煤層開采覆巖預裂–注漿改性失水控制方法探討

趙春虎，王 皓，靳德武

（1.中國煤炭科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077）

鄂爾多斯煤田近地表富水性好的松散孔隙介質含水層是具有重要生態價值的含水層[1]，為礦區保水采煤的目標保護層[2]。由于煤層開采形成的采動裂隙發育至近地表的松散層，導致地下水沿采動裂隙進入采煤工作面，可能形成嚴重的頂板水害[3-4]問題，也加劇礦區水資源短缺及生態環境的負效應程度[5-6]，如陜西黃隴煤田煤層頂板巨厚砂巖含水層涌水防治問題，陜北與神東能源基地榆神礦區三四期規劃區、呼吉爾特礦區和臺格廟礦區面臨水源地保護與生態紅線劃定問題，因此，西部礦區煤層開采過程中頂板水害高效防治與地下水資源協同保護是煤炭可持續開發面臨的現實需求[7]。

針對保水采煤問題，專家學者已開展了大量的生態水位保護、保水開采分區、綠色開采、煤地下水庫等理論與技術方面的研究，已形成采煤工藝優化為主、抑制導水裂隙發育為目標的“分層[8]、限高[9]、條帶[10]、充填[11-12]、并行[13]”等保水采煤工藝。行業學者開展“地下水庫、轉移存儲”[14]等礦井水保護的工程實踐。地下水沿煤層開采形成的導水裂隙進入采掘空間，是引起頂板含水層失水和形成水害的主要原因，采前調整采煤方法(如分層、限高、條帶開采等)，可以控制采動導水裂隙的發育高度，以保障隔水層的采動隔水能力[15]，但將犧牲大量煤炭資源，采后調整采煤方法轉移儲存地下水資源(如修建地下水庫等)無法實現覆巖含水層的原位保護。如何在提高煤層開采效率的同時實現水資源協同保護是礦區煤炭資源安全、高效、綠色開發面臨的重大技術難題。

近年來，基于地面長距離定向鉆孔進行的超前區域注漿加固和改造及帷幕工程等已大量應用于華北型煤田底板巖溶水水害防治[16]和水資源保護[17]的工程實踐中，長鉆孔分段水力壓裂技術也在煤層瓦斯增透高效抽采[18]、沖擊地壓卸壓防治[19]及增強型地熱資源開發[20-21]等領域取得了良好的應用效果，曹志國等[15]通過分析煤層開采形成的集中主導水裂隙區分布特征，提出工作面開采后采取局部人工注漿封堵主導水裂隙區，以限制工作面開采后頂板含水層水大量流失的保水開采技術思路。筆者針對西部煤礦區煤層開采面臨的頂板水害防治與水資源協同保護技術需求，充分借鑒前人的保水采煤[22]、長鉆孔分段水力壓裂、地面定向鉆孔超前區域注漿加固改造等技術手段，提出基于預裂與注漿改性(Presplitting-Grouting，簡稱P-G)技術思路，并以陜北能源基地榆神礦區為對象，對采煤工作面頂板含水層基于P-G技術的失水控制方法進行探討，以期為我國西部礦區頂板水害防治和水資源協同保護實踐提供借鑒。

1 煤層頂板含水層失水P-G控制原理

1.1 技術背景

根據材料力學最大正(線)應變強度理論，抗張強度是控制巖石破壞的主導因素，當巖石受力所產生的拉張應變ε超過其極限應變εm時(圖1)，即ε≥εm，巖石即發生破壞，其破壞判據[23]為：

式中：σ1、σ2、σ3為主應力，MPa；μ為巖土的泊松比，無量綱；E為彈性模量，MPa。

圖1 巖石張裂破壞機制[24]Fig.1 Schematic diagram of rock fracture mechanism[24]

對于煤礦地下開采而言，煤層開采高度遠小于煤層埋深，覆巖中某一固定層位的巖性對采煤引起該層位應力狀態σ1、σ2、σ3與應變ε影響不大，且常見軟、硬巖層的泊松比μ值介于0.2～0.4，變化不大，而軟弱巖層(泥巖類)的彈性模量E遠小于硬巖層(砂質基巖類)，根據式(1)可見，軟巖層臨界極限應變εm則明顯大于硬巖層，因此，在相同應變條件下的軟巖不易發生拉張破壞。

根據斷裂力學理論[24]，如圖1所示，在相同條件下，對于脆性巖石來說，受力時巖石容易出現應力集中，巖石破裂以局部裂隙的延展為主(圖1a，圖1b)；對于強度低的彈塑性巖石，受力時是以巖體的整體彈性和塑性變形為主，其裂隙發育相對密集(圖1c)，主要是由于巖石整體的彈性和塑性變形易消耗巖石破裂釋放的能量，導致裂縫發育一般較短。劉瑜[25]采用X 射線衍射試驗方法，得出采動應力在塑性變形能力較大的土層消耗量大，易損耗劈裂能量，從而抑制導水裂隙繼續向上發育，并提出土層作為導水裂隙帶高度抑制因子的概念；劉士亮[26]通過現場實測與數值模擬分析，得出覆巖中軟弱土層與基巖厚度的比值(土基比)小于 0.5 時，導水裂隙帶高度受到明顯的抑制作用；竇林名等[27]認為爆破后形成的裂隙區貫通為連續的弱面是控制沖擊礦壓最重要的區域，能夠減弱由于頂板瞬間破斷或垮落釋放的動載強度。可見，在脆性覆巖中易延展，張開度較大，導水裂隙帶發育較高，而軟弱覆巖由于變形整體協調性強，裂隙發育短，裂隙也容易閉合。

另外，《煤礦防治水手冊》中列出了在分層開采條件下的堅硬、中硬、軟弱、極軟弱4類覆巖類型的采動裂隙帶統計公式(表1)，中國礦業大學(北京)、中國煤炭科工集團根據近年來的實測成果和文獻資料，采用數理統計回歸分析方法，也給出了綜放開采條件下堅硬、中硬、軟弱3類覆巖類型的采動裂隙帶預計公式[28]。以上統計公式均顯示，在相同采高時導水裂隙帶高度隨覆巖硬度變弱而明顯降低[29]。

綜上可見，煤層頂板軟弱巖層結構是抑制導水裂隙發育的重要原因。

表1 導水裂隙帶高度計算統計公式[28]Table 1 Calculation formula for height of water conducted fractured zone[28]

1.2 P-G失水控制原理

P-G頂板失水控制基本原理是以降低煤層采掘擾動覆巖的“導水裂隙帶”的發育高度為出發點，將連續性好的基巖層壓裂成為相對非連續性巖層，再采用黏土基類軟弱注漿材料將巖層改造為相對軟弱的巖層，一方面預裂將原連續介質巖層壓裂成為相對非連續性介質后，形成連續弱面結構，削弱采動導水裂隙在堅硬巖層中向上延伸擴展的“尖端效應”，抑制導水裂隙發育高度；另一方面，黏土等軟弱注漿材料充填預裂裂隙和原生裂隙，形成相對軟弱巖層，由于黏土、膨潤土等軟弱注漿材料本身具有較低的滲透能力，在煤層采動影響后還具有較強的膨脹性、自愈性[30]、重塑性[31]等特點，均可降低上覆巖層過水能力，體現了“雙抑制”作用。因此，基于鉆探預裂與注漿改性的頂板水控制方法，從抑制采動裂縫發育和減小含水層過水能力兩個角度達到減小采煤工作面頂板涌(失)水目的，對于提高煤層采高上限，保障煤炭資源高效開采的同時，解決煤層開采引起的覆巖含水層水資源大量漏失等問題提出了新的思路。

2 榆神礦區煤層頂板含水層失水P-G控制方法探討

2.1 研究區概況

榆神礦區位于陜北侏羅紀煤田的核心地帶，是國家能源重化工基地的重要組成部分，礦區含煤地層為侏羅系中統延安組(J2y)，煤層覆巖由下至上依次為侏羅系直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系洛河組(K1l)，新近系保德組(N2b)，第四系離石組(Q2l)、薩拉烏蘇組(Q3s)、風積層和沖積層，如圖2所示。由于地層剝蝕、風化等地質作用影響，延安組主采煤層及上覆直羅組、安定組、洛河組構成的基巖裂隙含水層厚度、富水性均變化較大，保德組與離石組低滲透層是礦區隔水關鍵層，薩拉烏蘇組、風積層和沖積層形成的具有統一聯系、富水性好的松散含水層組是礦區煤層開采保水的目標含水層，“煤–基–土–沙”形成的“煤在下、水在上，煤水共生”是礦區典型的水文地質結構。

圖2 榆神礦區主采煤層分布與覆巖結構[24]Fig.2 Distribution and overburden structure of main mining coal seams in Yushen Mining Area[24]

據中國地質調查局《陜北能源化工基地地下水勘查》成果顯示，榆神礦區內已勘探和正在勘探的水源地共有15處[32]，水源地的主要補給來源為分布 廣、富水性好、水質好、埋深淺的薩拉烏蘇組含水層。以榆神三期為例，規劃區涉及的水源地有紅石峽、瑤鎮和采兔溝3個水源地保護區，規劃區與這3個水源地的重疊面積為459.51 km2[33]，其中紅石峽水源地保護區位于三期規劃區西南部，二者重合面積 39.94 km2，主要重合區位于郭家灘井田；瑤鎮水源地保護區位于三期規劃區東北部，重合面積約150 km2，榆神三四期規劃區的水源地保護一直是限制礦區開發的主要原因。

由表2可知，榆神中南部礦區(一期、三期)最上可采煤層一般為2–2煤，煤層平均埋深261.15 m，可采厚度0.8～12.49 m，在金雞灘至大保當一帶2–2煤層厚度大多在8 m 以上，平均厚度可達10.04 m，屬于巨厚煤層[34]，區域大量實測結果顯示，煤層采動導水裂隙的平均裂采比達25倍，因此，在隔水關鍵層缺失地區或其他未缺失地區，當一次采全高時，導水裂隙可能突破隔水關鍵層，存在薩拉烏蘇組含水層失水問題，該地區被劃分為“可控保水區”[1]。為實現煤炭資源的保水開采，目前，榆樹灣、曹家灘、金雞灘等煤礦采用分層采煤工藝以實現保水開采，在一定程度上限制了煤炭資源高效開發。

表2 榆神礦區典型礦井主采煤層與覆巖層厚度統計Table 2 Statistical table of thickness of main mining coal seams and overburden of typical mines in Yushen Mining Area unit：m

2.2 P-G控制方法探討

筆者基于預裂與注漿改性的煤層頂板含水層失水控制基本原理，根據榆神礦區不同區域煤層覆巖地質與水文地質特征，提出以采煤工作面地質與水文地質條件分析，采煤工作面頂板含水層涌(失)水模式識別，P-G模式、層位與時間確定，頂板巖層水平孔水力壓裂與注漿改性為主要思路，對采煤工作面頂板含水層失水控制方法進行探討。

2.2.1 采煤工作面地質與水文地質條件分析

榆神礦區受剝蝕、風化等作用影響，主采煤層覆巖結構差異較大，分析開采煤層與頂板含隔水層空間結構特征與水力特征，包括巖層巖性、含(隔)水層厚度、空間分布特征，以及覆巖層力學與水文地質特征參數等，為確定煤層開采頂板含水層失水模式，分析P-G層位提供基礎資料。

2.2.2 采煤工作面頂板含水層涌(失)水模式分析

根據工作面開采地質與水文地質條件，結合采煤工作面開采煤層厚度、埋深及開采方法，采用經驗公式法預計采煤工作面在不同位置采動導水裂隙帶發育高度，分析導水裂隙與覆巖含、隔水層空間關系，確定煤層開采影響下覆巖失水模式。

榆神三四期規劃區，開采煤層埋深較大(一般大于400 m)，如小壕兔、小保當2號等煤礦，采動導水裂隙一般發育至基巖含水層，導水裂隙與近地表的松散含水層間仍余留完整或相當厚度的相對低滲透層時，工作面以基巖含水層側向失水為主，一般不會引起松散含水層地下水越流失水，可實現“自然保水”[1]。

榆神中南部礦區(一期、三期)，開采煤層厚度大(一般大于8 m)，埋深為200～400 m，如金雞灘、曹家灘、榆樹灣等煤礦。相關研究表明[35-36]，該區在一次采全高條件下，煤層采動導水裂隙穿過基巖含水層進入風化基巖含水層或相對隔水層，由于大范圍基巖與風化基巖含水層水壓驟降，導致與松散含水層間的水力梯度劇增，巖層滲透性變化。據文獻資料[37-38]，當采后有效隔水層厚度為42.6 m的離石黃土或21.0 m的保德紅土時，潛水才不會發生顯著漏失。因此，在隔水層厚度不足地區易形成松散含水層越流失水，目前榆樹灣、曹家灘、金雞灘等煤礦采用分層采煤工藝以實現保水開采，文獻[1]中將該區總體劃分為可利用分層、限高、條帶、煤柱留設等開采工藝的“可控保水開采區”。

榆神一二期規劃區，開采煤層埋深較淺，一般小于150 m，如薛廟灘、涼水井、錦界等煤礦，采動導水裂隙將直接突破土層或達到地表[39]，造成松散含水層水大量流失，被劃分為難以保護水資源的“保水限采區”(圖3)，為典型的“直接型”失水模式。

圖3 采動覆巖導水裂隙與含水層失水Fig.3 Water flowing fractured zone of overlying strata and groundwater loss caused by coal mining

另外，在煤層覆巖地層被剝蝕、燒變或溝壑切割、基巖與土層變薄甚至缺失等非正常區段，如榆神礦區三期的郭家灘、錦界等煤礦，由于無厚度穩定的隔水層保護，易出現局部的“漏水天窗”，形成了近地表松散含水層“天窗”型失水模式。

可見，“可控保水開采區越流失水型”“保水限采區–直接失水型”“漏水天窗區天窗失水型”為控制薩拉烏蘇組等松散含水層失水的重點區域。

2.2.3 P-G模式分析

根據榆神礦區不同區段煤層開采失水模式，選擇不同的P-G模式。榆神礦區一二期規劃區，井田的開采煤層埋深較淺，采動導水裂隙直接穿透隔水層，采空區上方無相對完整的隔水保護層[40]，易引起區域型頂板含水層失水問題，是典型的頂板直接失水模式，針對該類開采區域宜采用“區域型”P-G模式以控制松散含水層失水。

榆神中南部礦區(一期、三期)，井田的開采煤層埋深一般在200～400 m，為松散含水層越流失水模式，或局部直接失水模式。大量研究成果顯示，覆巖采動導水裂隙范圍為典型的“馬鞍形”分布特征，即采煤工作面兩側大于中部區段，曹志國等[15]通過分析工作面煤層開采引起的覆巖層不同區段采動應力狀態及拉張、壓剪、壓縮破壞特征，提出在采煤工作面兩側形成集中主導水裂隙通道，并對采取人工干預措施對覆巖中已形成的導水裂隙實施人工修復(如注漿封堵) 進行了討論；而位于彎曲帶中上部的巖層在壓縮變形后，垂向滲透能力將降低[41]。由此可見，主導水裂隙通道一般分布在工作面兩側，采空區正上方則保留一定厚度的隔水土層，易在工作面兩側形成條帶狀集中失水通道。因此，針對該失水問題可通過“條帶型”P-G模式來控制主導水裂隙通道失水。

在煤層覆巖空間結構變化較大的井田，如巖層剝蝕(基巖與土層變薄、缺失)、燒變或溝壑切割等非正常區段，局部存在導水裂隙揭露、突破隔水關鍵層的問題，易形成局部的“漏水天窗”，導致地下水的集中“匯”項，也會引起近地表富水性好的松散含水層發生區域性失水問題。因此，通過分析識別井田“漏水天窗”后，宜采用“局部型”P-G工藝來控制天窗型通道失水。

2.2.4 P-G層位分析

劈裂–壓密注漿是砂巖層注漿工程中的主要模式[42]，巖層裂隙為漿液運移、充填提供主要空間，榆神礦區松散含水層下部的離石組、保德組軟弱土層，本身具備良好的低滲與自塑性，是礦區保水關鍵層[43]，基巖層頂部的巖石頂面受到不同程度的風化，巖層結構雜亂，松軟易碎，具備抑制導水裂隙發育的能力。而煤層頂板延安組、直羅組以細–粗砂巖為主，一般為中硬基巖層，采煤導水裂隙易發育。因此，通過預裂和注漿改性相對較硬的延安組與直羅組正常基巖層—抑制采動導水裂隙發育—保護保德組與離石組隔水土層—減少薩拉烏蘇組等松散含水層地下水滲漏，是榆神礦區確定P-G層位的基本原則。

可見，將保護保德組與離石組隔水土層下伏的正常基巖層(不含風化基巖層)作為P-G上限層位，當P-G層位過低(靠近煤層)，巖層直接垮落，或采動上行裂縫開度過大，難以達到注漿減滲效果。大量工程實踐表明，中硬基巖層地面鉆孔分段水力壓裂有效范圍一般為30～40 m[44]，可將預計導水裂隙帶中上部正常基巖層可確定為P-G目標層(圖4a)。

2.2.5 P-G實施時間分析

在工作面回采前開展P-G施工較之采后施工，可大幅降低頂板松散含水層的潰水潰沙災害風險和水資源流失程度，另外，可避免P-G工程實施過程中由于采動裂隙導致的水力壓裂泄壓、注漿漿液漏失等問題[45]。

2.2.6 水平孔水力壓裂與注漿改性材料分析

通過施工地面水平分支孔，依據P-G工藝與層位分析結果，對巖層進行水力壓裂形成水力壓裂裂縫，地面水平孔終孔層位為預計導水裂隙帶中上部30 m左右。另外，選擇黃土、黏土、膨潤土等軟弱材料作為注漿材料，通過地面水平孔對壓裂后的巖層注漿而形成注漿層，將巖層改性為人工隔水層。因此，基于鉆探預裂與注漿改性頂板水控制方法，如圖4b所示，從抑制采動裂縫發育和減少含水層過水能力兩個角度達到減小采煤工作面頂板涌(失)水問題。

圖4 P-G煤層頂板含水層失水控制Fig.4 Water loss control diagram of P-G coal seam roof aquifer

3 結論

a.基于長鉆孔分段水力壓裂、地面定向鉆孔超前區域注漿加固改造等技術，從降低煤層采掘擾動覆巖的導水裂隙帶發育高度和覆巖過水能力為出發點，提出基于預裂與注漿改性(P-G)的采煤工作面頂板水失水控制技術思路。

b.采煤工作面頂板P-G失水控制基本原理為通過壓裂工藝將連續性好的基巖層壓裂成為非連續性巖層，削弱采動導水裂隙在堅硬巖層中向上擴展的“尖端效應”，抑制導水裂隙發育高度。再采用黏土基類注漿工藝將巖層改造為相對軟弱巖層，達到抑制導水裂隙帶向上發育和降低上覆巖層過水能力的“雙抑制”目的，從而實現煤層頂板含水層失水控制。

c.根據榆神礦區不同區域煤層覆巖地質與水文地質特征，以采煤工作面地質與水文地質條件分析，采煤工作面頂板含水層涌(失)水模式識別，P-G模式、層位與時間確定，頂板巖層水平孔水力壓裂與注漿改性為主要思路，探討了榆神礦區采煤工作面頂板含水層P-G失水控制方法。

d.基巖層壓裂效果、注漿材料選擇，注漿改性后的巖層力學強度和滲透能力變化，以及煤層頂板含水層失水控制效果等需要進一步開展室內實驗和工程測試等研究工作。