煤層底板水害超前區(qū)域治理理論框架與關(guān)鍵技術(shù)

董書寧，劉其聲，王 皓，郭小銘，柳昭星，鄭士田，南生輝，劉建林，趙 兆，石志遠(yuǎn)

(1.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國華北型石炭–二疊紀(jì)煤田煤層受底板巖溶水害威脅的煤炭資源儲(chǔ)量高達(dá)570 億t。煤層底板高承壓含水層水害已經(jīng)成為新時(shí)期我國煤炭資源安全高效開采的主要制約因素[1]。目前，采用注漿技術(shù)對底板隔水層加固和含水層改造是煤層底板水害防治的主要手段[2]。

以往煤層底板含水層注漿改造一直采用常規(guī)直孔注漿，但由于鉆孔鉆遇含水層孔段較短，需要布置較為密集的鉆孔來達(dá)到改造目的[3-6]，而且必須依托井巷工程實(shí)施[7]。同時(shí)，注漿工藝也面臨注漿盲區(qū)大、目標(biāo)位置不準(zhǔn)確、注漿效果差等問題，使巷道掘進(jìn)過程中水害難以高效探查與治理。2008 年，董書寧等[8]首次提出利用水平定向鉆孔進(jìn)行煤層底板注漿加固的理念，發(fā)明煤層底板注漿加固水平定向鉆孔的施工方法，大幅增加有效注漿孔段長度，提高鉆孔揭露裂隙帶、含水體面積，減小注漿盲區(qū)，提高注漿改造效率[9]。另外，利用水平定向鉆注漿可擴(kuò)大單孔探查或注漿面積，減少鉆進(jìn)機(jī)械搬運(yùn)工程，降低鉆探工程對礦井生產(chǎn)進(jìn)度影響，對煤層底板進(jìn)行超前探查和治理[10]。

2011 年，中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司(簡稱西安研究院)首次將水平定向鉆技術(shù)引入到煤層底板水害超前注漿治理中，在河南能化集團(tuán)趙固一礦11151 工作面成功完成現(xiàn)場底板注漿加固試驗(yàn)。隨后，超前區(qū)域治理理念在河北邯邢礦區(qū)、安徽淮北礦區(qū)煤層底板水害治理中大面積推廣應(yīng)用，并迅速發(fā)展到斷層、陷落柱等導(dǎo)水構(gòu)造治理，形成了集超前區(qū)域探查與面狀治理于一體的煤層底板水害超前區(qū)域治理技術(shù)[11-12]。該技術(shù)先后在河北峰峰礦區(qū)九龍、陜西焦坪礦區(qū)桑樹坪[13]、安徽淮北礦區(qū)朱莊等煤礦[14]成功應(yīng)用，并進(jìn)一步推廣至安徽皖北[15]和淮南[16]、山東黃河北[17]、河北邯邢[18]、河南焦作[19]等大水礦區(qū)，取得了良好的治理效果，使水平定向鉆技術(shù)廣泛應(yīng)用于礦井水害防治工程[20]。但在工程實(shí)踐中，普遍面臨水平定向鉆孔漿液運(yùn)移規(guī)律不明、鉆遇隱伏導(dǎo)水通道判識(shí)與治理難度高、注漿效果檢驗(yàn)技術(shù)不可靠等問題，且井下定向鉆機(jī)鉆進(jìn)能力無法滿足高強(qiáng)度、高水壓灰?guī)r含水層鉆進(jìn)和安全需求。

因此，針對上述問題，筆者聚焦水平孔漿液運(yùn)移規(guī)律、超前區(qū)域注漿改造模式和分類標(biāo)準(zhǔn)、灰?guī)r地層水平定向鉆高效鉆進(jìn)工藝、隱伏導(dǎo)水通道超前判識(shí)治理、底板水害超前治理關(guān)鍵參數(shù)控制工藝、注漿效果檢驗(yàn)與評價(jià)等方面進(jìn)行深入研究，形成煤層底板水害超前區(qū)域治理技術(shù)體系，以期為現(xiàn)場工程實(shí)踐提供重要的理論和技術(shù)支撐。

1 煤礦底板水害超前區(qū)域治理理念與技術(shù)體系

針對華北型煤田煤層底板石炭–二疊系太原組薄層灰?guī)r或奧陶系灰?guī)r(簡稱奧灰)巖溶含水層突水威脅，突破常規(guī)井下直孔注漿的“被動(dòng)式”局部工作面防治理念，采用水平定向鉆從地面或井下對底板巖溶含水層進(jìn)行超前區(qū)域(多個(gè)工作面)注漿改造，實(shí)現(xiàn)底板水害的“主動(dòng)式”防治。該技術(shù)有效避免了井下施工位置限制和影響采掘作業(yè)等問題，通過多個(gè)工作面整體超前治理實(shí)現(xiàn)了水文地質(zhì)條件的區(qū)域性改變，避免了井下局部單個(gè)工作面改造后的繞流現(xiàn)象。

煤層底板超前區(qū)域治理技術(shù)涉及采礦工程、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、鉆探工程等專業(yè)學(xué)科，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，面臨眾多技術(shù)難題，包括注漿層位選擇、灰?guī)r地層水平孔高效鉆進(jìn)工藝、隱伏導(dǎo)水通道判識(shí)、關(guān)鍵注漿參數(shù)控制工藝、注漿效果評價(jià)技術(shù)等，必須進(jìn)行超前區(qū)域注漿治理改造模式、水平孔傾斜裂隙漿液擴(kuò)散規(guī)律、注漿效果評價(jià)方法等理論研究，開發(fā)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，才能為煤層底板超前區(qū)域治理提供理論和技術(shù)支撐。西安研究院經(jīng)過近10 年的研究開發(fā)和工程實(shí)踐，創(chuàng)建了煤層底板水害超前區(qū)域治理的理論框架和關(guān)鍵技術(shù)(圖1)。具體包括煤層底板水害超前區(qū)域治理模式分類和選擇準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)超前區(qū)域的精準(zhǔn)治理；形成灰?guī)r地層水平定向鉆高效鉆進(jìn)工藝和隱伏導(dǎo)水通道超前判識(shí)治理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)堅(jiān)硬灰?guī)r地層鉆孔施工和隱伏通道的精準(zhǔn)探查和治理；形成底板水害超前治理關(guān)鍵參數(shù)控制工藝，實(shí)現(xiàn)超前區(qū)域治理關(guān)鍵注漿參數(shù)的科學(xué)確定；提出多指標(biāo)的注漿效果定性與定量相結(jié)合的檢驗(yàn)與評價(jià)方法。

圖1 煤層底板超前區(qū)域治理理論框架與技術(shù)體系Fig.1 Theoretical framework and technical system of advanced regional control coal seam floor

2 煤礦底板水害超前區(qū)域治理關(guān)鍵技術(shù)

2.1 治理模式分類和選擇準(zhǔn)則

2.1.1 模式分類

現(xiàn)階段，我國煤層底板水害超前區(qū)域治理工程已經(jīng)形成了定向鉆進(jìn)、常規(guī)鉆進(jìn)、徑向射流結(jié)合的施工方式，及薄層太原組灰?guī)r和厚層奧陶系灰?guī)r的含水層治理模式，其具體定義為以底板水害防治與帶壓開采為目標(biāo)，考慮基礎(chǔ)水文地質(zhì)條件、治理區(qū)地面施工條件、治理層位選擇和鉆孔鉆進(jìn)方式，從工程施工方案選擇角度構(gòu)建技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的注漿治理技術(shù)與方案的組合體系[21-22]。

1) 指 標(biāo)

超前區(qū)域治理模式分類指標(biāo)包括施工位置、層位選擇、鉆進(jìn)方式。其中施工位置可選取地面鉆孔施工結(jié)合地面漿液、井下鉆孔施工結(jié)合地面漿液、井下鉆孔施工結(jié)合井下漿液3 種配置方案；改造層位包括太原組薄層灰?guī)r含水層和奧陶系巨厚灰?guī)r含水層；鉆進(jìn)方式包括定向鉆進(jìn)和徑向射流2 種鉆進(jìn)方式。

2) 模 式

采用交叉分類原則對各指標(biāo)進(jìn)行交叉組合分類，當(dāng)3 個(gè)指標(biāo)連接形成閉合環(huán)路徑時(shí)，可提煉形成治理模式，據(jù)此得到5 種超前區(qū)域治理模式(表1)。

表1 超前區(qū)域治理注漿改造模式[21]Table 1 Advanced regional control grouting transformation mode[21]

3) 亞類模式

定向鉆進(jìn)過程中利用側(cè)向分支孔可形成4 種鉆孔布設(shè)形態(tài)，包括掃帚狀(S1)、魚骨狀(S2)、梳狀(S3)、叉狀(S4)；徑向射流在治理層位利用射流工藝可形成梅花狀(S5)布孔形態(tài)。另外，根據(jù)鉆孔探查情況采用不同注漿材料，常見超前區(qū)域注漿材料包括碎石骨料(G1)、河沙骨料(G2)、粉煤灰(G3)、水泥(G4)。根據(jù)超前區(qū)域探查改造模式結(jié)合施工設(shè)計(jì)中鉆孔形態(tài)、注漿材料分類，可綜合確定治理模式亞類(表2)。

2.1.2 模式選擇準(zhǔn)則

根據(jù)前文內(nèi)容，可得到各判識(shí)指標(biāo)選擇標(biāo)準(zhǔn)：(1)地面有施工條件優(yōu)先考慮地面施工；(2) 煤層埋深大于800 m 時(shí)地面施工鉆探成本高，優(yōu)先考慮井下施工；(3)煤層底板所承受水壓大于6 MPa 時(shí)，井下孔口裝置難以保障施工安全，必須選用地面施工；(4)煤層埋深小于240 m 時(shí)，地面定向鉆孔施工難以實(shí)現(xiàn)造斜，優(yōu)先考慮地面徑向射流；(5)煤層底板有薄層灰?guī)r地層結(jié)構(gòu)，優(yōu)先考慮改造薄層灰?guī)r；(6)薄層、厚層灰?guī)r頂部改造后需滿足突水系數(shù)的要求。依據(jù)該選擇準(zhǔn)則體系，建立煤層底板灰?guī)r含水層超前區(qū)域探查改造模式選擇流程(圖2)。

圖2 超前區(qū)域治理模式選擇流程Fig.2 Mode selection process of advanced regional control

2.2 超前注漿定向鉆孔高效鉆進(jìn)工藝

煤層底板超前注漿加固定向鉆孔鉆進(jìn)時(shí)需要綜合采用螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、穩(wěn)定組合鉆具定向鉆進(jìn)和螺桿鉆具隨鉆測量定向鉆進(jìn)等多種耦合工藝[23]。定向鉆孔施工時(shí)按鉆孔結(jié)構(gòu)及施工工藝的不同可分為套管段施工、目的層位與套管之間層段施工、定向造斜段施工和透孔鉆進(jìn)施工等。鉆進(jìn)時(shí)，首先采用螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝進(jìn)行套管段施工，成功下入套管并試壓合格；然后采用穩(wěn)定組合鉆具定向鉆進(jìn)工藝鉆至目的層位，使鉆孔傾角略為增加，以減少后期定向鉆進(jìn)傾角調(diào)整難度；再使用螺桿鉆具隨鉆測量定向鉆進(jìn)完成定向造斜段和穩(wěn)斜段施工，使鉆孔按設(shè)計(jì)軌跡在目的巖層中延伸直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.2.1 套管段

套管部位鉆孔施工采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)成孔工藝，為確保套管順利下入孔內(nèi)，要求鉆孔軌跡平直，孔內(nèi)沉渣少，為此可采用螺旋鉆進(jìn)工藝配套穩(wěn)定組合鉆具和取心鉆進(jìn)工藝技術(shù)進(jìn)行套管段施工。

2.2.2 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)段

如果目的層位與套管之間巖層堅(jiān)硬且較穩(wěn)定，為縮短造斜段的距離，確保鉆孔軌跡平滑可在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)階段利用穩(wěn)定器組合鉆具實(shí)施鉆孔造斜；如果目的層位與套管之間巖層不穩(wěn)定，鉆進(jìn)過程中需盡量縮短此段的鉆孔長度，為此需對鉆孔進(jìn)行保直鉆進(jìn)。

2.2.3 定向鉆進(jìn)

井下硬巖層定向鉆進(jìn)過程中，造斜率是軌跡控制過程中衡量底部導(dǎo)向鉆具組合造斜能力的重要指標(biāo)，也是實(shí)施導(dǎo)向鉆進(jìn)工藝的重要依據(jù)。井下定向鉆進(jìn)普遍采用單彎螺桿馬達(dá)，其配套的導(dǎo)向鉆具長度較短、剛性較大、變形較小，可采用幾何法計(jì)算煤礦井下導(dǎo)向鉆具造斜率。

井下硬巖定向鉆進(jìn)軌跡控制宜采用復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝。在鉆進(jìn)過程中鉆桿柱“有滑有轉(zhuǎn)”，以回轉(zhuǎn)穩(wěn)斜鉆進(jìn)為主、滑動(dòng)造斜鉆進(jìn)為輔，典型軌跡控制方法如圖3 所示，當(dāng)實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡之間偏差達(dá)到一定值后，調(diào)整孔底螺桿馬達(dá)造斜工具的指向(即工具面)、滑動(dòng)給進(jìn)，連續(xù)造斜改變鉆孔前進(jìn)方向，獲得理想鉆孔姿態(tài)參數(shù)后回轉(zhuǎn)穩(wěn)斜鉆進(jìn)，在水平面和垂直剖面內(nèi)控制實(shí)鉆軌跡圍繞設(shè)計(jì)軌跡延伸。

圖3 復(fù)合定向鉆進(jìn)軌跡控制原理Fig.3 Composite directional drilling trajectory control principle

2.3 隱伏導(dǎo)水通道超前判識(shí)治理技術(shù)

煤層底板隱伏導(dǎo)水通道是發(fā)生底板突水事故的主要因素之一，也是超前區(qū)域治理過程中的主要治理對象。綜合采用鉆進(jìn)過程中巖屑錄井、鉆時(shí)錄井、鉆液漏失量、壓水試驗(yàn)、隨鉆伽馬、注漿參數(shù)等判識(shí)指標(biāo)，能夠驗(yàn)證地面物探疑似通道并在區(qū)域上探查隱伏導(dǎo)水通道發(fā)育情況，形成鉆進(jìn)過程中隱伏導(dǎo)水通道判識(shí)的主要指標(biāo)、變化規(guī)律、通道類型等，科學(xué)判識(shí)通道導(dǎo)水性，為超前區(qū)域治理提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2.3.1 類型與特征

基于淮北、淮南、黃河北、邢臺(tái)等華北型煤田礦區(qū)各礦井揭露的隱伏導(dǎo)水構(gòu)造情況的分析和總結(jié)，得到礦井隱伏導(dǎo)水通道特征為：類型多樣，且呈現(xiàn)隱伏斷層、陷落柱及裂隙等構(gòu)造類型組合出水事故特征；褶曲軸部裂隙相對發(fā)育，含水層富水性強(qiáng)，隔水層相對薄弱；多發(fā)育于煤層底板，發(fā)育層位低，位置不明，充填較松散、膠結(jié)差，導(dǎo)水性較好；隱蔽性好，可探測性差等。

華北型煤田開采主要受斷層、陷落柱和巖溶裂隙構(gòu)造的充水影響，根據(jù)巖溶含水層特征及鉆探過程中所能探查的構(gòu)造精度、種類和性質(zhì)，可得到隱伏導(dǎo)水通道分類，即巖溶裂隙，包括封閉溶隙、弱連通溶隙、強(qiáng)連通溶隙；斷層，包括隔水?dāng)鄬?、弱?dǎo)水?dāng)鄬?、?dǎo)水?dāng)鄬樱幌萋渲?，包括全充水?qiáng)導(dǎo)水型、邊緣充水導(dǎo)水型、不導(dǎo)水(微弱導(dǎo)水)陷落柱。

2.3.2 判識(shí)指標(biāo)

隱伏導(dǎo)水通道的存在是造成煤層底板突水事故的主要因素之一，是超前區(qū)域治理的主要對象。對我國多個(gè)礦區(qū)超前區(qū)域治理鉆探、注漿成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，總結(jié)出巖屑錄井、鉆時(shí)錄井、沖洗液消耗量、壓水試驗(yàn)、注漿參數(shù)和隨鉆伽馬6 個(gè)隱伏導(dǎo)水通道的判識(shí)指標(biāo)。其中，巖屑錄井和鉆時(shí)錄井用于判識(shí)構(gòu)造通道發(fā)育情況，沖洗液消耗量、壓水試驗(yàn)和注漿參數(shù)用于判識(shí)通道的導(dǎo)水性，隨鉆伽馬作為孔內(nèi)地球物理探查方法，對所判識(shí)的隱伏導(dǎo)水通道進(jìn)行驗(yàn)證和預(yù)判。

分析隱伏導(dǎo)水通道判識(shí)指標(biāo)得到，定向鉆進(jìn)過程中，巖屑錄井共有3 種曲線類型，即巖屑漸變型(巖屑-Ⅰ型)、巖屑突變無巖爆型(巖屑-Ⅱ型)、巖屑突變有巖爆型(巖屑-Ⅲ型)；鉆時(shí)錄井曲線共有3 種曲線類型，即鉆時(shí)漸變型(鉆時(shí)-Ⅰ型)、鉆時(shí)突變未放空型(鉆時(shí)-Ⅱ型)、鉆時(shí)突變放空型(鉆時(shí)-Ⅲ型)。根據(jù)不同構(gòu)造形態(tài)特征得到灰?guī)r含水層中判識(shí)指標(biāo)的多元組合(表3)。

表3 多元信息通道判識(shí)組合Table 3 Combination of multiple information channel identification

2.3.3 判識(shí)方法

根據(jù)我國現(xiàn)階段主要治理區(qū)鉆孔施工揭露情況統(tǒng)計(jì)，確定“沖洗液消耗量中鉆液漏失量大于30 m3/h，壓水試驗(yàn)滲透率大于10 Lu，單位注漿量大于10 t/m”可作為地層通道導(dǎo)水性判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)?；诙嘁蛩亟⒕C合判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)，對通道的導(dǎo)水性能進(jìn)行分區(qū)，得出不同構(gòu)造類型的導(dǎo)水性能類型。根據(jù)上述3 因素進(jìn)行通道導(dǎo)水性分區(qū)，可分為8 個(gè)小區(qū)(圖4)。

圖4 通道導(dǎo)水性判識(shí)分類方法Fig.4 Identification and classification method of channel conductivity

2.4 底板水害超前治理關(guān)鍵參數(shù)控制工藝

由于煤層底板巖溶裂隙含水層超前區(qū)域注漿具有隱蔽性特征，注漿實(shí)踐中缺少對漿液擴(kuò)散的有效控制，致使存在施工周期長、注漿量大、注漿效果不可靠等問題?；诔皡^(qū)域注漿特點(diǎn)，關(guān)鍵注漿參數(shù)控制結(jié)合受注地層特征、注漿材料、漿液性能、漿液擴(kuò)散規(guī)律[24]、底板注漿改造要求和工藝等因素，系統(tǒng)分析注漿材料及漿液選配和調(diào)控、注漿終結(jié)標(biāo)準(zhǔn)、鉆孔布置間距和方向、注漿控制因素等[25]。

(1) 奧陶系灰?guī)r頂部垂向滲透性存在明顯差異，存在滲透性隨深度增加而增大的變化趨勢；細(xì)觀空隙的總數(shù)量中以閉合裂隙和微張裂隙數(shù)量占比為主，兩者開度均值分別穩(wěn)定在120 和420 μm，寬張裂隙和中張裂隙在總裂隙面積中占主要比例，具有較好的貫通性和延展性；在奧灰頂部超前區(qū)域注漿過程中可采用水泥?粉煤灰漿液或水泥?黏土漿液進(jìn)行“墊底式”充填注漿，再采用顆粒較細(xì)小的水泥漿液對微小裂隙和閉合裂隙進(jìn)行升壓注漿和劈裂注漿[26-28]。

(2) 水泥漿液、水泥?粉煤灰漿液、水泥?黏土漿液的凝結(jié)時(shí)間主控因素為水玻璃摻量，黏度的主控因素分別為水玻璃摻量、水灰比、水灰比，結(jié)石率的主控因素分別為水灰比、水灰比、水玻璃摻量，強(qiáng)度的主控因素為水灰比；根據(jù)各因素極差大小進(jìn)行排序，得到各因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的敏感性，由大到小為：裂隙開度>裂隙傾角>水灰比>注漿壓力，即裂隙開度對漿液擴(kuò)散距離影響程度高于裂隙傾角，漿液水灰比高于注漿壓力[29-31]。

(3) 關(guān)于注漿壓力、穩(wěn)壓時(shí)間和鉆孔間距確定，可通過分析不同條件下水平孔傾斜單裂隙漿液擴(kuò)散距離特征曲線，得到不同漿液水灰比、受注地層條件和注漿壓力下的漿液擴(kuò)散距離，結(jié)合注漿設(shè)備額定工作能力約束，得到符合注漿設(shè)備工作能力的水平孔間距，同時(shí)也得到對應(yīng)鉆孔間距的注漿壓力和穩(wěn)壓時(shí)間，通過與巖體起裂壓力對比可得到合理的注漿終結(jié)壓力，最后得到對應(yīng)穩(wěn)壓時(shí)間和水平注漿孔間距的注漿終結(jié)壓力標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足注漿設(shè)備能力和水平注漿孔間距要求，也可有效保證注漿覆蓋范圍和注漿效果[32]。

(4) 水平分支孔布設(shè)方向可根據(jù)受注地層地應(yīng)力方向盡量保持鉆孔軌跡與最大主應(yīng)力方向垂直、與最小主應(yīng)力方向平行。注漿過程中漿液擴(kuò)散可根據(jù)漿液性能和擴(kuò)散距離敏感性特征通過調(diào)控漿液水灰比、注漿壓力和注漿時(shí)間達(dá)到注漿終結(jié)壓力和穩(wěn)壓時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。

綜合上述控制因素和原則，結(jié)合底板超前區(qū)域注漿工藝和要求，形成煤層底板水害超前區(qū)域治理關(guān)鍵注漿參數(shù)控制技術(shù)(圖5)[33]。

圖5 煤層底板水害超前區(qū)域治理關(guān)鍵注漿參數(shù)控制技術(shù)[25]Fig.5 Key grouting parameter control technology for advanced regional control of water damage in coal seam floor[25]

2.5 檢驗(yàn)與評價(jià)

注漿效果評價(jià)為煤層底板超前區(qū)域治理技術(shù)的重要組成部分。準(zhǔn)確地進(jìn)行注漿效果評價(jià)，不但可以有效保證礦井采掘安全，還可為超前區(qū)域治理工程布設(shè)提供指導(dǎo)，進(jìn)一步優(yōu)化注漿孔布設(shè)及注漿工藝。

2.5.1 定性評價(jià)方法

灰色關(guān)聯(lián)分析是灰色系統(tǒng)方法之一，已廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)和環(huán)境等各個(gè)領(lǐng)域。它的基本思想是根據(jù)2 個(gè)數(shù)據(jù)序列幾何形狀的相似性來確定它們之間的關(guān)系度。根據(jù)幾何形狀建立了關(guān)系分析模型[34]，斷線之間的幾何形狀越近，關(guān)系度就越大?；疑P(guān)聯(lián)分析可綜合注漿量、鉆井液漏失量、伽馬值、水溫、平均滲透率、注漿段長度等多種注漿因素，通過關(guān)聯(lián)、分組、綜合評分進(jìn)行效果檢驗(yàn)。具體注漿中分析和整理注漿點(diǎn)的注漿量、鉆井液漏失量、伽馬值、水溫、平均滲透率、注漿段長度、奧灰含水層水壓和隔水層厚度等數(shù)據(jù)，并灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算，通過各個(gè)參數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度確定其評價(jià)結(jié)果的權(quán)重。然后計(jì)算得到突水風(fēng)險(xiǎn)評估的綜合權(quán)重系數(shù)、綜合分?jǐn)?shù)并完成突水風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)圖。

2.5.2 定量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

注漿效果檢查方法有鉆探、物探和注漿特征分析法等，主要以定性評價(jià)方法為主。而以沖洗液消耗量、鉆孔涌水量、滲透率和改造層厚度4 個(gè)指標(biāo)為研究對象，可建立超前區(qū)域治理技術(shù)的注漿效果定量評價(jià)分析方法[35]。

根據(jù)多個(gè)礦區(qū)注漿改造施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)沖洗液消耗量為均勻消耗時(shí)，且消耗量不大于1 L/(min·m)，表明注漿效果良好；根據(jù)多個(gè)礦區(qū)注漿改造施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)井下檢查孔為均勻出水且每鉆進(jìn)100 m 段內(nèi)涌水量小于5 m3/h 時(shí)，表明注漿效果良好；當(dāng)每個(gè)層段的滲透率均不大于1 Lu 時(shí)，表明注漿效果良好。在地層結(jié)構(gòu)預(yù)測準(zhǔn)確的前提下，只要軌跡偏差、注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)均滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，且在該注漿層段內(nèi)，滲透率、鉆孔涌水量、沖洗液消耗量均達(dá)到注漿良好標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，表明改造層厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.5.3 孔中物探檢驗(yàn)設(shè)備及配套工藝

電磁波在地下巖層中傳播時(shí)，由于各種巖石、礦物電性參數(shù)(電阻率、介電常數(shù)等)不同，對電磁波能量的吸收有一定差異，電阻率較低的巖石、礦物具有較大的吸收作用。另外，伴隨著斷裂構(gòu)造或空洞所出現(xiàn)的界面，能夠?qū)﹄姶挪óa(chǎn)生折射、反射等作用，也會(huì)造成電磁波能量的損耗。因此，可研究各種巖層及地質(zhì)構(gòu)造對電磁波傳播的影響(包括吸收、反射、二次輻射等作用)所造成的各種異常進(jìn)行地質(zhì)解釋，從而判識(shí)地質(zhì)構(gòu)造。基于上述原理，為實(shí)現(xiàn)注漿效果檢驗(yàn)，制造了孔中無線電波透視裝備，其工作原理如圖6 所示。

圖6 孔中無線電波透視工作原理Fig.6 Working principle of radio wave perspective in a hole

發(fā)射機(jī)是孔中電磁波透視儀的建場設(shè)備，供出穩(wěn)定、具有較強(qiáng)功率且符合本安要求的電磁波信號(hào)是發(fā)射機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)。接收機(jī)接收的信號(hào)范圍為納伏到微伏級，按探測設(shè)計(jì)要求可選擇接收探測頻率信號(hào)。接收機(jī)由模擬板、控制板、電源板和面板組成，接收機(jī)采用本安型防爆設(shè)計(jì)，孔中接收天線采用多級放大設(shè)計(jì)，使孔中接收信號(hào)通過天線放大處理，實(shí)現(xiàn)電磁波信號(hào)的高性能接收。具體檢驗(yàn)鉆孔可在工作面巷道底板施工定向鉆，采取“一對二”施工方式，具體施工方式如圖7 所示。

圖7 鉆桿送入過程中孔中電磁波透視施工布置Fig.7 Construction arrangement of electromagnetic wave perspective in hole during drill pipe feeding

2.5.4 綜合檢驗(yàn)技術(shù)

超前區(qū)域治理工程中可采用孔間電磁波透視儀對前一注漿序次進(jìn)行效果檢驗(yàn)并補(bǔ)充分支孔進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)充注漿。在治理完成后，綜合單個(gè)鉆孔漏失量、注漿量、水溫、平均滲透率等指標(biāo)，采用關(guān)聯(lián)分析、綜合評分定性評價(jià)整個(gè)治理區(qū)注漿效果。在孔間物探確定的漿液充填較差區(qū)、定性評價(jià)的注漿效果較差區(qū)施工井下注漿效果檢查鉆孔，評價(jià)注漿效果，并對效果較差區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充注漿，由此形成了注漿效果檢驗(yàn)綜合評價(jià)裝備技術(shù)體系(圖8)。

圖8 井下注漿效果綜合檢驗(yàn)Fig.8 Comprehensive inspection of downhole grouting effect

3 工程應(yīng)用

桑樹坪煤礦位于陜西渭南，地表為山峁溝谷地貌，主采二疊系山西組3 號(hào)煤和石炭系太原組11 號(hào)煤，其中11 號(hào)煤距底板奧陶系灰?guī)r含水層近，受奧灰水害威脅極為嚴(yán)重(圖9)。地面高程+430～+750 m，平均為+590 m；煤層埋深240～560 m，平均為400 m；奧灰頂界面高程+140～+210 m，平均為+175 m；奧灰含水層水位+380 m；底板與奧灰含水層間距16.5～21.5 m，承受最大水壓為1.23 MPa，最大突水系數(shù)0.072 MPa/m。3105 工作面實(shí)測底板破壞深度14.8 m，最小有效隔水層厚度僅有1.7 m。工作面回采面臨極為嚴(yán)重的底板奧灰含水層突水威脅。

圖9 桑樹坪煤礦 3105 工作面煤層底板地層結(jié)構(gòu)Fig.9 Schematic diagram of stratum structure of coal seam floor in working face 3105 in Sangshuping Coal Mine

3.1 治理模式選取

由于煤層底板無薄層太原組灰?guī)r，因此改造層位選擇奧陶系灰?guī)r頂部峰峰組風(fēng)化充填帶。由于3105 工作面及周邊對應(yīng)地表為山峁溝谷地貌，溝壑縱橫鉆機(jī)進(jìn)場施工難度高，且民事協(xié)調(diào)難度大，賠青費(fèi)用高。因此，3105 工作面區(qū)域治理不具備地面施工條件；另外，煤層底板所承受奧灰含水層最大水壓為1.23 MPa，小于井下鉆孔安全施工6 MPa 的要求，確定區(qū)域治理鉆孔施工采用井下定向鉆進(jìn)方式。綜合分析，3105 工作面采用C2S1D1 井下厚層灰?guī)r定向鉆孔改造模式進(jìn)行煤層底板含水層超前區(qū)域治理。

3.2 治理關(guān)鍵參數(shù)

基于工程成本和漿液性能考慮，注漿過程中主要采用水灰比相對較大的水泥漿液進(jìn)行注漿，因此，在參數(shù)計(jì)算過程中采用牛頓型水泥漿液參數(shù)。在注漿過程中孔口注漿壓力與受注地層裂隙注漿點(diǎn)處的有效壓力存在中間流動(dòng)過程的動(dòng)力損失，計(jì)算公式見下式，因此，通過計(jì)算轉(zhuǎn)換可得到有效注漿壓力。

式中：p1為作用到灌漿段中點(diǎn)上的實(shí)際壓力；p為孔口處壓力表顯示的壓力；ps為漿液自重產(chǎn)生的壓力；pξ為漿液在流經(jīng)自壓力表至灌漿段中點(diǎn)一段路程上的流動(dòng)損失。

根據(jù)超前區(qū)域注漿改造范圍將水平分支鉆孔間距設(shè)置為40 m，基于水平孔傾斜單裂隙牛頓型流體擴(kuò)散控制方程，計(jì)算得到桑樹坪煤礦底板奧灰超前區(qū)域治理中注漿時(shí)間下限，其注漿改造試算參數(shù)見表4。

表4 桑樹坪煤礦超前區(qū)域注漿改造試算參數(shù)Table 4 Trial calculation parameters of grouting transformation in advanced regional control of Sangshuping Coal Mine

經(jīng)過計(jì)算得到6 000 s 內(nèi)不同水灰比下漿液擴(kuò)散距離變化曲線(圖10)。根據(jù)水平分支孔間距40 m，為保證注漿效果，水灰比為1∶1 的漿液注漿時(shí)間不能低于3 800 s，水灰比為2∶1 的漿液注漿時(shí)間不能低于3 200 s，水灰比為3∶1 的漿液注漿時(shí)間不能低于2 600 s。

圖10 不同水灰比漿液擴(kuò)散距離隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Variation curve of grout diffusion distance with time for different water-cement ratios

3.3 工程布設(shè)與應(yīng)用效果

改造層位為進(jìn)入奧灰層位后23～31 m，平均27 m；孔深660 m；三開裸孔段孔徑96 mm。工作面回采前在井下巷道施工鉆場，沿工作面走向布設(shè)定向鉆孔14 個(gè)，鉆孔平面投影間距約40 m，垂直深度位于奧陶系灰?guī)r頂面以下15～20 m，對于揭露的奧灰含水層出水位置采用下行式注漿方式，具體鉆孔布設(shè)如圖11所示。

圖11 桑樹坪煤礦3105 工作面超前區(qū)域治理鉆孔布設(shè)Fig.11 Drilling pattern of advanced regional control in working face 3105 in Sangshuping Coal Mine

工作面回采揭露表明，采用井下超前區(qū)域治理模式有效探查并改造了煤層底板含水層的富水位置，保障了工作面安全。

4 展 望

隨著煤礦開采深度增加，煤炭開采面臨底板高壓巖溶含水層水害威脅愈發(fā)嚴(yán)重，為華北型煤田煤層底板超前區(qū)域治理工作提出了新的要求：

(1) 深部煤層底板巖溶含水層突水機(jī)理。煤層底板突水機(jī)理是指導(dǎo)底板超前區(qū)域治理層位和模式選擇的依據(jù)。以往廣泛應(yīng)用的底板突水系數(shù)對于深部煤層底板突水評價(jià)適用性較差，目前其他突水機(jī)理研究成果尚未有效揭示深部煤層采動(dòng)過程中底板應(yīng)力、裂隙和水壓等影響因素的耦合致災(zāi)機(jī)制，而采動(dòng)過程中應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換、水壓損傷、裂隙通道起裂等變化存在相互影響和制約，如何揭示其內(nèi)在關(guān)系是底板突水機(jī)理研究發(fā)展的重要方向。

(2) 煤礦底板導(dǎo)水通道超前精準(zhǔn)探查。由于煤層底板灰?guī)r巖溶裂隙分布的非均質(zhì)性特征，利用水平定向鉆實(shí)現(xiàn)導(dǎo)水通道精準(zhǔn)探查是實(shí)現(xiàn)超前區(qū)域治理中 “有的放矢、精準(zhǔn)可控注漿”的基礎(chǔ)。而導(dǎo)水通道精準(zhǔn)探查需采用物探、鉆探和化探等手段，綜合判識(shí)。因此如何利用物探、鉆探、化探相結(jié)合的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)采前、采中分階段全面精準(zhǔn)探查，準(zhǔn)確判識(shí)潛在導(dǎo)水通道的分布范圍、充填結(jié)構(gòu)、導(dǎo)水性能等，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)水通道的智能化精準(zhǔn)判識(shí)，將是底板導(dǎo)水通道超前精準(zhǔn)探查研究的重要方向。

(3) 煤層底板超前區(qū)域治理?，F(xiàn)階段煤層底板超前區(qū)域治理技術(shù)相對成熟，但注漿材料、漿液配比、注漿壓力、注漿時(shí)間、注漿量等關(guān)鍵注漿參數(shù)選取的智能化水平仍存在不足，如何實(shí)現(xiàn)注漿參數(shù)隨受注地層空隙性、導(dǎo)水性、滲透性等特征而智能化調(diào)控是超前區(qū)域治理技術(shù)發(fā)展的方向。

5 結(jié)論

a.基于注漿改造過程中鉆孔施工位置、注漿層位選擇和鉆進(jìn)方式，建立了5 種超前區(qū)域注漿改造主模式，確定了各類模式的確定方法和準(zhǔn)則。結(jié)合注漿材料、鉆孔布設(shè)形態(tài)，形成超前區(qū)域注漿改造亞類劃分。

b.形成了煤層底板超前注漿加固定向鉆孔螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、穩(wěn)定組合鉆具定向鉆進(jìn)和螺桿鉆具隨鉆測量定向鉆進(jìn)等多種鉆進(jìn)方式耦合的鉆進(jìn)工藝。

c.確定了沖洗液消耗量中鉆液漏失量大于30 m3/h，壓水試驗(yàn)滲透率大于10 Lu，單位注漿量大于10 t/m的地層通道導(dǎo)水性判識(shí)標(biāo)準(zhǔn)，得出了不同構(gòu)造類型的導(dǎo)水性能類型，實(shí)現(xiàn)了通道導(dǎo)水性分區(qū)。

d.分析了注漿材料及漿液選配和調(diào)控、注漿終結(jié)標(biāo)準(zhǔn)、鉆孔布置間距和方向、注漿控制因素等，提出了基于受注地層特征、注漿材料、漿液性能、漿液擴(kuò)散規(guī)律、底板注漿改造要求和工藝等因素的超前注漿漿液擴(kuò)散控制工藝。

e.提出了基于沖洗液消耗量、鉆孔涌水量、滲透率和改造層厚度4 個(gè)指標(biāo)的超前區(qū)域注漿效果定量評價(jià)分析方法及基于灰色關(guān)聯(lián)度分析的注漿效果檢驗(yàn)定性評價(jià)方法，開發(fā)了井下水平定向鉆孔的孔間電磁波透視儀，形成了底板灰?guī)r超前注漿效果檢驗(yàn)綜合評價(jià)裝備技術(shù)體系。