黃河北煤田頂底板定向注漿關鍵技術

陳軍濤，張 毅，武善元，楊 帆，云 明，劉 磊

（1.山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島266590；2.山東能源臨沂礦業集團有限責任公司 邱集煤礦，山東 德州251105；3.中國礦業大學（北京）地球科學與測繪工程學院，北京100083）

礦井水害嚴重威脅人民的生命安全和煤炭的正常開采[1-8]。目前我國礦井水害的防治方法主要有留設安全煤巖柱、降壓開采、注漿堵水、充填開采和限制采高等[9-15]。近年來隨著礦井突水形勢的嚴峻，國家要求煤礦必須落實防治水的主體責任，推進防治水工作由過程治理向源頭預防、局部治理向區域治理、井下治理向井上下結合治理、措施防范向工程治理、治水為主向治保結合的轉變[16]。鑒于此，我國部分礦區采用了定向鉆孔注漿技術對含水層水害問題進行超前注漿治理[17-20]，積極推進煤礦實現“五個轉變”，有效防范和遏制了水害事故。

定向鉆孔注漿治理水害問題的關鍵在于有效探查和切斷隱蔽導水通道，將含水層改造成弱含水層或隔水層，以實現煤層的安全開采，如趙慶彪等[17]利用定向水平鉆孔技術將煤層底板目標灰巖層全面改造為相對隔水層，從根本上消除了邯邢礦區奧灰災害性突水通道。鄭士田[18]針對淮北煤田受底板含水層水害威脅的礦井，采用定向水平井鉆探和注漿探查治理技術改造含水層；安許良[19]，楊騰[20]認為注漿加固是治理煤礦突（涌）水災害的有效手段，通過注漿封堵巖層涌水通道，驅替巖層地下水，提高圍巖抗滲性能，可以有效提高圍巖整體性和承載能力。這些研究成果對含水層改造及水害治理起到了積極作用，但是目前國內外學者對隱蔽導水通道的探查和高質量精準注漿等方面缺乏系統的研究，尤其是受頂板灰巖含水層和底板徐灰、奧灰含水層同時影響的黃河北煤田的水害問題研究較少。為此依據臨沂礦業集團邱集煤礦的水文地質特征，基于含水層富水性及連通性，提出了超前主動、區域協同、逢漏必注和安全推進的防治水理念，采用定向鉆孔技術注漿改造頂底板含水層，實現了含水層巖溶裂隙及隱蔽導水通道的探查和治理，為黃河北煤田類似水害礦井的治理提供了科學的指導作用。

1 研究區概況及水文地質特征

1.1 礦井概況

邱集煤礦位于山東省齊河縣境內，是黃河北煤田第1對試驗型礦井，可采7、10、11、13煤層。7、10煤層屬于二疊系煤層，基本不受水害威脅；11、13煤層屬于石炭系煤層，受頂底板灰巖水害威脅嚴重。目前-395 m水平7、10煤層已基本開采完畢，即將開采-447水平的11、13煤層，其中11煤層厚度約為2 m，13煤層厚度約4.20 m，2個煤層總儲量近2億t。

1.2 水文地質特征

11、13煤層頂板主要含水層為第四系底礫巖、基巖風氧化帶、太原組一灰、二灰、三灰、四灰、五灰，底板主要含水層為徐灰和奧灰，礦井主要煤巖層柱狀情況如圖1。

根據現場抽水試驗及鉆探分析，底礫巖、風氧化帶因富水性弱，對11、13煤層的開采無影響；一、二灰含水層已揭露，均可自然疏干；三灰含水層厚度薄且富水性差，對11、13煤層的開采沒有影響。四五灰厚度為7.85～9.65 m，中間夾雜厚度約1.42 m的夾薄層泥巖，可視為1個含水層，巖溶裂隙發育，富水性中等（0.193 7～0.886 5 L/（s·m）），呈現出局部聚集，區域連通的特點[9]，是11、13煤層的直接充水層；底板徐灰厚度約為8.40～9.45 m（上距11煤層約為34.98 m），富水性弱到強（0.012 1～1.182 7L/（s·m）），突水系數＞0.1 MPa/m，是開采11、13煤層的間接充水含水層；奧灰厚度＞700 m（上距11煤層約52 m），巖溶裂隙比較發育，單位涌水量為0.020 4～4.141 L/（s·m），富水性弱到強（0.005 62～4.141 L/（s·m）），突水系數為0.08 MPa/m，存在區域構造破碎帶。因此，11、13煤層主要受頂板四灰和五灰、底板徐灰和奧灰含水層的威脅。

1.3 頂底板含水層連通問題分析

2006年，11煤層軌道石門掘進期間發生較大涌水，同時發現奧灰水位下降，四五灰水位上升，水壓差達到了3.8 MPa，說明頂板四五灰和底板奧灰含水層之間有垂向補給通道。后期多次放水試驗也表明：頂板四五灰與底板徐奧灰之間水力聯系密切。因此，需要將頂板四五灰和底板徐灰和奧灰作為聯通整體來考慮水害治理方法。

2 黃河北煤田含水層水害治理方法

圖1 礦井主要煤巖層柱狀圖Fig.1 Histogram of main coal strata in the mine

為有效解決黃河北邱集煤礦面臨的水害威脅，礦井統籌考慮頂底板含水層及巖性特征后，確定了超前主動、區域協同、逢漏必注和逐步推進的水害防治理念，決定采用定向鉆孔技術注漿改造頂底板薄層灰巖，該技術可以精確控制地面定向鉆孔的導斜段在灰巖層位中長距離順層鉆進，鉆孔軌跡呈線狀展布，鉆孔利用率和施工效率高，可最大限度地探查煤層與含水層間的隱蔽導水通道并治理目標層位，切斷頂底板含水層間的水力聯系，增強注漿治理和改造效果，以實現區域協同治理目標，定向鉆孔鉆探系統如圖2。

圖2 定向鉆孔鉆探系統Fig.2 The directional drilling system

針對11、13煤層受頂底板雙重灰巖威脅的特殊情況，確立了定向鉆孔注漿治水的思路為：在地面適當位置布置井場，鉆孔在工作面外側進入四五灰和徐灰，順層探查并注漿灰巖含水層裂隙，將含水層改造為弱含水層或隔水層，同時封堵四五灰、徐灰和奧灰彼此之間的隱蔽導水構造，在此基礎上對四五灰采區邊界含水層進行帷幕注漿，隔絕區域內外四五灰之間的水力聯系，為后續11煤層的揭露和安全開采創造條件，四五灰含水層注漿鉆孔設計剖面如圖3。

圖3 鉆孔設計軌跡剖面示意圖Fig.3 Schematic diagram of drilling design track section

3 定向鉆孔注漿治水關鍵技術

為有效解決11、13煤層開采面臨的水害問題，礦井采用定向鉆孔注漿技術對頂板四五灰和底板徐灰進行改造，提出了頂底板同注+帷幕注漿、隱蔽導水通道有效探查和高質量精準注漿的治理技術，確保含水層裂隙及隱蔽導水通道的有效探查和封堵，以保障11、13煤層的安全開采，防治水技術路線如圖4。

圖4 防治水技術路線圖Fig.4 Water control technology roadmap

3.1 頂底板同注+帷幕注漿技術

針對11、13煤層同時受頂板四五灰與底板徐奧灰含水層水害影響，且頂底板含水層水位存在垂向補給，隱伏導水構造難以查明的問題，礦井提出了頂底板含水層同時注漿改造含水層，對頂板四五灰進行區域帷幕的治理方法。頂底板同注即定向注漿鉆孔共用1個孔位和一造斜段，施工雙層多分支順層鉆孔對頂板四五灰和底板徐灰含水層進行改造。在鉆孔到達第四系地層中時開始施工造斜段，先使用無磁鉆桿施工底板主孔及分支孔，后調節鉆桿方位在設計位置施工頂板主孔及分支孔，雙重注漿具有鉆探工程量小、覆蓋治理區域范圍廣、治理效率高及有效保障煤層快速投產的特點。

此外在11煤層開采首采區邊界進行頂板四五灰帷幕，隔絕內外四五灰間的水力聯系，最大限度減少工作面開采時的涌水量，雙層多分支順層鉆孔布置如圖5。

根據《礦山帷幕注漿規程》的要求，注漿帷幕體要達到弱透水層，終止壓力應達到靜水壓力的2～3倍[19]，四五灰實際水壓為3.1～4.15 MPa，因此帷幕注漿終止壓力不宜小于10 MPa，同時注漿段在達到終壓值后，每米注入率不大于1 L/min時繼續灌注30 min方可結束注漿。本次采用突水系數法確定帷幕厚度，將突水系數為0.06 MPa/m作為安全標準，確定的帷幕厚度應不小于70 m，邊界帷幕注漿情況如圖6。

3.2“梅花式”和“上下穿層式”導水通道探查技術

大面積全方位有效探查隱蔽導水通道和高效注漿改造含水層，成為11、13煤層水害治理的關鍵。根據四五灰水文地質特征可知，四五灰呈現富水不均勻、上下區域重疊的特點。因此，在已有定向鉆孔注漿扇狀分支孔設計的基礎上，提出了“梅花式”和“上下穿層式”的分支鉆孔鉆進方式，實現了對灰巖含水層裂隙的全覆蓋探查，為后期導水通道的高質量封堵提供保障。梅花式注漿鉆孔布置如圖7，上、下穿層式注漿鉆孔布置如圖8。目前定向鉆孔的分支孔間距為50～60 m，上下起伏高度3～5 m，單孔最多分支孔6個，鉆孔軌跡偏差控制在5‰以內，導水通道探查率達到95%以上，成功實現了含水層裂隙和隱蔽區域導水通道的有效探查。

圖6 邊界帷幕注漿示意圖Fig.6 Schematic diagram of curtain grouting at the boundary of mining area

圖7 梅花式注漿鉆孔布置示意圖Fig.7 Schematic diagram of plum blossoms grouting borehole

圖8 上、下穿層式注漿鉆孔布置示意圖Fig.8 Schematic diagram of upper and lower strata pentration grouting borehole

3.3 高質量精準注漿技術

在含水層巖溶裂隙和導水通道有效探查的基礎上，精準注漿巖溶裂隙和導水通道顯得尤為重要。精準注漿技術是建立在合理布設鉆孔位置及方位的基礎上，礦井提出了采用等距離定向鉆孔注漿技術，最大限度地提高隱蔽導水通道有效探查率，加強治理區域的含水層裂隙注漿，同時利用井上下水文觀測鉆孔建立完善的水文觀測系統，根據含水層水壓水位變化速率及時調整注漿壓力、注漿材料等參數。等距離分支鉆孔布置如圖9，井上下水文觀測孔平面布置如圖10。該技術不僅能夠將頂板薄層灰巖改造成弱含水或隔水層，而且實現了注漿漿液擴散的精準控制和有效封堵，節約了防治水成本。

圖9 等距離分支鉆孔示意圖Fig.9 Schematic diagram of equal distance branch drilling

圖10 井上下水文觀測孔平面布置示意圖Fig.10 Schematic diagram of the plane layout of the upper and lower hydrological observation holes

為保證注漿能夠全面得注漿封堵灰巖含水層及斷層破碎帶，分支孔間距不得大于2倍擴散半徑，同時綜合考慮鉆孔高效利用和經濟合理性原則，孔間距應大于單孔注漿擴散范圍，經過數值分析可知[9]，可將漿液擴散半徑設定為40～60 m，在后期注漿的具體實施過程中，根據施工效果對鉆孔間距進行及時動態調整。

4 現場應用

截至2018年底，礦井對二水平11煤層首采區一、二塊段頂底板含水層共施工19個注漿主孔，95個分支孔，累計完成進尺64 183.74 m，累計注漿量353 880 t，目前已注漿完畢。

4.1 四五灰治理效果

根據水位觀測結果得到的四五灰治理區域內外水位變化如圖11。治理區域內四五灰水位平均值總體呈下降趨勢，與治理前相比水位差達到了126.74 m；位于治理區域外的WS4-6孔和WS1孔，觀測水位也出現了小幅度的下降，水位差分別達到38.76 m和30.32 m，治理區域內外水位差明顯增大。

圖11 四五灰治理區域內外水位變化圖Fig.11 Water level change inside and outside the Si&Wu limestone treatment area

各孔組達到注漿結束標準后對四五灰進行音頻電透視和瞬變電磁探查，發現四五灰含水層的富水異常區基本消失，四五灰富水滲透系數降為0.010 4 m/d，注漿區域的鉆孔涌水量明顯減少，水文觀測孔涌水量由注漿前60～270 m3/h降到6 m3/h以下，表明頂板四五灰含水層采用定向鉆孔和帷幕注漿治理水害技術后，明顯改變了原始含水層的富水性，有效封堵了四五灰巖溶裂隙和導水通道，治理效果較好。

4.2 徐灰治理效果

根據水位觀測結果得到的徐灰治理區域內外水位變化如圖12。治理區域內徐灰水位平均值總體呈現出下降趨勢，與治理前相比水位差達到27 m；位于治理區域外的WX4孔和注7孔，觀測水位也出現了小幅度的下降，治理區域內徐灰水位總體下降大于治理區域外徐灰水位，表明地面注漿改造加固徐灰含水層達到了治理工程目的。

圖12 徐灰治理區域內外水位變化圖Fig.12 Water level change inside and outside the treatment area of Xu limestone layer

各孔組達到注漿結束標準后對徐灰進行音頻電透視和瞬變電磁探查，發現徐灰含水層的富水異常區基本消失，徐灰富水滲透系數降為0.010 4 m/d，注漿區域的鉆孔涌水量明顯減少，水文觀測孔涌水量由注漿前50～240 m3/h降到8 m3/h以下，表明底板徐灰含水層采用采用定向鉆孔注漿后，明顯改變了原始含水層的富水性，有效封堵了徐灰巖溶裂隙和導水通道，治理效果較好。

4.3 治理評價

礦井通過地面定向鉆孔注漿改造11煤層首采區域，采用頂底板同注+帷幕注漿技術、“梅花式”和“上下穿層式”導水通道探查技術和高質量精準注漿技術對四五灰及徐灰板含水層進行了有效治理和改造，最大限度的探查含水層巖溶裂隙和隱蔽導水通道，采用井上、下水文觀測孔水壓實時監控實現了高質量精準注漿，切斷頂底板四五灰、徐灰和奧灰之間的水力聯系，大大減少了四五灰和徐灰含水層的涌水量，成功揭露了11煤層，為安全高效開采煤炭資源提供了安全保障。灰巖和水泥結石體如圖13。

圖13 灰巖和水泥結石體Fig.13 Limestone fissures and cement stone

5結語

1）根據黃河北煤田水文地質特征及實際水害問題，提出了超前主動、區域協同、逢漏必注和安全推進的礦井防治水理念。

2）通過對11、13煤層頂底板水害問題分析，提出了頂底板同注+帷幕注漿技術以改造四五灰含水層，“梅花式”與“上下穿層式”的鉆探技術以有效探查灰巖巖溶裂隙和隱蔽導水通道，等距離定向鉆孔注漿和井上下水文觀測鉆孔實時觀測技術以確保高質量精準注漿等，保障了下組煤的安全開采。

3）首采區11煤層頂底板含水層注漿治理結束后，治理區域內外水位差明顯增大，四五灰和徐灰含水層滲透系數降為0.010 4 m/d，涌水量分別由注漿前的60～270 m3/h和50～240 m3/h降到6 m3/h和8 m3/h以下，實現了11煤層的成功揭露。

4）黃河北頂底板定向注漿關鍵技術，成功實現了頂底板含水層裂隙的有效探查和全方位封堵，為成功解放下組煤提供了安全保障，也為我國黃河北煤田類似礦井水害問題的治理提供了科學的指導作用。