邢東煤礦深部區域奧灰水害探查治理技術

高耀全，方 剛，3，閆興達

（1.中煤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；3.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安710054；4.冀中能源股份有限公司 邢東煤礦，河北 邢臺054000）

長期以來，我國華北型煤田深受煤層底板奧灰水害的影響[1-2]。在礦井建設、生產過程中，由于石炭-二疊紀煤層形成時代等復雜原因，煤層底板奧灰水體通過斷層構造、隱伏陷落柱等不良地質體等通道進入井下采掘工作面，給區內礦井安全生產造成了極大威脅[3-5]。

趙慶彪[6]等開展了奧灰裂隙巖體高承壓水的水平注漿孔漿液擴散機理研究，提出了注漿“三時段”的劃分，并給出水動力學表達式；建立了垂向裂隙中漿水分區水動力學模型，推導出漿液擴散半徑與注漿壓力關系；并對可注性差的上邊界條件漿液擴散變形問題給出了數值模擬方法。董書寧[7]等從華北型煤田超前區域治理施工過程中鉆孔施工條件、層位選取、鉆進工藝等3個主要因素出發，概化底板含水層注漿改造模式，確定治理模式的選擇準則，在此基礎上結合鉆孔布設、注漿材料等指標，劃分亞類模式。劉再斌[8]提出基于不同鉆孔孔型組合的煤層底板水害區域治理模式分類方法，可建立適用于淺部構造發育區加固、中深部形態復雜區改造、深部多分區探查等多種條件的技術體系。蔣向明[9]等認為注漿治理目的層應綜合分析水文地質條件和充水方式；水平孔布設距離應考慮水文地質類型、地質構造復雜程度及發育程度；治理應按“探、注、驗一體化”的思路開展相關工作。高春芳[10]對邯邢礦區大采深礦井所面臨的底板奧灰水害致災關鍵因素進行分析，提出了地面奧灰區域超前治理過程中，將單一工作面逐個治理變為一采區或水平統一治理，將治理層位由薄層灰巖變為奧灰含水層頂部，將回采前治理變為掘進前治理。王威[11]等針對黃河北煤田下組煤開采受頂底板雙層灰巖突水威脅的情況，提出“頂板灰巖帷幕截流，底板灰巖區域治理”的方法。武善元[12]等結合瞬變電磁和抽水試驗結果分析黃河北煤田煤層頂底板含水層富水性，提出梅花式和上、下穿層式分支鉆孔鉆進，井上下水文觀測孔實時監測水壓的含水層裂隙精準注漿技術。孫曉宇[13]等針對巨厚沖積層薄基巖煤層底板灰巖含水層，采用地面L型鉆孔注漿加固。黃北海[14]等采用垂向鉆孔和立體多水平定向分支鉆孔相結合的快速封堵突水點技術。鄭士田[15]提出針對淮北煤田煤層底板存在高壓復合強富水薄層灰巖含水層水害威脅的礦井，應采用定向水平井鉆探和“高密度低壓充填+低密度高壓劈裂式注漿”探查治理技術。徐志遠[16]等根據綜放工作面煤體出水未揭露構造帶、水量小的特點，結合水源、通道探查結果，提出由遠及近布置注漿孔、在支架下才有水泥-水玻璃雙液漿封堵出水裂隙，再對斷層進行全面加固的出水問題處理思路。

綜上成果，對我國華北型石炭-二疊紀煤田內各礦井在建設、生產期間面臨的煤層底板水害問題具有一定的幫助作用和借鑒價值。為此以河北邢東煤礦-980 m水平內多個工作面底板探查治理工程為研究對象，根據鉆探探查、注漿治理，并采用相應的多種手段和方法進行工程效果檢驗，確保礦井防治水安全生產。

1 礦井概況

邢東煤礦位于河北省邢臺市東北部，井田面積約14.5 km2，主要開采二疊系下統山西組2#煤層，采用綜放一次采全高采煤法，頂板管理為自由垮落為主，局部采用充填開采。礦井核定后的生產能力為1.25 Mt/a，井田分為-760 m和-980 m 2個水平，上水平分一、二采區，下水平分一、二、三采區，現礦井-980 m水平的一采區為主要生產區域。井田地貌以沖洪積平原為主，地形總體西高東低，地表水系不發育。

井田地質構造較為復雜，其中，各類斷層發育（多為正斷層，落差＞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）。在井田內發育2個大中型褶皺（向斜中地層傾角8°～15°，背斜中地層傾角15°～30°）。自礦井生產以來，還發現8個陷落柱（X1～X8，其中X1～X7為以往發現，X8為本次工程發現），但均不導水。

井田-980 m水平的2127工作面和2222工作面在回采過程中發生底板奧灰突水，突水峰值分別為210 m3/h和268 m3/h。隨著近5年以來在-980 m水平開展的區域探查治理工程，該水平內的2125、2126、2224、2228工作面相繼完成回采。

2 水文地質概況

井田內分布有11層含水層，自上而下主要分為第四系潛水孔隙含水層組、砂巖裂隙含水層組和灰巖裂隙巖溶含水層組這3類，在各含水層之間，分布有相對隔水層，礦井含隔水層一覽表見表1。

表1 礦井含隔水層一覽表Table 1 List of aquifers and aquicludes in the coal mine

根據礦井采掘揭露及勘查情況，主要受區內各類斷層構造影響，部分含水層之間有所溝通聯系，尤其是局部地區可溝通奧灰巖溶含水層，造成煤層回采過程中的底板突水災害。因此，對礦井深部煤炭資源進行開發的過程中，必須采取奧灰水害探查治理手段和技術，確保礦井安全生產。

3 探查治理技術

3.1 鉆探技術

3.1.1 工程施工

本次鉆探工程綜合考慮了井下工作面布置、構造分布等因素，在地面合適位置布置鉆探工程。

根據現場地質情況分析，認為奧灰八段85 m左右為理想的鉆探注漿層位。地面開鉆，大角度造斜，最終以近水平向鉆進至奧灰巖八段下部，鉆探軌跡控制在進入奧灰60～120 m，在合適位置施工順層定向分支孔，最大限度揭露奧灰導水通道。

區域探查治理工程以70 m間距控制整個區域，設計1個地面主孔為XD1，而后施工地下分支孔，針對整個探查治理區開展工作，具體共布置40個近水平鉆孔，其中，在北區布置17個，南區布置9個，2129工作面布置14個底板超前治理鉆孔，鉆孔軌跡示意圖如圖1，鉆孔實際完成情況見表2。

圖1 鉆孔軌跡示意圖Fig.1 Boreholes track diagram

表2 鉆孔實際完成情況Table 2 List of actual completion of boreholes

3.1.2 鉆探發現

在本次鉆探施工北區分支孔時，通過N4及其周邊鉆孔的施工，發現一陷落柱（X8）。其中，由N4鉆孔鉆進至2 377 m時伽瑪測井曲線、巖屑錄井和鉆時錄井的異常情況進行分析，經后期驗證，證實了該陷落柱的存在。

1）伽馬測井曲線。自N4鉆孔鉆進至2 349 m時的自然伽瑪值陡升至14.6，之后至2 419 m，一直在50左右，最高達到83.63，而奧灰段正常鉆進時其伽馬測井曲線值在5以下。N4鉆孔伽馬測井曲線異常如圖2。

圖2 N4鉆孔伽馬測井曲線異常Fig.2 Abnormal gamma logging in borehole N4

2）巖屑錄井。在N4鉆孔鉆進至2 370～2 405 m過程中，返出的巖屑中含有大量煤屑，巖屑中取出泥巖碎片，滴酸無反應；而正常奧灰段鉆進時的巖屑為灰巖，滴酸后產生氣泡，且并無煤屑及泥巖碎片。N4鉆孔巖屑錄井異常如圖3。

圖3 N4鉆孔巖屑錄井異常Fig.3 Abnormal cuttings logging in borehole N4

3）鉆時錄井。在N4鉆孔自鉆進至2 370 m時，其鉆機鉆速逐漸增快，至2 435 m時最高達到0.476 m/min，而奧灰段正常鉆進時鉆速為0.11～0.15 m/min，鉆時錄井異常情況見表3。

同時，結合周邊各鉆孔鉆進過程中發現的異常情況及后期注漿過程中壓力波動上升的情況，分析推斷出該異常可能為陷落柱等不良構造異常體所致，并圈定其橢圓形異常區，長軸約190 m，短軸約70m，其陷落柱比較破碎、本身被充填、外圍有裂隙。

表3 鉆時錄井異常情況Table 3 List of drilling-time logging anomalies

后期由礦方采用瞬變電磁側向探測、井下槽波探測、地面三維地震資料精細解釋、井下常規鉆探探查及巷探等多種方法進行近一步驗證，最終發現該陷落柱存在并已發育至2#煤層，命名為X8，井下揭露X8陷落柱如圖4。

圖4 井下揭露X8陷落柱Fig.4 Underground exposed X8 collapse column

3.2 注漿技術

3.2.1 工程施工

本次注漿工程的主要目的是充填奧陶系灰巖頂部溶隙和裂隙，封堵斷層等構造薄弱區段，注漿過程中采用合理的注漿工藝保證工程質量。注漿方式采用孔口止漿、高壓注漿法。

根據以往資料及經驗，本次工程確定奧灰八段底部孔隙、裂隙較為發育，注漿層位選擇在奧灰八段下部。本次探查治理工程注漿材料主要為32.5#礦渣硅酸鹽水泥，并采用地面注漿站造漿，通過專用輸漿管路送至探查治理鉆孔，水泥漿液管2趟，管徑50.80 mm。采用主要漿液類型為水泥單液漿，水灰比在1∶1～6∶1之間，注漿工藝技術路線如圖5。

根據以往注漿經驗，本次施工的北區和南區注漿總壓按照10 MPa設計，2129工作面注漿總壓參考冀中能源集團制定《水害地面區域治理管理規定》為12 MPa設計[6-7]。

圖5 注漿工藝技術路線圖Fig.5 Grouting technology roadmap

當注漿壓力達到結束標準后，進行壓水試驗，測得單位吸水率q小于0.005 L/（min·m·m），即可認為該段達到注漿結束標準[2,6-8]。

3.2.2 注漿規律

根據本次工程完成的40個近水平孔的壓水試驗和注漿數據資料，分析注漿量與各相關因素之間的相關關系。

通過分析各參數之間關系，得出相關系數，其中：①注漿段長度與注漿量之間的相關系數為0.082，即注漿段長度與注漿量相關性差；②注漿點距奧灰頂面的距離與注漿量之間的相關系數為-0.074，即注漿點距奧灰頂面距離與注漿量相關性差；③奧灰水位標高與注漿量之間的相關系數為0.219，即奧灰水位標高與注漿量相關性差；④抽水前后奧灰水位差與注漿量之間的相關系數為-0.210，即抽水前后奧灰水位差與注漿量負相關，相關性較差；⑤壓水試驗測得的平均吸水率與注漿量之間的相關系數為0.043，即平均吸水率與注漿量相關性差，幾乎不相關；⑥漏失量與注漿量之間的相關系數為0.148，即漏失量與注漿量相關性較差。

綜上所述，各指標與注漿量相關性均表現較差，表明區域注漿條件相關的因素較少，注漿條件較為復雜。

4 工程效果檢驗

4.1 鉆探效果檢驗

4.1.1 伽馬測井分析

對各鉆孔伽馬測井數據進行整理，繪制出的本次鉆探探查區域的伽馬測井平面對照圖如圖6。

結合鉆孔鉆進過程中的漏失情況，可分析判斷陷落柱、斷層構造等異常區域的導水情況。其中，在北區鉆探時發現的X8陷落柱（不導水），在南區鉆探過程中水平分支孔過SF21、SF27-1斷層帶時，伽馬測井數據異常，但未發現明顯漏失，說明在沒有采掘擾動情況下，該斷層不導水；揭露F23斷層時，有漏失情況，說明該斷層存在導水現象，與后期實際揭露情況相符。

圖6 伽馬測井平面對照圖Fig.6 Gamma logging plane comparison diagram

4.1.2 水位觀測

本次鉆探探查過程中，自N2鉆孔第1次注漿起至T10鉆孔最后1次注漿，先后共進行注漿98次，每次均對鉆孔進行抽水洗井并觀測水位，共測得奧灰水位數據201組，有效地反應出了區域奧灰水位變化情況，抽水試驗前后水位變化情況對比圖如圖7。

圖7 抽水試驗前后水位變化情況對比圖Fig.7 Comparison diagram of water level changes before and after pumping tests

由圖7可以看出，一般情況下經過抽水洗井后所觀測的奧灰水位有所上升，個別情況下抽水后觀測的水位有所下降，說明經過抽水洗井后，奧灰水徑流通道被疏通，觀測的奧灰水位更接近實際。

自N9鉆孔第3次注漿前后，奧灰水位較之前的水位有所上升，且上升趨勢明顯。考慮該鉆孔施工期間有強降雨情況出現，認為奧灰水位上升的原因是大氣降水、地表水補給導致的。

T4鉆孔最后1次注漿開始，水位有所降低，且波動明顯，認為是受2228工作面底板異常出水及后期治理過程影響，該區域奧灰水位有所波動。

4.1.3 水溫觀測

本次鉆探探查過程中，自N2鉆孔第1次注漿起至主孔封孔，先后共進行注漿/壓水試驗102次，在條件允許的情況下對抽出的奧灰水水溫進行了觀測，共測得奧灰水溫數據92組，反應出了平面上奧灰水溫梯度，研究區水溫等值線圖如圖8。

圖8 研究區水溫等值線圖Fig.8 Water temperature contour map of the study area

由圖8可以看出，區域上奧灰水溫為27～34℃，一般情況下水溫為30℃，局部區域奧灰水溫低，與實際揭露煤層底板奧灰水溝通斷層構造的情況相符。

4.2 注漿效果檢驗

4.2.1 注漿情況

在本次探查治理過程中，遇到漏失情況時，觀測漏失量后方可進行注漿，另外，每間隔50～80 m未漏失時，也觀測漏失量后進行壓水并判斷是否形成注漿條件。利用注漿點和壓水點取得的漏失數據，繪制的研究區漏失點等值線圖如圖9。

由圖9可以看出，探查治理區域內漏失點分布不均勻，且較大漏失量的漏失點也未連續分布。說明區域內奧灰巖溶裂隙發育不均一。

圖9 研究區漏失點等值線圖Fig.9 Leakage point contour map of the study area

對各個漏失點和各孔終孔位置均按設計要求進行了注漿和封孔，設計要求終壓10 MPa，除N5鉆孔注漿采用間歇注漿并封孔的方式外，其余各孔注漿終壓不小于10 MPa，符合要求。針對N5鉆孔注漿點，專門施工了N4t鉆孔進行了檢驗，漏失量為0.4 m3/h，注漿量83 t，注漿終壓10 MPa，說明N5鉆孔注漿效果良好。

利用注漿點取得的98個注漿數據，繪制的研究區注漿量差異圖如圖10。

圖10 研究區注漿量差異圖Fig.10 The difference diagram of grouting volume in the study area

由圖10可知，注漿量較大的點主要分布于本工程探查發現的X8陷落柱外側，即N5鉆孔注漿點和N3鉆孔注漿點；另還有S8鉆孔終孔注漿位置注漿量較大，即F23斷層附近。

4.2.2 單位吸水率

地面注漿治理工程中的注漿施工經過充填、升壓和加固3個階段，已經將導水裂隙空間充填加固完畢，且嚴格按照注漿結束標準執行，根據注漿泵壓、吸水段長度等計算吸水率q，當計算結果不大于0.005 L/（min·m·m）時，才能結束鉆孔注漿施工。吸水率計算公式為：

式中：q為吸水率，L/（min·m·m）；Q為壓入流量，L/min；p為作用于施工段內的全壓力，m；L為試段長度，m。

單次注漿前，進行壓水試驗，壓水時需調整壓入流量，直至測到穩定壓力，壓水時間不小于30 min。根據壓水結果，確定是否注漿。注漿時，隨著注漿壓力的增大，逐漸減小注入泵量，直至泵量為90 L/min且壓力≥10 MPa（從T2鉆孔開始，注漿結束標準變更為泵量35 L/min且壓力≥12 MPa），維持30 min以上。

計算注漿前和注漿后的平均吸水率數據，繪制的研究區探查治理前后單位吸水率等值線圖如圖11和圖12。可以看出，各次注漿結束時單位吸水率均不大于0.005 L/（min·m·m）。

圖11 研究區探查治理前后單位吸水率等值線圖Fig.11 Contour map of unit water absorption before and after exploration and control in the study area

5結論

1）研究區工作面回采過程中主要受2#煤層底板奧灰巖溶含水層水威脅，主要充水通道為斷層構造等，并確定了防治施工在奧陶系灰巖八段中開展。

2）采區內存在隱伏陷落柱，同時發現部分區段奧灰地層破碎、斷層發育，存在斷層構造導通奧灰水的現象。

圖12 研究區探查治理后單位吸水率等值線圖Fig.12 Contour map of unit water absorption after exploration and control in the study area

3）通過對研究區內潛在和實際發現的水害問題進行注漿治理工程，經工程完成后的參數檢驗（注漿終壓、單位吸水率、實際回采效果等），解除了探查治理區域的2#煤層底板奧灰水害威脅，從礦井防治水角度確保了安全生產工作。