壓水單位吸水率分別減少到了0.0005 和0.000 6 L/ min.m.m，其余鉆孔大部分也有60%的縮減，甚至有的達(dá)到了86%的縮減。N8 孔組注前、后吸水（漿） 率對比圖如圖2 所示，N9 孔組注前、后吸水（漿） 率對比圖如圖3 所示。

3.3.3 驗(yàn)證孔驗(yàn)證

為了進(jìn)一步的對前期注漿治理效果進(jìn)行驗(yàn)證和鞏固注漿效果，特別對N8-5 分支孔和N9 主孔進(jìn)行透孔復(fù)注兼作驗(yàn)證孔。

透孔后注漿前壓水試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，單位吸水率分別是0.001 3 L/min·m·m 和0.001 L/min·m·m，明顯比其余分支孔注前壓水單位吸水率要小的多，說明前期注漿治理效果明顯，地層裂隙已得到充填。

圖2 N8 孔組注前、后吸水（漿） 率對比Fig.2 Comparison chart of water(grout)absorption rate before and after injection in No.N8 hole group

圖3 N9 孔組注前、后吸水（漿） 率對比Fig.3 Comparison chart of water(grout)absorption rate before and after injection in No.N9 hole group

4 結(jié) 論

（1） 此次治理累計(jì)注漿179 424.13 t 水泥，是設(shè)計(jì)注漿量（8.9 萬t） 的2.02 倍。

（2） 各分支孔注漿終壓均不小于為奧灰靜水壓力的1.5 倍，最大的達(dá)到了1.75 倍（N8-1 分支孔），注漿初壓為0 ~ 8.9 MPa，注漿終壓為7.7 ~11 MPa；注漿結(jié)束泵量均控制60 L/min；各分支孔注后單位吸水率后單位吸水率為0.000 9 ～0.001 6 L/min·m·m，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的0.01 L/min·m·m。各分支孔均達(dá)到設(shè)計(jì)注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

（3） 注漿期間未發(fā)生串漿情況，說明C33 下灰與C39 灰之間垂向裂隙不發(fā)育地層完整或者垂向裂隙已經(jīng)被漿液充填，阻斷了上下兩層水力聯(lián)系。

（4） 后期施工的注漿鉆孔比先期施工的注漿鉆孔注漿量、單位吸漿量均大幅度減少，說明前期注漿充填了治理區(qū)域內(nèi)大部分地層裂隙。

（5） 后期注漿鉆孔返出的巖屑中能看到大量已經(jīng)凝固的水泥塊，鉆孔吸漿量明顯下降，并且整體呈現(xiàn)涌水狀態(tài)，表明漿液擴(kuò)散半徑達(dá)到并超過孔間距，漿液擴(kuò)散范圍有效覆蓋治理區(qū)域。

（6） 對N8-5 分支孔和N9 主孔進(jìn)行透孔復(fù)注兼作驗(yàn)證孔，注前壓水單位吸水率比前期大幅減少，說明該區(qū)域注漿治理后地層滲透性差，地層裂隙已得到較好的充填，注漿效果良好。

（7） 2 號陷落柱有效治理面積為107 591 m2，是設(shè)計(jì)治理面積（74 667 m2） 的1.44 倍，且做到無盲區(qū)全覆蓋。

（8） 從現(xiàn)有的驗(yàn)證手段來看，陷落柱治理效果良好，但是在該區(qū)域采掘活動前，須從井下對2號陷落柱影響帶治理區(qū)范圍采取物探和鉆探等手段，進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證[11]。