華北型煤田區域治理工程設計關鍵參數研究

盧玲敏

（中國煤炭地質總局 水文地質局，河北 邯鄲 056004）

1 概況

隨著防治水技術的進步，煤礦防治水害手段越來越多樣，有物探超前探測、微震監測技術、采空區疏排技術，導水裂隙帶高度探測技術等。隨著華北型煤田煤礦開采強度和深度不斷增加，其中高水頭、大流量的奧灰巖溶地下水成為制約開采下組煤最主要的因素，但上述這些方法對于此類情況的水害防治而言，效果甚微。

區域治理的煤層底板注漿加固技術是一種改善底板隔水性、提高底板完整性和抗水壓能力的重要的治理防治水技術措施，是解放受承壓水威脅的煤炭資源、提高經濟效益的有效手段。由于奧灰水水量大，水頭高，大埋深的特點，治理難度加大，因此工程設計尤為關鍵。區域治理工程設計是通過對礦井的地質及水文地質特征（構造及含隔水層特征、充水水源、充水通道、突水系數等） 的分析；目的層段的確定；區域治理一系列關鍵參數（孔口位置、靶前距、水垂比、分支孔間距、驗證孔原則等） 的選定，最終確定區域治理方案的。通過邯邢礦區礦井實例驗證，說明治理效果明顯，能達到安全開采的目的。

2 華北型煤田地質及水文地質特征

華北型煤田位于我國華北地臺范圍內，北自陰山構造帶，南至秦嶺構造帶，西起賀蘭山構造帶，東臨黃海，包括晉、冀、魯、豫、京、津區域和蒙、陜、甘、寧、蘇、皖、遼、吉局部區域，通稱華北型煤田，如圖1 所示。

圖1 華北型煤田分布示意Fig.1 The distribution of North China Coalfield

區內發育地層為中元古界、古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、第三系和第四系，地表被第四系松散沉積物覆蓋。含煤地層主要以中石炭統本溪組、上石炭統太原組和下二疊統山西組為主，目前隨著煤礦開采強度和深度不斷增加，淺層煤資源日益枯竭，解放煤礦深部煤炭資源迫在眉睫。

2.1 地質構造概況

華北型煤田位于中朝準地臺，其構造運動以升降為主，表現形式為高角度的正斷層，逆斷層比較少見，這種構造特點為底板巖溶突水創造了有利條件，是煤層安全開采的主要影響因素。

斷裂構造發育，一方面使奧灰巖溶水以垂向或水平側向等方式補給石炭系薄層灰巖，造成奧灰與薄灰水力聯系密切，局部地段成為一個含水體；另一方面破壞了煤層底板隔水層的完整性，造成斷層處地層破碎、力學強度降低，在礦壓、水壓的作用下易發生底板突水。

2.2 含水層特征及充水因素分析

華北型煤田分布之廣、煤層之多、儲量之大，在煤層開采時，不同時代煤層所遇到的水文地質問題和復雜程度亦不相同。隨著華北型煤田煤礦開采強度和深度的不斷增加，已由淺層煤向深部下組煤資源開采轉移。水文地質問題也主要是高水頭、大流量的奧灰巖溶地下水為主要威脅。且巖溶水系統往往是一個向斜或單斜構造，在構造內煤水共存。巖溶發育，富水性強，多數屬于強—中等逕流區。

根據華北煤田范圍內以往發生突水情況分析，判斷出區內主采煤層的主要充水水源為煤層底板的水量大、水頭高的奧灰水，主要充水通道為導水斷層、導水陷落柱、裂隙密集帶及封閉不良鉆孔等垂向導水通道，存在較高的突水危險性。需要通過探查治理工程的實施，切斷奧灰突水通道，保證底板隔水層的完整性，因此需要針對區內斷層開展有針對性的探查與治理工作。

3 目標層確定

探查與注漿目的層的確定對治理效果起至關重要的作用。目的層的選擇應綜合考慮，主要因素有：開采煤層底板充水條件和隔水層特征；厚度宜不小于5 m，且空隙較發育具有注漿條件的地層；增強煤層底板隔（阻） 水性能和強度；目的層與開采煤層之間的距離應滿足安全開采的需要。

4 設計關鍵技術參數的確定

隨著煤層埋深的增大，伴隨高水壓帶來的突水威脅極為嚴重，采掘進度、生產與防治水矛盾突出，高水壓、大流量、構造發育、陷落柱隱伏性強、埋深大施工難度大等難題，對區域治理探查治理工程提出了更高的要求，因此技術參數的確定成為了關鍵。

4.1 地面鉆孔位置的選擇

鉆孔孔口位置的選擇至關重要，決定了鉆孔施工的難易程度及能否有效完成鉆探任務，孔口位置的選擇主要從以下方面考慮：治理區域的范圍、幾何形態及構造發育的優勢方位；孔口到治理區域的距離要滿足水平定向井對靶前位移的要求；孔口位置盡可能使鉆孔軌跡避開采空區與巷道，并保持15 m 以上的安全距離；地面建筑物與地形情況，選擇較為空曠，便于施工的區段。

4.2 全角變化率

全角變化率，又稱“狗腿嚴重度”，指在單位井段內三維空間的角度變化。它即包含了井斜角的變化，又包含著方位角的變化，其計算方法為：

式中：a1為井段上端點處井斜角，°；a2為井段下端點處井斜角，°；△φ為該井段內方位角的絕對變化值，°；△L 為該井段內的長度，m；K為全角變化率，°/30 m。目前技術常用狗腿度范圍在9～12°/30 m。

4.3 靶前距

設計規定的必須鉆達的地層位置的目標點為著陸點，通常是以地面井口為相對坐標原點的大地坐標系的經緯度來表示。所謂靶區，就是在著陸點所在的水平投影面上，通常是以著陸點為圓心，以靶區半徑為半徑的一個圓面積，如圖2 所示。以允許實鉆井眼軌跡偏離設計著陸點的距離，稱為靶區半徑。靶區半徑的大小，根據勘探開發的需要或鉆井的目的而定。

圖2 定向井剖面示意Fig.2 Directional well profile

靶前距即為設計著陸點到直井段延長線的距離，就是在靶區平面上，實鉆井眼軸線與著陸點之間的水平距離。目前技術的靶前距一般控制在150～250 m。在設計控制點與靶點時要求鉆孔盡可能多地沿目標層位鉆進，本次設計將控制點設計到奧灰八段底部，靶前距為160 m。

4.4 水垂比

所謂水垂比是指定向井的水平段長度與定向井垂直深度的比值。在煤礦區域治理工程中，考慮地層及設備能力因素，結合以往類似項目施工經驗，鉆孔水垂比一般取比值不大于3。水垂比越高，采出率越高，但鉆進難度也越大。目前，當水垂比≤3 時，技術可行，相對經濟合理，并可據此控制定向井總工程量。

4.5 鉆孔間距布置原則

根據注漿擴散距離確定合理孔間距，按照邯邢礦區各礦井工作面底板注漿擴散半徑試驗實測數據，底板灰巖注漿擴散半徑一般為35～55 m，結合邯邢礦區已有區域探查治理項目實測數據，一般正常地段水平孔間距選擇小于等于60 m 較合理，鉆孔以探查構造為重點，在構造發育區段鉆孔間距適當加密，水平孔間距選擇30～40 m 為宜，施工中應當逢漏必注。

鉆孔軌跡的方位包括主孔方位與分支孔方位，主孔方位的選擇要保證其他分支孔能夠實現目標區域的覆蓋。一方面，主孔方位要保證鉆孔單元中兩側鉆孔能夠順利完；另一方面，鉆孔軌跡還應盡可能與裂隙的優勢發育方位斜交，同時兼顧對周邊突水點附近區域的探查。

4.6 驗證鉆孔原則

鉆探注漿結束后，再用檢查孔壓水試驗形式進行檢查，達到探查、治理、效果驗證三位一體布局。

檢查孔應在分析施工資料的基礎上在下列位置布置：一開始平行于治理區域的中心線，驗證孔盡可能多的穿過或垂直較多水平分支孔，并應自上而下分段鉆進，分段阻塞，分段進行壓水試驗，一般30～50 m 做一次壓水試驗，壓水試驗宜采用單點法；布置在基巖破碎、斷層與裂隙發育、強巖溶等地質條件復雜的部位；布置在泥漿注入量大、漏失量大的孔段附近；布置在防滲要求高的、鉆孔偏斜過大、灌漿過程不正常等經分析資料認為可能對治理效果有影響的部位。

5 實例方案

邯邢礦區是典型的華北型煤田大水礦區，邢東礦井田含煤地層為中石炭統本溪組、上石炭統太原組和下二疊統山西組，共含煤15 層，目前主采2號煤。該井田治理區內曾發生多次突水，區域探查治理區為-980 水平以深區域，面積約2.6 km2，治理區域內受制約開采的2、2 下、6 號煤儲量為774.68 萬t，地表均被第四系松散沉積物覆蓋，地層平緩，傾角10°～15°。設計地面孔口時，按照孔距70 m 均布奧灰近水平鉆孔，以探查區內已知斷層為重點，兼顧探查周邊構造異常區，對整個-980 以深區域進行探查治理。

5.1 地質構造概況

井田位于邯邢煤田東北部。邯邢煤田的區域大地構造位置在太行山東麓深大斷裂西側，太行山隆起帶之東緣，華北盆地西緣，屬華北古板塊內太行山次級斷塊的范疇，區域內發育大量北北東～北東向正斷層及少量北西向正斷層，組成一系列地塹、地壘和階梯狀斷塊。

邢東礦井田位于邢臺市區以東，2 條重要的北北西走向的正斷層之間，即邢臺1 號正斷層與邢臺2 號正斷層，因此井田內斷層發育，東部、西部、北部、南部、中部分別發育有走向大致平行且密集排列的張扭性斷裂，還發育有縱橫交錯的中小型斷層。依據勘探和巷道揭露，目前該井田共發現高角度正斷層240 余條，共揭露陷落柱7 個。

5.2 含水層特征及充水因素分析

邢東礦井田主要含水層共11 層，開采2 號煤時的直接充水水源為山西組2 號煤頂板砂巖裂隙承壓水和下石盒子組砂巖裂隙承壓含水層水，2 號煤頂板砂巖水與下石盒子組砂巖水是礦井正常涌水量的主要組成部分。生產礦井實際資料表明，煤系地層中的含水層，一般以靜儲量為主，水量較小，對采掘安全構不成威脅。但是當煤系含水層與奧灰水溝通時，尤其是2 號煤頂板砂巖水、本溪灰巖和大青灰巖與奧灰水溝通時，水量將會增大，對煤礦生產安全構成威脅。

5.2.1 充水水源

邢東礦開采過程中2 號煤承受奧灰水壓大，一旦奧灰水涌入礦井將危及礦井的安全。-980 水平以深區域煤系基底存在巨厚灰巖強含水層，開采深度1000～1237 m，奧灰富水性無論是在剖面上還是平面上都是不均一，2 號煤層底板承受奧陶系灰巖巖溶裂隙水水壓約12 MPa，區域構造發育，進入-980 水平以深開采后，發生過3 次奧灰突水，給安全生產造成巨大威脅。

5.2.2 充水通道

奧灰水涌入礦井的途徑主要為垂向的導水通道。垂向導水構造包括導水斷層、導水陷落柱、裂隙密集帶及封閉不良鉆孔等。

（1） 斷層。當斷層溝通奧陶系灰巖地下水時，對礦井危害極大。該井田斷層眾多，依據勘探和巷道揭露，目前共發現高角度正斷層240 余條。其中，落差大于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。大斷層控制了礦井的生產邊界，區內斷層的發育使得部分區域奧灰與煤系地層對接。斷層增加了奧灰突水的危險性，是探查與治理的重點。

（2） 陷落柱。生產過程中共揭露陷落柱7 個，目前揭露的陷落柱皆為不導水陷落柱，但礦井深部開采過程仍存在揭露導水陷落柱及發生隱伏導水陷落柱的可能性，陷落柱一旦導水會形成奧灰突水通道，是礦井深部開采探查與防治的難點。

（3） 裂隙密集帶。深部開采過程中，巖體變形破壞受采掘活動擾動影響大，裂隙密集區巖體較破碎，強度低，受到采動影響，易形成奧灰突水通道。

（4） 封閉不良鉆孔。封閉不良鉆孔包括未封堵或封閉不良鉆孔，特別是與奧灰含水層相連通的鉆孔，生產中應預先處理。

5.2.3 煤層底板突水系數計算

承壓水體上采煤普遍采用突水系數評價理論，以突水系數作為帶壓開采安全與否的計算指標，其計算公式為：

式中：T 為突水系數，MPa/m；p 為底板隔水層承受的水壓，MPa；M 為底板隔水層厚度，m。2 號煤層全部處于奧陶系灰巖含水層水位以下，受到底板突水的威脅。

由鉆孔資料得，邢東礦2 號煤底板至奧灰之間隔水層厚度85.05～262.55 m，平均厚度為156.962 m，2 號煤底板至奧灰頂面之間防護層巖性組成主要為砂巖、泥巖、灰巖、鋁土巖、煤等。-980 以深煤層底板標高-980—-1250 m，探查治理區域煤層底板標高-1050—-1150 m，奧灰水位標高為+66.84 m（D 水1，奧灰7 段）。根據計算，-980以深區域突水系數為0.07～0.098 MPa/m，大于構造發育區段底板臨界突水系數0.06 MPa/m。因此，應通過區域性探查與治理工程，確保煤層底板隔水層的完整性，排除垂向導水構造發育的可能性。

5.3 目標層確定

邢東礦井田治理區內發生多次突水，且構造發育。通過對該井田的地質及水文地質特征的分析，判斷出礦井的主要充水水源為水量大、水頭高的奧灰水，主要充水通道為導水斷層、導水陷落柱、裂隙密集帶及封閉不良鉆孔等垂向導水通道，存在較高的突水危險性。結合近年施工進入奧灰的20041、水4、水3 和水9 等地面奧灰水文孔，奧灰八段為較純的灰巖段，巖性主要為灰巖、泥質灰巖及泥灰巖。沖洗液漏失發生在奧灰八段底部，說明本區奧灰八段底部有一定的巖溶發育，將該層段作為本次探查治理工程施工的目標層段。針對區內斷層開展有針對性的探查與治理工作。

5.4 工程設計及工程量

地面孔口布置距離邢東礦222 工作面及2127工作面頂板導水裂縫帶距離為168 m 及150 m，均大于該處防水煤巖柱留設要求，可以保證鉆孔不會形成新的突水通道。該地面孔口位于呂家屯村南偏東、東外環路以西，泉北大街以北，交通方便，場地開闊，易于鉆探及注漿施工。

本工程由主孔1 個+水平定向羽狀分支孔20個孔組及2 個水平定向機動孔組成。北區布置12個近水平水層鉆，編號為N1～N12 孔；南區布置8 個近水平鉆孔，編號為S1～S8 孔，共計20 個分支鉆孔，預計鉆探總工程量為16468.40 m。預設2個機動孔JD2、JD2 孔，水平定向鉆孔施工結束后注漿、掃孔。

工程施工過程中，結合邢東礦生產實際，動態調整鉆孔布置方案，按需要增加了部分鉆孔，至工程結束，該礦井共完成1 主孔（直孔段+造斜段）+40 個水平分支孔，實際孔間距70 m，狗腿度17°/30 m，鉆探總工程量27638.98 m，其中直孔段377.90 m，造斜段1100.70 m，水平段26160.38 m，其中最長水平段為S2 孔（實際孔深3058 m，水平段軌跡長1579.40 m）。從鉆探及注漿情況來看，該礦對-980 水平以深區域進行奧灰探查治理的方案是有效、可行的。

6 結語

區域治理技術目前已在冀中能源邯邢礦區、峰峰礦區、安徽淮南礦區、淮北礦區、山西晉城等10 多個大型礦區得到推廣應用，取得了很好的技術經濟效果。經過這些推廣實踐，表明區域治理優勢有：從以往工作面治理擴展到以采區或地質構造單元為治理范圍，強調的是區域治理效果；對充水含水層注漿改造，是從源頭治理，治根治本，安全可靠性高；探查、治理、效果驗證三位一體；提前主動治理，不受采掘生產和采掘巷道的影響；施工效率高，更經濟更合理。