區域探查治理技術在構造治理方面的應用及效果驗證

郭曉帥

（中國煤炭地質總局 第一水文地質隊，河北 邯鄲 056004）

0 引 言

構造導致底板突水是常見的礦井水害形式之一[1]，由于斷層等構造附近地層較破碎，井下鉆進困難且受涌水的影響，井下注漿制漿受限且注漿壓力較低[2]。因此，選取合適的鉆進成孔工藝配合適宜的高壓注漿方式，對斷層帶超前區域探查治理具有重要意義。地面定向區域探查治理技術施工難度小，相比井下治理施工風險小，注漿壓力高，可實現區域超前探查、治理，適用于不同規模的斷層帶治理，效果良好。本文重點介紹基于地面超前區域探查治理技術對斷層的治理技術及效果驗證。其特點在于易于施工，可連續性高壓注漿，實現超前區域治理，改造目的層隔水性能，阻斷深部高壓巖溶水與待采煤層間的水力聯系，從而防止底板突水對生產的威脅[4]。

1 技術方案

（1） 通過前期地質勘探，確定構造發育情況。

（2） 確定治理目的層及目的層位的構造發育情況，預先選定距離煤層底板一定距離且治理后可滿足采煤工作面突水系數不大于0.1 MPa/m 的空隙較發育具有注漿條件的含水層作為目的層。

（3） 根據前2 項手段獲取的各項數據，確定平面治理范圍。

（4） 根據治理范圍確定地面井場位置、地面鉆孔數量、分支孔數量、鉆孔設計深度等，從而進行鉆孔軌跡設計。分支孔宜與斷層（或裂隙、構造破碎帶） 走向垂直或大角度斜交。分支孔間距應根據目的層可注性、注漿材料的擴散性確定，不宜大于60 m，水垂比不宜大于1.5，分支孔仰角不宜大于5°，分支孔應控制整個探查治理范圍。一般采取三開井身結構，分支孔的孔徑152.4 mm[5]。

（5） 鉆探探查施工，具體為：①首先施工直井段；②然后施工造斜段用于連通直井段與目的層水平井段，造斜段施工完畢應下入相應技術套管并固井，二開技術套管用于充當后期的注漿通道，需進行打壓試驗保證固井質量，直井段和造斜段合并計為主井；③進而在主井底部順目的層為按照設計順序依次施工近水平分支孔，直至完全覆蓋平面治理范圍。

（6） 注漿。依據設計注漿原則，鉆探過程中若滿足注漿條件時對已鉆進孔段進行高壓注漿，單個分支孔鉆探過程中不需要分段注漿的，分支孔施工完畢后進行全孔段注漿，孔內漿液擴散凝固后形成設定厚度的隔水層。注漿方式采用分段下行式（前進式），孔口封閉靜壓注漿法進行注漿[6]。注漿漿液可選擇單液水泥漿、水泥—黏土漿、水泥—粉煤灰漿等多種漿液形式，必要時可添加骨料。

（7） 驗證治理效果，采掘活動進行之前于井下施工定向驗證孔驗證地面探查治理效果。

2 實施案例

2.1 井田及采區水文地質條件

2.1.1 地質構造特征

淮南顧北煤田東西長100 km，南北寬35 km，是華北型煤田最南端的整裝煤田。該礦井位于陳橋背斜東翼與潘集背斜西部的銜接帶，總體構造形態為走向南北，向東傾斜的單斜構造，地層傾斜平緩，傾角5°~15°，并有發育不均的次級寬緩褶曲和斷層。根據次級褶曲和斷層的發育特征，可以劃分為3 個區，北部簡單單斜區、中南部“X”共軛剪切區、南部單斜構造區[7]。其中中央1 煤采區總體為一單斜構造，采區中部發育一小型寬緩背斜，起伏不大。采區以斷層構造為主，區內落差大于5 m 的斷層發育9 條。

2.1.2 地層及水文地質特征

該煤田為全隱伏煤田。據鉆探揭露，其地層自老至新有寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、新近系、第四系[8]。主要可采煤為二疊系山西組和上、下石盒子組。含可采煤層8 層，平均可采總厚22.61 m[7]。煤系地層的頂部為古近系、新近系松散沉積地層，厚度0 ～500 m。礦區主要含水層由新生界松散砂層孔隙含水層（組）、二疊系砂巖裂隙含水層（組） 和1 煤底板灰巖巖溶裂隙含水層（組） 等組成[8]。奧陶系富水性為弱—中等富水性[9]。

根據該礦煤層底板灰巖水文地質條件地面補充勘探情況，底板灰巖水富水性弱—中等，富水性不均一，底板隔水層厚度小，灰巖水頭壓力大，局部斷層具導水性，不能排除斷層帶是否導水。

2.2 鉆孔設計

2.2.1 平面治理范圍

采區工作面順槽、切眼外擴30 m 為界，中央1 煤采區1.035 Km2。

2.2.2 鉆孔平面軌跡設計

地面布置3 個井場，2 號井場2 個孔組，4 號井場1 個孔組，5 號井場2 個孔組，分別為N1 孔、N2 孔、N4 孔、N4-1 孔、N5 孔，分別施工多個分支水平孔對斷層帶治理范圍進行無盲區全面覆蓋。相鄰分支孔間距不大于60 m，盡量布置下行孔，水平段與斷層平面上呈大角度斜交。

2.2.3 鉆孔剖面軌跡設計

水平分支段設計順太原組Ⅱ組灰巖底部C39灰層位鉆進，垂向上距1 煤底板間距78 m。

2.3 含水層改造技術

2.3.1 鉆孔軌跡控制

采用三開鉆孔結構，一開：孔徑為311 mm，鉆進至基巖下3 ~ 10 m 穩定地層，下入φ244.5 mm×8.94 mmJ55 石油套管，水泥固井，隔離松散地層，N1~N4 孔需在新生界造斜。二開：孔徑為216 mm，鉆進至9 灰或者9 灰頂板砂巖層位，下φ177.8 mm×8.05 mmJ55 石油套管，水泥固井并進行打壓試驗。三開：孔徑152 mm，裸孔，沿目的層鉆進直至終孔[10]。

鉆具組合。一開段：φ311 mm 牙輪（PDC）鉆頭+φ216 mm 螺桿+φ216 mm 定向短接（MWD組合） +φ165 mm 鉆鋌+φ127 mm 鉆桿+133×133四方立軸。二開段：φ216 mmPDC（或牙輪） 鉆頭+φ165 mm 螺桿鉆具+φ165mm 定向短接（MWD組合） +φ165 mm 無磁鉆鋌+φ165 mm 鉆鋌+φ127 mm 鉆桿柱+133×133 四方立軸。三開近水平段：φ152 mmPDC（或牙輪） 鉆頭+φ120 mm螺桿鉆具+φ120 mm 定向短接（MWD 組合）+φ121 mm 無磁鉆鋌+φ89 mm 鉆桿柱+φ89 mm加重鉆桿柱+133×133 四方立軸。

2.3.2 定向鉆孔軌跡控制

一開鉆孔軌跡采用實時井斜監測，保證垂直度。造斜段及水平段鉆孔軌跡采用MWD 正脈沖定向儀器（含伽瑪探管） 進行隨鉆測量，測點間距不大于10 m。設計狗腿度8.5°~ 10 °/30 m。鉆進過程中結合錄井、隨鉆伽馬等手段，準確判斷地層變化，確保實測軌跡與設計軌跡平面投影偏差不超過2 m。

2.4 注漿工藝

2.4.1 一般原則

根據注前壓水試驗計算的含水層吸水率選擇漿液比重[11]，遵循先稀后稠原則，注漿方式采用孔口止漿、高壓注漿法。當連續注漿水泥超過鉆孔預計注漿量，且孔口壓力沒有明顯變化時，可采用間歇注漿，間歇時間不低于12 h。采用間歇、復注等措施無效時，采用添加細砂作為骨料對地層進行注漿充填。

2.4.2 注漿材料

注漿材料為32.5 硅酸鹽水泥，不允許使用受潮、結塊或過期的水泥，其質量應符合國家GB175-2007 標準。造漿用水水質須滿足國家混凝土用水標準（JGJ 63-2006），其SO42-含量應＜2 700 mg/L，pH＞4。水泥單液漿中可加入0.03%～0.05%三乙醇胺和0.3%～0.5%食鹽作為早強劑。漿液比重1.3～1.5，特殊情況可調高至1.6。泵量10～40 m3/h。

2.4.3 注漿結束標準

終壓不小于奧陶系灰巖含水層靜水壓力的1.5倍，泵量不大于60 L/min，并持續30 min 以上。

2.4.4 完成工程量

完成43 個水平鉆孔，鉆探工程量33 092.96 m，50 次注前壓水試驗、47 次注后壓水試驗，累計注漿279 323.95 m3，用水泥155 389.92 t、砂173.86 t、工業鹽14 350 kg、三乙醇胺1 435 kg。完成工程量平面布置如圖1 所示。

2.5 治理效果檢驗

2.5.1 施工過程中自身驗證

2.5.1.1 鉆孔質量驗證施工過程中采取分支孔間隔施工，鉆孔質量、注漿過程及結束標準滿足設計及相關規范要求。

2.5.1.2 鉆探過程中簡易水文觀測驗證

下一分支孔鉆進時根據簡易水文觀測成果檢驗前期注漿效果。如N2-4 孔鉆進至斷層附近沖洗液最大漏失量14 m3/h。經分段注漿加固后后期二次鉆進時鉆探到同樣裂隙區時，沖洗液未發現漏失現象反而地層涌水0.35 m3/h，說明前期加固注漿效果良好。

圖1 完成工程量平面布置示意Fig.1 The plane layout of completed engineering quantity

2.5.1.3 漿液擴散半徑檢驗

在鉆探過程中，相鄰分支孔觀測到巖屑中混合水泥碎屑的最近距離為36 m，相鄰分支孔部分孔段間距60 m 可觀測到水泥碎屑，如N2-5 孔注漿施工完成后，在其相鄰鉆孔N2-4 孔鉆進至1 548.00 m 返出含有水泥碎屑的巖屑。N5-8 孔注漿施工完成后，在其相鄰鉆孔N5-12 孔鉆進至1 345.00 m 返出含有水泥碎屑的巖屑。二是N2-7在9 灰段注漿，漿液從同一采區4 號井場的N4-10孔9 灰水平井定向（孔深1 052 m） 孔口跑漿，漿液有效擴散距離169 m 以上。說明擴散半徑大于設計值30 m，可以保證水泥漿液擴散至全區覆蓋。

2.5.1.4 壓水試驗驗證

注前壓水試驗，N2 孔組的分支孔相鄰分支孔受注段單位吸水率大多隨施工順序呈減小趨勢，說明前期的注漿對后續受注孔段產生影響，同時后續施工孔段的單位吸水率減小也驗證了前期注漿充填效果。

注漿前后吸水率對比，各分支孔注后單位吸水率明顯小于單孔注前單位吸水率，驗證各分支孔的注漿效果，見表1。

表1 注漿前、后吸水率對比Table 1 Comparison of water absorption rate before and after grouting

2.5.1.5 單米注漿量驗證

局部來看，間隔施工后，中間鉆孔的單米注漿量呈現處明顯降低現象，整體來看前期施工鉆孔單米注漿量高于后期施工鉆孔，說明前期施工區域注漿對后續施工區域起到一定的填充加固作用。

2.5.2 井下鉆探驗證

中央1 煤采區系統巷道掘進前及首采工作面煤、巖巷掘進前，井下施工了地面區域驗證鉆孔，鉆孔間距不超過100 m，分別對治理目的層C39 灰和其上部C33 下灰層位進行了驗證，經驗證，未出現異常涌水現象，地面區域探查治理效果良好。

3 結 語

預先選定距離煤層底板一定距離且治理后可滿足采煤工作面突水系數不大于0.1 MPa/m 的空隙較發育具有注漿條件的含水層作為目的層，在目的層采用定向多分支水平井均勻分布，改造目的層隔水性能，阻斷深部高壓巖溶水與待采煤層間的水力聯系，防止底板突水的威脅。超前區域探查治理特點是“超前主動、源頭預防、區域治理、治保結合”，治理原則為堅持奧陶系灰巖水與太原組灰巖水防治并重、區域超前探查治理。

采用地面定向鉆進技術，于目的層施工多個水平分支孔均勻分布覆蓋治理范圍，注漿治理后將目的層改造為隔水層，對構造進行超前區域治理，滿足安全開采的需要。此方法施工難度小，相比井下治理施工風險小，注漿壓力高，可實現區域超前探查、治理，適用于不同規模的斷層帶治理，治理效果好。