唐家會礦奧灰水害區域治理試驗工程及防控技術

高銀貴，孔皖軍，安士凱，薛賢明，鄭劉根，常成林，姜春露，國 偉，雷 鋒，王 剛，楊成超

（1．鄂爾多斯市華興能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2．平安煤炭開采工程技術研究院有限責任公司，安徽 淮南 232001；3．安徽大學 資源與環境工程學院，安徽 合肥 230601）

底板奧灰巖溶水害是威脅我國華北型煤田煤炭資源安全開采的主要災害之一[1-3]。圍繞煤層開采底板防治水，國內專家學者進行了大量科學研究與工程實踐，取得了豐富的學術成果。20世紀70年代，峰峰、邯鄲等地提出了“適當疏降，輔以（注漿）堵（水）截流”的底板突水治理思路[4]。之后，邯邢礦區首先引入地面徑向射流技術與壓裂注漿工藝對底板含水層進行改造，實現未采掘區域底板水害的超前治理[5]。趙慶彪[6-7]針對華北型煤田深部煤層開采首次提出了“區域超前治理”奧灰巖溶水害理念和“超前主動、區域治理、全面改造、帶壓開采”的防治水指導原則。峰峰礦區結合深部煤層開采的水文地質條件及奧灰突水機理，提出了多項深部煤層開采防治水方法，基本消除了奧灰水害威脅[8-9]。蔣向明[10]提出注漿治理目的層應綜合分析研究區水文地質條件、突（涌）水方式，選擇離煤層最近、厚度適中、可注性較好的含水層進行注漿改造，按“探、注、驗一體化”的思路進行治理。董書寧[5]針對華北型煤田水害治理，分析總結了華北型煤田煤層賦存和水文地質條件，將鉆孔施工條件、層位選取、鉆進工藝3個主要因素優化組合，將超前區域治理模式系統化。

準格爾煤田位于鄂爾多斯盆地東北緣，主要開采石炭二疊系煤層，屬于華北型煤田。唐家會煤礦是目前準格爾煤田中采深最大、水壓最高的礦井，礦井地下水系統屬于鄂爾多斯盆地地下水系統中的寒武系-奧陶系碳酸鹽巖巖溶含水層系統，主采6煤底板受奧灰巖溶水害威脅嚴重，水文地質條件復雜。目前對于該區域礦井奧灰水害防治技術方法尚不成熟，為此，開展奧灰水害區域治理試驗工程，為后續治理提供最優方案及工藝參數，給礦井奧灰水防治及斷層治理提供依據。

1 研究區概況

1.1 地質條件

唐家會礦井位于準格爾煤田窯溝背斜的西翼，礦區構造形態與煤田構造特征基本一致，地層為走向NE，傾向NW，傾角＜10°，一般在0°～5°左右的單斜構造[11]。井田的中東部和中西部發育有2條斷裂構造帶DF1和DF2，裂隙極發育，走向NE，從井田東北部一直延伸至井田西北部，貫穿整個勘探區，斷層落差一般在20 m左右，最大落差50 m。井田掘進及生產過程中也實際揭露了眾多斷層，大部分落差小于5 m，對生產造成主要威脅的是DF2、DF11及其次生斷層。

1.2 水文地質條件

研究區含水層自上而下為第四系松散層含水層、白堊系下統志丹群承壓水含水層、石炭系～二疊系碎屑巖類承壓水含水層和奧陶系石灰巖巖溶承壓水含水層。其中奧灰含水層水位標高+866.11～+869.12 m，單位涌水量0.007 825～5.26 L/（s·m），水化學類型Cl·HCO3—Na、Cl—Na型，富水性弱～強，局部地區富水性極強[12]。由于井田缺失石炭系太原組和奧陶系峰峰組灰巖層沉積，導致主采6煤與底板奧灰含水層之間局部地段隔水層厚度較薄。奧灰水突水系數為0.020～0.043 MPa/m，正常地段回采6煤時底板突水危險性較小，但由于陷落柱、斷層造成隔水層厚度變薄，增大了突水系數，且奧灰水與上部砂巖含水層在構造部位有一定的水力聯系，采動裂隙也增大了斷層的破壞程度，在構造發育地段奧灰水對煤層開采存在突水威脅。

2 試驗工程

2.1 試驗工程設計

以奧灰水防控為目標，選擇61207工作面開展奧灰水害區域治理試驗工程。在工業廣場布設1號鉆孔，試驗工程施工平面圖如圖1。

圖1 試驗工程施工平面圖Fig.1 The construction plan of the test project

采用地面長距離順層定向分支孔進行區域探查，對工作面底板奧灰含水層和DF2斷層進行探查，奧灰水害區域治理分支孔以50 m為間距呈扇骨狀均勻布設在奧灰頂下20～30 m，斷層治理孔布設于9下煤底板砂巖。試驗工程設計了1-1～1-7及1#1～1#4奧灰水害區域治理鉆孔，其中1-1～1-7孔為平行孔，1#1～1#4孔為發散孔，1#D1孔為兼顧斷層探查治理的鉆孔，1#D1-1和1#D1-2孔為斷層探查治理分支孔，通過注漿對工作面進行加固和對斷層進行治理。

2.2 實際鉆探工程

實際鉆孔施工過程中，因區域地質條件復雜，在奧灰中鉆探沖洗液頻繁失返，起下鉆及注漿占據大量時間，注漿材料花費較高，僅施工1-7、1-5分支孔。斷層治理孔對61202工作面中的DF2斷層帶，以及DF2-1及F201斷層進行治理，施工中發生多次的掉塊、塌孔、埋鉆及泥化現象，致D1斷層治理孔未完孔。治理孔三開段設計見表1。

表1 治理孔三開段設計Table 1 Design of three open sections of treatment hole

鉆孔一開為直孔段，鉆至石千峰組約20 m處新鮮基巖，孔深約170 m，下入170 m長一開套管。鉆孔二開為導斜段，孔深原則上進入到奧灰風化帶以下完整灰巖中，奧灰風化帶以上9煤以下堅硬完整的巖層中，下入套管。

鉆孔三開為裸孔近水平段，孔徑φ152.4 mm，孔深至工作面外側40 m處。三開水平井的著陸點在奧灰中，按奧灰平均頂面以下10~30 m控制，保證鉆孔揭露層位始終在奧灰中。三開裸孔段是多個分支孔經所在的層位，通過頻繁造斜形成分支井，達到覆蓋工作面下部奧灰的目的。鉆探過程中對1-7及1-5分支孔的砂巖和泥巖巖樣進行了巖屑X衍射測試分析，分析分支孔揭露處的巖性。

圖2 奧灰區域治理試驗工程1號鉆孔剖面示意圖Fig.2 Profile of No.1 borehole of Ordovician limestone area treatment test project

2.3 注漿工程

注漿施工過程中對奧灰含水層和砂巖含水層水位進行了對比，明確注漿量和注漿壓力對兩含水層水位的影響。

水泥采用PO32.5硅酸鹽水泥（符合國家GB 175—2007標準）；粉煤灰（符合GB/T 1596—2017的Ⅱ級標準）。吃漿量大時，采用骨料作為注漿材料，采用“水+骨料”或“水泥漿+骨料”的注漿方法，根據現場條件，骨料材料定為風積沙。

采用孔口封閉靜壓前進式分段注漿法。注漿前先進行壓水，注漿中若吃漿量大，可用稠漿（漿液密度：1.3～1.5 g/cm3）進行注漿或采用間歇式注漿法。若吃漿量小，可用稀漿（漿液密度：1.1～1.2 g/cm3）進行注漿。

注漿順序采用插花式跳孔施工方法，先注兩邊孔，再注中間孔，然后再在已注漿孔之間穿插注漿。后序鉆孔注漿時對前序鉆孔的注漿效果進行檢查。單回次注漿起壓等凝后，進行掃孔再注漿，若能吃漿還需繼續注漿，然后再掃孔，直至掃孔不吃漿然后繼續向前鉆進，循環式前進。

由于本區尚無開展奧灰地面區域治理工程案例，參考峰峰、邢臺等地治理工程經驗[9,13-14]，注漿地面孔口壓力為6 MPa。注漿終止時地面泵量不大于60 L/min，穩定時間不小于15 min。

3 試驗工程投入與效率

3.1 試驗工程投入

綜合分析區域治理和斷層治理工程的投入，工程投入對比分析表見表2。

由表2可知，區域治理工程1-7及1-5分支孔中，注漿費用是主要費用，注漿費用占到總費用的80%以上；斷層治理工程中吃漿量大的F1孔注漿費用占到總費用的87%，相比吃漿量很小的D1和F2中注漿費用只占7%~12%。根據試驗工程預算三開段單位投入為0.36萬/m，1-7、1-5及F1孔的綜合單位投入均已遠超該數值。

表2 工程投入對比分析表Table 2 Comparative analysis of project investment

3.2 試驗工程效率

綜合分析區域治理和斷層治理工程的效率，工程效率綜合對比分析表見表3。

表3 工程效率綜合對比分析表Table 3 Comprehensive comparative analysis of project efficiency

由表3可見，工程綜合效率與鉆探回次和注漿量有關，鉆探回次越少，即單回次鉆探進尺越長，鉆探工期越短；注漿量越小，注漿時間越短。在鉆探和注漿中，注漿對工期的影響大，占總工期的67%，約是鉆探時間的2倍，是制約工期的主要因素。鉆探注漿的綜合效率按工期要求需要達到21 m/d，表中只有F2和D1能滿足要求，其他幾個吃漿量大的鉆孔均達不到工期要求。

4 奧灰水害治理技術方案比選

4.1 治理技術方法

1）底板探查加固。目前唐家會煤礦采用順層長鉆孔對底板含隔水層進行探查加固，已安全回采61203、61303和61304等工作面，實施效果已初步得到驗證。該方法是在工作面兩巷形成后，采用井下定向鉆，于9煤底板砂巖中順層鉆進，孔間距40 m，單孔最大日進尺可達60 m，對工作面內實現底板全覆蓋。同時也可結合槽波物探、音頻電透視及瞬變電磁等物探方法所探測的異常區，有針對性地加密鉆孔數量，縮小孔間距，對異常區進行定點探測和治理。以唐家會礦61303工作面為例，該工作面底板探查及注漿加固定向長鉆孔工程自2017年8月10日開始施工，截止2019年1月12日施工完畢，累計完成鉆孔39個（主孔17個，分支孔22個），累計進尺19 509.5 m，掃孔進尺2 763 m，61303工作面累計施工39個底板順層長鉆孔共注水泥471.17 t，鉆探效率可滿足工作面底板探查工作要求。在工作面內無較大斷層的情況下，可以考慮采用以探查為主的底板順層長鉆孔。

2）斷層帶治理。在目前唐家會煤礦勘探情況下，已確定2組集中發育的斷層組DF1及DF2，其中正斷層占絕大多數，多個工作面被斷層截斷為2部分。結合井下揭露情況，落差10 m以上的斷層均導水，巷道掘進和工作面回采均受到斷層導通奧灰水的威脅。若不實施斷層治理，則需留設防隔水煤柱，丟失大量煤炭資源，同時對于斷層橫穿工作面的情況，還需留設防隔水煤柱，重新布置切眼，搬遷安裝設備，嚴重影響采煤接續。以唐家會礦前期對DF2斷層綜合治理為例，采用井上下結合、水平孔加固奧灰頂部灰巖輔助的技術方案，設置2個定向鉆孔(孔內施工6個分支孔)和1個定向水平鉆孔（孔內施工2個分支孔），直孔進尺共1 571.1 m，斜孔進尺1 039.7 m，水平孔進尺498.5 m，注入水泥9 468 t，成功的完成了DF2斷層的治理和加固，及部分灰巖頂部巖層的充填和加固。通過斷層帶治理可以有效解決因揭露導水斷層引發的底板突水，但由于D1分支孔未完孔，因此更重要的是使目前斷層帶治理的技術方法和工程效果得到完全驗證，進一步研究能否實現治理后跨斷層回采。

4.2 方案對比

根據以上對底板探查加固、區域治理、斷層帶治理各技術手段的分析論述，對比以上各種技術方法的效果和優缺點，唐家會礦奧灰水害治理技術對比表見表4。

表4 唐家會礦奧灰水害治理技術對比表Table 4 Comparison of Ordovician limestone water disaster control technology

綜合對比表4，由于現階段試驗結果所得奧灰區域治理工程的費用高工期長，采用“工作面內井下定向鉆底板探查加固”和“工作面外地面定向鉆斷層帶治理”技術路線較合理，即“內探查加固”和“外斷層治理”相結合。

5 結 語

試驗工程中鉆孔三開段在目的層位鉆進中多次發生漏失和失返現象，注漿中吃漿量大，鉆探和注漿的工期長效率低，采用區域治理方式防治底板奧灰水害費用高、工期長，難以滿足工作面生產接續成本控制的需要。根據試驗結果，綜合對比奧灰區域治理技術、斷層帶治理技術和底板探查加固技術，現階段宜采用“工作面內部井下定向鉆底板探查加固”和“工作面外部地面定向鉆斷層帶治理”奧灰水防控技術方案。