薄層灰?guī)r區(qū)域治理技術(shù)研究與實(shí)踐

李瑩

（冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司 辛安礦，河北 邯鄲056200）

1 礦井概況

辛安礦隸屬冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司，原名黃沙礦，由黃沙區(qū)和辛安區(qū)組成。2013年因礦井資源接近枯竭經(jīng)政府批準(zhǔn)破產(chǎn)重組，更名為冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司辛安礦。重組后井田范圍保持不變，礦區(qū)面積15.280 7 km2；批準(zhǔn)開(kāi)采煤層為2、6、7、8、9號(hào)煤層，開(kāi)采方式為地下開(kāi)采，開(kāi)采煤層標(biāo)高+230—-950 m。目前，礦井主采煤層為2號(hào)煤，2014年礦井核定生產(chǎn)能力為150萬(wàn)t/a。礦井地質(zhì)類(lèi)型、水文地質(zhì)類(lèi)型均為復(fù)雜型，礦井涌水量在30～34 m3/min，屬大水礦井，防治水工作難度較大。

2 11216采區(qū)概況

11216采區(qū)地面為磁縣岳城鎮(zhèn)漳村村莊，工作面南部為岳城水庫(kù)水淹區(qū)，從峰公路從該區(qū)北部穿過(guò)，地面海拔高程+140～+210 m，區(qū)內(nèi)煤巖層呈單斜構(gòu)造，賦存穩(wěn)定。大煤海拔高程-505～-660 m，平均厚度4.2 m，可采儲(chǔ)量約250萬(wàn)t。

采區(qū)處在F38正斷層（落差180 m）下盤(pán)，東西寬330 m，南北長(zhǎng)1 200 m。區(qū)內(nèi)只有3個(gè)地面地質(zhì)勘探孔。因村莊等影響未進(jìn)行過(guò)地面三維地震、電法等物探工作，區(qū)內(nèi)地質(zhì)、水文地質(zhì)資料稀少。

據(jù)南側(cè)申家莊煤礦、北側(cè)212采區(qū)采掘情況推測(cè)，216采區(qū)內(nèi)可能發(fā)育有隱伏的陷落柱、斷層和裂隙等導(dǎo)水構(gòu)造。

3 選取奧陶系灰?guī)r為目的層存在的問(wèn)題

以?shī)W灰頂部為治理目的層的區(qū)域治理工程適用于奧灰頂部風(fēng)化殼充填帶充填效果較好及巖溶發(fā)育程度較低的礦井，該類(lèi)型礦井奧灰頂部多被黏土填充，在奧灰頂部七段或者八段厚度及進(jìn)入奧灰含水層見(jiàn)水深度差異較大，富水性不均或富水性弱。

辛安礦奧灰位于地下水強(qiáng)徑流帶，富水性極強(qiáng)，礦井2010和2011年連續(xù)兩年發(fā)生奧灰突水事故，最大突水量400 m3/min，另外，辛安礦地質(zhì)類(lèi)型為極復(fù)雜型，構(gòu)造發(fā)育且新區(qū)控制程度低，選擇奧灰頂部作為治理目的層不僅構(gòu)造無(wú)法判別，且注漿量大無(wú)法達(dá)到治理的效果，因此選擇奧灰頂部作為區(qū)域治理目的層不符合礦井實(shí)際情況。

4 11216采區(qū)區(qū)域治理技術(shù)方案設(shè)計(jì)

辛安礦綜合分析認(rèn)為，選擇大青灰?guī)r為治理目的層同樣可以使工作面開(kāi)采突水系數(shù)小于0.1 MPa/m，達(dá)到相關(guān)規(guī)定要求，實(shí)現(xiàn)無(wú)水害安全開(kāi)采。研究決定，11216采區(qū)地面區(qū)域治理工程中試驗(yàn)性選擇大青灰?guī)r為治理目的層進(jìn)行區(qū)域治理工作。

4.1 設(shè)計(jì)思路

在地面施工定向水平鉆孔，以大青灰?guī)r含水層為目的層，進(jìn)行區(qū)域水文地質(zhì)條件探查與全面預(yù)注漿加固治理，完成查明水文地質(zhì)條件，封堵奧灰水導(dǎo)水通道的基本任務(wù)，為井下探巷安全掘進(jìn)奠定良好基礎(chǔ)后，在巷道掘進(jìn)中進(jìn)行物探和施工少量的檢查鉆孔，驗(yàn)證大煤底板含隔水層注漿改造效果。

4.2 工程設(shè)計(jì)

4.2.1 目的層的選擇

注漿加固治理目的層選擇大青灰?guī)r含水層（位于大煤底板以下120 m位置）。選擇依據(jù)為，①注漿改造后，區(qū)內(nèi)大煤底板隔水層完整性和阻水能力可全面提高，滿(mǎn)足突水系數(shù)小于0.1 MPa/m要求。②辛安井田奧灰含水層富水性極強(qiáng)，巖溶裂隙發(fā)育，預(yù)計(jì)注漿量大，費(fèi)用很高。③大青含水層為溶隙裂隙含水層，富水性弱—中等，既有利于注漿改造，注漿量又不會(huì)太大，成本較低。

4.2.2 鉆孔設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)主孔1個(gè)，編號(hào)注1，定向分支孔10個(gè)，按水平間距40 m，南北向平行布置，自西向東依次編號(hào)為注1-1、注1-2、注1-3、注1-4、注1-5、注1-6、注1-7、注1-8、注1-9、注1-10。對(duì)覆蓋范圍內(nèi)2號(hào)煤層底板大青含水層進(jìn)行全面改造加固。

因所有鉆孔與區(qū)內(nèi)主節(jié)理發(fā)育方向平行布置，為防止漏探中小型隱伏導(dǎo)水?dāng)鄬樱严叮谧?-4孔內(nèi)，每隔200 m沿近主節(jié)理傾向，仍在大青灰?guī)r內(nèi)順層施工次級(jí)定向分支孔5個(gè)，編號(hào)分別為注1-4-1、注1-4-2、注1-4-3、注1-4-4、注1-4-5。

4.2.3 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主孔結(jié)構(gòu)。①一開(kāi)孔徑為311 mm，下入φ244.5×8.94 mm孔口管530 m（根據(jù)造斜段曲率半徑300 m考慮），并固結(jié)牢固。②二開(kāi)孔徑216 mm，開(kāi)孔段在500～550 m，采取定向鉆井，鉆至大青灰?guī)r，全孔段下入φ178×8.05 mm無(wú)頭管，并固結(jié)牢固，各孔造斜段長(zhǎng)度在440～650 m。③開(kāi)孔徑152.4 mm，裸孔，全部在大青灰?guī)r層內(nèi)順層鉆進(jìn)，直至終孔位置，鉆孔結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Drilling structure

5 工程取得的技術(shù)成果

根據(jù)已經(jīng)施工完成的各鉆孔及巷道揭露資料綜合分析認(rèn)為，區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件清楚，無(wú)陷落柱、導(dǎo)水構(gòu)造。各鉆孔均沿大青灰?guī)r層位施工，均勻布孔，孔間距40～60 m，覆蓋216全區(qū)采煤范圍，施工過(guò)程中只1-2、1-9孔出現(xiàn)漏失，分析為局部裂隙發(fā)育，大青灰?guī)r整體水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單、不富水。216采區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)斷層4條，其中，只有F53斷層南段截?cái)郌54斷層縱向下由大煤層位穿過(guò)大青石灰?guī)r層深切到了奧灰含水層，落差變大，該斷層位于112164里工作面500 m范圍內(nèi)正下方。

F53斷層為壓扭性走向正斷層，該斷層自2號(hào)煤層位向下到大青層位延伸過(guò)程中，斷層位置由112164里工作面運(yùn)料巷西側(cè)逐漸發(fā)育至運(yùn)煤巷東側(cè)，斷層全部處于工作面里段正下方，對(duì)工作面里段底板連續(xù)性破壞明顯。經(jīng)注1-5、注1-7-1孔施工情況綜合分析，斷層應(yīng)不垂向?qū)?/p>

根據(jù)注1-11-2孔鉆探成果資料分析，奧陶系灰?guī)r含水層頂面與大青灰?guī)r含水層底板層間距為25 m，大青灰?guī)r層厚5～6 m，大青灰?guī)r含水層頂面與2號(hào)煤底板層間距120 m以上，因此，奧陶系灰?guī)r含水層與2號(hào)煤間正常層間距在150 m以上，隔水層厚度穩(wěn)定。

根據(jù)鉆孔情況分析，該含水層平面連續(xù)性好，沉積穩(wěn)定。井下施工的效果檢驗(yàn)孔均穿過(guò)大青灰?guī)r。據(jù)井下鉆孔揭露，該含水層單孔涌水量0～6 m3/h，大部分小于2 m3/h，水溫21.9℃～23.5℃，水位為-493～-105 m，大青灰?guī)r含水層整體富水性弱，僅局部裂隙發(fā)育，水力連通性較差。經(jīng)過(guò)地面區(qū)域治理工程，該層已由含水層變?yōu)楦羲畬印?/p>

地面區(qū)域治理鉆孔，在注漿加固改造大青灰?guī)r期間，其隔水層底板在高達(dá)19～23 MPa壓力情況下，巷道未發(fā)現(xiàn)漏漿，證明隔水層阻隔水性能良好。地面鉆孔注漿全過(guò)程，與巷道間最小巖柱95 m，未在井下巷道、采空區(qū)以及巷道揭露的斷層帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)有水泥漿液的痕跡，且之后施工的區(qū)域治理效果檢驗(yàn)孔，揭露大青含水層時(shí)，發(fā)現(xiàn)了地面鉆孔注漿時(shí)壓入地層的循環(huán)液，水呈紅褐色，但揭露山伏青灰?guī)r含水層時(shí)，其水質(zhì)無(wú)變化，進(jìn)一步表明，現(xiàn)條件下，區(qū)內(nèi)底板隔水層阻隔水性能良好。地面鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中，揭露野青、山伏青灰?guī)r含水層時(shí)，與巷道間巖柱最小分別為42 m、92 m，承受的壓力分別為9 MPa、10 MPa，巷道內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)跑漿，這也說(shuō)明底板隔水層阻隔水性能良好。

6 技術(shù)、安全及經(jīng)濟(jì)效益

6.1 技術(shù)效益

選擇以薄層灰?guī)r為治理目的層的技術(shù)創(chuàng)新為區(qū)域治理工程在治理煤礦底板水害提供了新的解決途徑，該技術(shù)創(chuàng)新具有實(shí)施簡(jiǎn)便，試用范圍廣、判層及治療效果顯著的優(yōu)點(diǎn)，具有極大的推廣意義。

6.2 安全效益

選擇以薄層灰?guī)r為治理目的層能夠有效判別薄層灰?guī)r層位的隱伏構(gòu)造，同時(shí)對(duì)含水層進(jìn)行注漿改造，對(duì)隔水層進(jìn)行注漿加固，能夠有效地防治底板水害的發(fā)生，解放待采的煤層，保證安全生產(chǎn)。

6.3 經(jīng)濟(jì)效益

經(jīng)過(guò)以薄層灰?guī)r為治理目的層的區(qū)域治理工程，能夠有效地防治底板水害，保證煤層開(kāi)采安全，解放了整個(gè)11216采區(qū)的2號(hào)煤層，解放煤量250萬(wàn)t。

7 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)11216采區(qū)地面區(qū)域治理工程的實(shí)施，對(duì)于以薄層灰?guī)r為治理目的層的區(qū)域治理工程，辛安礦積累了大量經(jīng)驗(yàn)。

（1）大青灰?guī)r平面連續(xù)性好，沉積穩(wěn)定，厚度約6 m。

（2）大青灰?guī)r作為治理目的層層厚較小，斷層、隱伏構(gòu)造易于控制，漿液擴(kuò)散容易控制。

（3）大青灰?guī)r含水層整體富水性弱，僅局部裂隙發(fā)育，水力連通性較差，經(jīng)過(guò)地面區(qū)域治理工程，該層可以由含水層變?yōu)楦羲畬印?/p>

（4）大青含水層為溶隙裂隙含水層，富水性弱-中等，既有利于注漿改造，注漿量又不會(huì)太大，成本較低。

（5）地面區(qū)域治理鉆孔，在注漿加固改造大青灰?guī)r期間，其隔水層底板在高達(dá)19～23 MPa壓力情況下，巷道未發(fā)現(xiàn)漏漿，證明隔水層阻隔水性能良好。

（6）井下施工的區(qū)域治理效果檢驗(yàn)孔，揭露大青含水層時(shí)，發(fā)現(xiàn)了地面鉆孔注漿時(shí)壓入地層的水泥及循環(huán)液（水呈紅褐色），證明大青灰?guī)r內(nèi)漿液擴(kuò)散效果好。

（7）地面定向水平鉆孔孔間距取30～60 m較為合適，水泥漿在大青灰?guī)r含水層內(nèi)擴(kuò)散范圍基本與層間距設(shè)置相符。

（8）地面水平定向鉆進(jìn)技術(shù)以太原組薄層灰?guī)r含水層為目的層進(jìn)行地質(zhì)、水文地質(zhì)條件探查和治理具有可行性，效果良好，可在水文地質(zhì)條件與辛安礦相似的礦區(qū)進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。

8 結(jié) 論

（1）選取薄層灰?guī)r作為治理目的層的區(qū)域治理技術(shù)基本查明了區(qū)域內(nèi)隱伏含（導(dǎo)）水構(gòu)造，將薄層灰?guī)r注漿改造成相對(duì)隔水層，增加了煤層底板隔水層厚度及完整性，為防止煤層底板突水探索出了一條新的技術(shù)途徑。

（2）鉆探過(guò)程中探明一條隱伏斷層，并對(duì)發(fā)現(xiàn)的消除漿液漏失點(diǎn)進(jìn)行了注漿治理，提前消除了底板出水隱患，達(dá)到了超前治理及“治本”的目的。

（3）經(jīng)過(guò)辛安礦11216采區(qū)的實(shí)踐應(yīng)用，證明該技術(shù)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)施簡(jiǎn)便、適用范圍廣泛、效果良好，所總結(jié)出來(lái)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)、經(jīng)驗(yàn)等，對(duì)于奧灰富水和地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜與辛安礦相似的礦井實(shí)施地面區(qū)域治理提供了很好的參考借鑒。