定向構筑阻水塞在陷落柱治理中的應用

張曉楠，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

巖溶陷落柱嚴重威脅礦井安全開采，其治理也是重點關注的對象，通常采用截、堵及留設保護煤柱等形式進行治理。從根本上對陷落柱進行治理一直是人們探索的方向，本文介紹了淮南礦區顧北煤礦采用地面定向技術，在前期勘探成果的基礎上，對陷落柱采取上下雙層交圈超前精準區域探查治理的模式進行徹底防治。地面施工2 個孔組19 個地面定向水平鉆孔，分為上下2 個目的層對陷落柱影響區形態進行探查，并進行高壓注漿治理，于陷落柱影響區頂部形成阻水塞，切斷深部巖溶水與煤層間的水力聯系[1]。

1 礦井地質及水文地質條件概況

1.1 井田地質

礦區鉆孔揭露地層自上而下依次為新生界（第四系、第三系） 松散層、二疊系煤系、石炭系（上統） 和奧陶系海相地層[2]。可采煤層8 層，平均可采總厚22.61 m[3]。

1.2 井田水文地質

井田含水層（組） 自上而下主要有4 部分組成，分別為新生界松散砂層孔隙含水層、二疊系砂巖裂隙含水層、石炭系太原組及奧陶系石灰巖巖溶裂隙含水層[4]。其中石炭系太原組巖溶裂隙含水層分成3 個含水組：C3Ⅰ灰巖含水組（1～3下灰）、C3Ⅱ灰巖含水組（4～9 灰）、C3Ⅲ灰巖含水組（10～12 灰）[5]。太原組灰巖巖溶裂隙發育不均一。奧陶系巖溶裂隙含水層為弱—中等富水性。

1 煤層底板承受的灰巖水頭壓力約6.7 MPa，底部奧灰水可沿構造裂隙直接與太灰含水層組發生水力聯系。

2 陷落柱治理方案

2.1 陷落柱特征分析

三維地震解釋發現了疑似巖溶陷落柱后，2014—2015 年，對2 號疑似陷落柱進行了地面鉆探探查，完成地面探查鉆孔7 個、鉆探進尺5 754.18 m，二疊、太灰、奧灰、寒灰混合或單層（組） 抽水試驗27 次，以及聲波測井和井溫測試等，實施擬流場測漏7 孔12 次。

經探查，確定2 號疑似陷落柱為頂界發育在C312 層位、基底在寒灰中的充水、導水型巖溶陷落柱，推測其在-850 m 長軸103 m，短軸84 m，面積6 252 m2。其富水性及導水性極強，水文地質條件復雜。陷落柱影響到4 煤底板駱駝缽砂巖，4煤以上地層與陷落柱無水力聯系，對一水平北一1煤采區回采有較大影響。

2.2 陷落柱治理理念

采用地面定向鉆進技術，地面布置2 個地面主井，在陷落柱影響區治理范圍內實施上下交叉探查、雙層注漿治理的模式，探查可能存在的隱伏導水構造、深部奧灰導水通道和巖溶發育區，并對鉆進過程中揭露的灰巖溶隙、裂隙以及垂向導水構造進行高壓注漿封堵[6]，消除可能存在的垂向導水通道，隔斷奧灰與太灰間水力聯系。

2.3 工程施工情況

鉆孔結構采用三開結構，一開孔徑為311 mm，下入φ244.5 mm×8.94 mmJ55 石油套管，水泥固井，隔離松散地層。二開孔徑為φ216 mm，采取定向鉆井，鉆進至目的層位斜深5 m，下φ177.8 mm×8.05 mmJ55 石油套管，水泥固井并進行套管耐壓試驗。三開孔徑φ152 mm，裸孔，全部在目的層位鉆進，直至終孔位置。鉆進過程中配合巖屑錄井、伽馬錄井、鉆時錄井、鉆井液錄井、簡易水文觀測、井溫、跟層率等參數綜合分析地層發育情況[7]。注漿遵循先稀后稠原則，注漿方式采用孔口止漿、靜壓下行高壓注漿法，連續注漿與間歇注漿相結合。注漿材料采用32.5 礦渣硅酸鹽水泥，特殊情況時添加早強劑及骨料。注漿終壓不小于鉆孔水平段所在位置奧灰含水層靜水壓力的1.5 倍，鉆孔吸漿量不大于60 L/min，并持續不少于30 min。

投入2 臺石油ZJ30 鉆機及相應配套的附屬設備，施工2 個地面孔組，N9 孔組選擇上層治理目的層位太原組C33下灰層位，共施工8 個分支孔，累計注入水泥90 425.9 t，砂118.2 t，工業鹽5 104 kg，三乙醇胺510.4 kg。；N8 孔組選擇下層治理目的層位太原組C39灰對應深度層位上，共施工11個分支孔，累計注水泥88 998.22 t，粉煤灰597.76 t，砂410.6 t，工業鹽900 kg，三乙醇胺90 kg。每個孔組各選擇1 個分支孔進行注漿后效果驗證孔。完成工程量平面布置及施工順序如圖1 所示。

圖1 完成工程量平面布置及施工順序Fig.1 The plane layout and construction sequence of completed engineering quantity

2.4 工程質量評述

對施工鉆孔的工程質量按照表1 進行評述，均達標。

3 陷落柱治理效果分析

3.1 探查成果分析

2 個孔組同時施工，遵循分支孔間隔施工的原則，N8 孔組由陷落柱中心向外側施工，N9 孔組由陷落柱外側向中心施工。位于陷落柱正中心的下層鉆孔N8-4 孔于孔深1 212.00 m 鉆井液失返，N8-5 孔鉆井液未出現明顯漏失，但終孔壓水試驗壓力為0，其余各孔壓水試驗吸水率為0.000 7 ~ 0.008 3（L/min.m.m)。上層目的層鉆孔N9 孔組各分支為發現鉆井液異常漏失現象。各分支孔采用間隔施工的方式，分支孔之間互相檢校注漿效果，通過巖屑中發現水泥位置分析注漿擴散半徑大于40 m。施工過程中未發現上下兩層目的層鉆孔串漿現象。

表1 工程質量評述標準Table 1 Standard for engineering quality evaluation

3.2 注漿成果分析

各分支孔注漿結束壓力均不小于為奧灰靜水壓力的1.5 倍，最大的達到了1.75 倍，注漿初壓為0~8.9 MPa，注漿終壓為7.7~11 MPa，實際注漿量是預期的2.02 倍。注漿量由施工先后順序基本呈減少趨勢，下層陷落柱影響帶中心的N8-4、N8-5分支孔單位吸漿量分別達到了24.62 t/m、38.80 t/m，而該孔組最后施工的N8-9 單位吸漿量只有7.80 t/m；同樣N9 孔組先施工的N9 主孔、N9-1、N9-2 分支孔吸漿量分別達到了21.70、53.97、31.39 t/m，后期施工而且是位于陷落柱影響帶中心的N9-4 分支孔單位吸漿量僅僅只有8.37 t/m，說明后期施工的鉆孔很好的驗證了前期施工的注漿效果，其治理區裂隙已得到較好充填。

3.3 治理效果驗證

3.3.1 返出巖屑驗證

自第二個施工的分支孔均在鉆進時返出巖屑中一直夾雜著大量水泥碎屑，而且鉆進速度同比相對較慢。

3.3.2 注后壓水試驗驗證

注后壓水單位吸水率比注前壓水單位吸水率明顯大幅減少，變化幅度最大的是N8-4 和N8-5 分支孔，從注前壓水的沒有壓力，注后壓水單位吸水率分別減少到了0.0005 和0.000 6 L/ min.m.m，其余鉆孔大部分也有60%的縮減，甚至有的達到了86%的縮減。N8 孔組注前、后吸水（漿） 率對比圖如圖2 所示，N9 孔組注前、后吸水（漿） 率對比圖如圖3 所示。

3.3.3 驗證孔驗證

為了進一步的對前期注漿治理效果進行驗證和鞏固注漿效果，特別對N8-5 分支孔和N9 主孔進行透孔復注兼作驗證孔。

透孔后注漿前壓水試驗數據顯示，單位吸水率分別是0.001 3 L/min·m·m 和0.001 L/min·m·m，明顯比其余分支孔注前壓水單位吸水率要小的多，說明前期注漿治理效果明顯，地層裂隙已得到充填。

圖2 N8 孔組注前、后吸水（漿） 率對比Fig.2 Comparison chart of water(grout)absorption rate before and after injection in No.N8 hole group

圖3 N9 孔組注前、后吸水（漿） 率對比Fig.3 Comparison chart of water(grout)absorption rate before and after injection in No.N9 hole group

4 結 論

（1） 此次治理累計注漿179 424.13 t 水泥，是設計注漿量（8.9 萬t） 的2.02 倍。

（2） 各分支孔注漿終壓均不小于為奧灰靜水壓力的1.5 倍，最大的達到了1.75 倍（N8-1 分支孔），注漿初壓為0 ~ 8.9 MPa，注漿終壓為7.7 ~11 MPa；注漿結束泵量均控制60 L/min；各分支孔注后單位吸水率后單位吸水率為0.000 9 ～0.001 6 L/min·m·m，遠小于設計要求的0.01 L/min·m·m。各分支孔均達到設計注漿結束標準。

（3） 注漿期間未發生串漿情況，說明C33 下灰與C39 灰之間垂向裂隙不發育地層完整或者垂向裂隙已經被漿液充填，阻斷了上下兩層水力聯系。

（4） 后期施工的注漿鉆孔比先期施工的注漿鉆孔注漿量、單位吸漿量均大幅度減少，說明前期注漿充填了治理區域內大部分地層裂隙。

（5） 后期注漿鉆孔返出的巖屑中能看到大量已經凝固的水泥塊，鉆孔吸漿量明顯下降，并且整體呈現涌水狀態，表明漿液擴散半徑達到并超過孔間距，漿液擴散范圍有效覆蓋治理區域。

（6） 對N8-5 分支孔和N9 主孔進行透孔復注兼作驗證孔，注前壓水單位吸水率比前期大幅減少，說明該區域注漿治理后地層滲透性差，地層裂隙已得到較好的充填，注漿效果良好。

（7） 2 號陷落柱有效治理面積為107 591 m2，是設計治理面積（74 667 m2） 的1.44 倍，且做到無盲區全覆蓋。

（8） 從現有的驗證手段來看，陷落柱治理效果良好，但是在該區域采掘活動前，須從井下對2號陷落柱影響帶治理區范圍采取物探和鉆探等手段，進行進一步驗證[11]。