羊東礦8472 工作面區域治理與分析

曹棟

（冀中能源峰峰集團有限公司 羊東礦，河北 邯鄲 056200）

0 引 言

由于羊東礦水文地質條件復雜，根據《煤礦防治水細則》和公司下發的礦井防治水管理規定，要求“水文地質條件復雜、極復雜且采深大于800 m 的礦井（地區） 要實施地面區域治理”，結合羊東礦生產銜接情況，對8472 工作面采深大于800 m 的區域進行補充地面區域治理工程，首先查明治理范圍內大青灰巖含水層的富水狀況及其水文地質特征，并對大青灰巖含水層進行注漿改造，以達到8472 工作面帶壓開采條件。

1 工程概況

羊東礦8472 工作面地面位置位于南蔣村東及其東北，地表基本為農田，地面標高133.2—148.1 m。工作面井下位置：上部（西部） 以8472 工作面設計范圍為界，北部以F2、F30 號斷層為界，南部以五二下山保護煤柱線為界，東部以F3-1 號斷層保護煤柱為界，工作面標高-630—-830 m。

8472 工作面呈寬緩的褶曲構造，厚度1.1 ～1.96 m，煤層傾角7°～27°，平均傾角17°，平均厚度1.35 m，煤層穩定，結構簡單，無夾石，局部有結核。煤層為石炭系太原組4 號煤（野青煤）。 該工作面走向長1 303 ～1 481 m，傾向長139 ～275 m，面積368 890 m2，可采儲量40 萬t。

根據水害地面區域治理管理規定，工作面外圍區域治理最小范圍要求，8472 工作面在外圍無構造破壞時，依據L=P/Ts 和L=0.5 km 公式計算。

工作面以最低標高-830 m，奧灰水位+136 m，野青到奧灰層間距115 m，Ts 取0.06，K取5，M取1.3 m，KP取0.46。

綜上計算，8472 工作面外圍最小治理范圍取較大值為180 m，治理目的層位為大青灰巖（圖1）。

圖1 羊東礦地層綜合柱狀圖Fig.1 The comprehensive histogram of Yangdong mine strata

圖2 8472 工作面完成工程量平面圖Fig.2 The plane of completed engineering amount in No.8472 face

2 工作面地質特征及構造概況

2.1 地質特征

8472 工作面范圍內各時代地層由老到新有石炭系中統和上統、二疊系、第三系及第四系。

此次施工及注漿目的層為太原組上統底部大青灰巖含水層，厚度4.4 ～7.27 m，平均厚度5.5 m，巖性為灰色及深灰色灰巖，巖性致密堅硬，是煤系地層中主要含水層，在該地層中鉆進過程中，常會發生漏失現象。

大青灰巖頂板為灰黑色砂質泥巖，平均厚度為8.5 m，中間含0.5 m 薄層灰巖。黑色砂質泥巖上部為灰白色中砂巖，平均厚度為7.5 m，可作為大青灰巖頂板一明顯標志層。

底板為8 號煤層，平均厚度1.25 m，不含夾石或礦物結核，結構簡單，煤層底板為1.8 ～2 m 厚的黑色粉砂巖或頁巖。

目的層大青灰巖相比較其頂底板巖性伽馬值較小，鉆時較慢，具有明顯的可區分性。

2.2 地質構造

8472 工作面為羊東礦深部野青掘進工作面，受褶曲構造影響煤巖層產狀變化較大，其附近煤層產狀將出現一些變化并伴有小斷層發育。

2.3 水文地質概況

該工作面主要含水層有奧陶系灰巖含水層、大青灰巖含水層、伏青灰巖含水層、野青灰巖含水層、2 號煤頂板砂巖含水層、石盒子砂巖含水層、石千峰組一段砂巖含水層、第四系卵礫石含水層。其對開采有影響的含水層如下。

（1） 野青灰巖含水層及伏青灰巖含水層以靜儲量為主，補給源不足，水量小，隨采掘延伸和揭露逐漸疏干。

（2） 大青灰巖含水層以灰色及深灰色石灰巖為主，平均厚度5.5 m。該含水層是煤系地層薄層灰巖含水層中最厚、距奧灰含水層最近的1 個含水層，裂隙發育，富水性中等但不均一，部分有溶蝕現象，在構造發育部位接受奧灰水補給時，富水性較強，目前水位標高+10—-380 m。

（3） 奧灰含水層在該區埋深861 ～1 042 m，奧灰頂面標高-725—-906 m，奧灰水位+136 m，該含水層屬深埋型巖溶充水礦床，裂隙發育較差，相對淺部水循環較慢，奧灰地下水靜儲量較大，該含水層與大青灰巖含水層間距25 ～30 m。

3 工程施工概況

3.1 施工設備

此次施工投入的主要鉆探設備有ZJ-40 鉆機，配備3NB-1300 型泥漿泵2 臺，800 kW 電動機1套；注漿設備有ZJ-2000 型高速渦流制漿機1 臺，NBB-390/5-15 型注漿泵2 臺；TBW-850/5A 注漿泵1 臺，注漿環保工作間1 套等，見表1。

表1 投入主要施工設備表Table 1 The table of invested main construction equipment

3.2 鉆孔結構

8472 工作面注6 孔采用三開鉆孔結構，一開表套開孔孔徑450 mm，套管口徑377 mm，隔離第四系松散層；二開開孔孔徑215.9 mm，套管口徑177.8 mm，進入大青灰巖；三開開孔孔徑152 mm，裸孔，沿大青灰巖順層鉆進（表2）。

表2 鉆孔結構表Table 2 The drilling hole structure

3.3 鉆探完成工程量

該工程共施工完成1 個造斜段，5 個水平分支孔，平面投影圖如2、圖3 所示，總計完成鉆探工程量2 796 m，包括造斜段1 031 m，水平段1 765 m，其中最長水平段為6-補4 分支736 m，具體各分支工程量見表3。

表3 完成工程量表Table 3 The completed engineering amount

圖3 8472 工作面與8470 工作面已完成工程量平面關系圖Fig.3 The plane relationship diagram of completed engineering amount in No.8472 face and No.8470 face

4 分項工程質量評述

4.1 鉆孔質量評述

（1） 該工作面此次施工6-補3、6-補4、6-補5 分支相互間距50 m，且與上下注2 孔、注5孔分支成平行狀，6-補6、6- 補7 分支填補該3個分支左端空白區，成射線狀，并且保持間距不超過50 m，施工軌跡嚴格按照設計軌跡進行，最大軌跡誤差上下小于2.5 m，滿足設計要求。

（2） 水平段施工目的層為大青灰巖含水層，地層主要為灰色灰巖及深灰色灰巖，施工過程中按照巖粉與伽馬測井嚴格控制層位，大青灰巖鉆遇率均大于90%，達到設計要求。

（3） 巖屑錄井均按照1/m 巖粉進行撈取，巖粉采取率100%。

（4） 第一層套管隔離沖積層，第二層套管進入大青灰巖2 m；各級套管要求用水泥漿進行正循環固管，并固結牢固。

（5） 所有探查治理分支鉆孔穿過含水層時均要求進行簡易水文地質觀測，觀測率100%。

（6） 進入水平段大青灰巖后各分支均進行壓水試驗，共計壓水24 次，每次壓水時長不少于4 h，計算吸水率均小于0.01 L/min·m·m。

（7） 鉆孔軌跡數據見表1。

4.2 套管固井質量評述

第一層套管開孔孔徑450 mm，鉆進至47 m，進入基巖27 m 左右，起鉆通井，下入377 mm 技術套管，壁厚8.94 mm，隔離第四系松散層。采用上止水法封閉，至固井水泥返出井口，候凝72 h，固井質量合格。

第二層套管采用215.9 mmPDC 鉆頭加螺桿定向鉆進至1 007.42 m，進入大青灰巖垂深2 m，起鉆通井，下入φ177.8 mm 技術套管，套管型號N80,壁厚8.05 mm。固井水泥返至套管底角上150 m，候凝72 h 后掃至套管底角下0.5 m 做壓水試驗，憋壓至10 MPa，維持壓力30 min，觀察壓力降為0.15 MPa，固井質量合格。

4.3 錄井質量評述

工程施工采用的測斜儀器為WMD 型無線隨鉆測斜儀，該儀器含有隨鉆伽馬，能實時分辨地層，綜合井口返出巖粉對地層巖性進行判別，確定地層巖性。

在鉆進過程中鉆遇地層為：第四系沖積層、上石盒子、下石盒子、山西組、太原組。現分述如下。

造斜段鉆遇地層：

（1） 沖擊層：由黃土、粘土、砂土、砂礫巖及半膠結狀砂巖及礫巖組成。地層松散，易坍塌掉塊，泥漿漏失量一般在1.5 ～5 m3/h，未見構造發育。

（2） 上下石盒子組：巖性主要有砂巖和砂質泥巖組成，含部分礫巖，地層較穩定，泥漿漏失量一般在0.5 ～5 m3/h，未見構造發育。

（3） 山西組：巖性主要以粉砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖、2 號煤層、石灰巖組成，地層穩定，泥漿漏失量一般在0.7 ～1.3 m3/h，未見構造發育。

（4） 太原組：鉆遇巖性主要以粉砂巖、4、6、7 煤、山青、伏青等灰巖、中粒砂巖、細粒砂巖、粗砂巖組成，地層穩定，在鉆進過程中探查在4 煤與6 煤之間存在斷層，且未發生漏失。

水平段目的層。

大青灰巖含水層，穩定，厚度為5.5 m 左右，頂板為灰黑色砂質泥巖，底板為8 號煤層，泥漿漏失量一般在0.2 ～2.91 m3/h，在鉆進過程中未見構造發育。

4.4 測井質量評述

各分支實鉆軌嚴格按照設計軌跡、方位施工，造斜段與水平段實際施工軌跡與設計軌跡最大誤差上下小于2.5 m，達到設計要求。

在地質錄井過程中，通過隨鉆伽馬測井與實際巖粉相結合，相互驗證，確保準確判定巖性及地層，不同巖石所含的放射性物質的種類和數量不同，反應出不同伽馬值范圍，其單位為計數率或標準單位API，測井值越大，說明巖層的放射性越強。

此次施工鉆遇巖性主要為砂巖、泥巖、煤層、灰巖等，其中目的層大青灰巖伽馬值較小，相比其頂板及底板地層伽馬值均較小，具有明顯的可區分性（表4）。

表4 目的層及上下巖層伽馬測井值范圍Table 4 The gamma logging value range of target layer and upper and lower strata

4.5 壓水試驗質量評述

8472 工作面注6 孔在水平段鉆進過程按照設計要求不超過80 m 時進行一次壓水試驗，共計壓水試驗24 次，其中6-補3 分支水平段長303 m，壓水4 次；6-補4 分支水平段長736 m，壓水10次；6- 補5 分支水平段長443 m，壓水6 次；6-補6 分支水平段長147 m，壓水2 次；6-補7 分支水平段長136 m，壓水2 次，每次壓水時長均不小于4 h，且計算吸水率均小于0.01 L/min·m·m，說明該工作面探查區域內大青灰巖含水層裂隙不發育。

5 治理成果

5.1 目的層地層及構造

8472 工作面注6 孔分支收集的地層及構造資料如下。

（1） 大青灰巖顏色越靠底板顏色逐漸加深。

大青灰巖厚度約5.5 m，灰巖巖性從上往下變化為，0 ～2 m 為灰色灰巖，2 ～5.2 m 段顏色由灰逐漸變成深灰色，泥質及炭質含量向下逐漸增加，從5.2 ～5.5 m 段巖性逐漸接近煤層偽頂。一般純灰巖段伽馬值小于40 API，接近底板時伽馬值為40～60 API。

大青灰巖上部為灰黑色砂巖，伽馬值為100 ～150 API；大青灰巖底板為8 號煤層，伽馬值為80～100 API，頂底板與大青灰巖相比較鉆時明顯加快，具有可區分性。

（2） 造斜段鉆遇斷層。

6- 補4 分支在施工造斜段時892 m 見4 煤，垂深797.75 m；鉆進至909 m 處見6 煤，垂深809.6 m；鉆進至998 m 處見大青灰巖頂板，垂深860 m，4 煤距離6 煤垂深間距11.85 m，間距變小，其他標志層間距均正常，因此推斷造斜段4 煤與6 煤之間存在斷層，且斷距為12 m 左右。

此次施工5 個水平分支在鉆遇大青灰巖時巖粉及地層順序正常，未見斷層等構造發育。

5.2 目的層水文地質特性

根據《羊東井田精查勘探地質報告》的水文資料和相臨工作面及巷道實際揭露的水文資料，該工作面主要含水層有奧陶系灰巖含水層、大青灰巖含水層、伏青灰巖含水層、野青灰巖含水層、2 號煤頂板砂巖含水層、石盒子砂巖含水層、石千峰組一段砂巖含水層、第四系卵礫石含水層。

此次所施工的造斜段來看，在鉆進至第四系卵礫石含水層、石千峰組一段砂巖含水層、石盒子砂巖含水層、大煤頂板砂巖含水層、野青灰巖含水層、伏青灰巖含水層時均未發生漏失現象，在造斜段鉆遇斷層時也未發生漏失。

水平段在大青灰巖鉆進過程中未發生漏失現象，鉆井液消耗量較小，最大消耗量2.91 m3/h，在鉆進不超過80 m 時進行一次壓水試驗，共壓水24次，壓水過程中均產生一定泵壓，計算吸水率為0.002 4 ～0.009 6 L/min·m·m，小于0.01 L/min·m·m，壓水后測量水位在-300 m 左右，水位較深。說明該工作面鉆遇大青灰含水層裂隙不發育，且靜水儲量較小。

5.3 鉆孔探查成果

羊東礦8472 工作面區域治理工程注6 孔原設計鉆探工程量3 680 m，實際共施工完成1 個造斜段，5 個水平分支孔。該工作面施工的6-補3 分支、6-補4 分支、6-補5 分支間距注2 孔與注5孔分支間距50 m，與其已施工分支成平行條帶狀，6-補6、6-補7 分支位于這3 個分支左端空白區域，成放射狀，間距不超過50 m，在施工過程中5個分支均未發生漏失，經過多次壓水試驗驗證，吸水率均小于0.01 L/min·m·m，且水平段鉆進過程中未發現斷層或其他能夠形成導水通道構造，由此綜合說明，此次治理工作面大青灰巖含水層靜水儲量較小，構造簡單，裂隙不發育，且與奧灰含水層未聯通，達到區域探查治理目的，使該工作面內4 號煤層（野青煤） 及以上煤層開采不受下伏大青及奧灰灰巖含水層承壓水的威脅。

綜上所述，8472 工作面鉆探區域，構造發育簡單，大青灰含水層水文地質條件簡單。

6 結 語

通過對羊東礦8472 工作面區域治理的全過程進行論述和分析總結，可以看到在工程設計中孔位選擇和水平分支孔、分支孔間距的設計是鉆探工程總量的關鍵。而對各分支鉆孔方位、傾角、孔深、探測層位、入窗及靶點等的技術要求是保證施工質量的關鍵。分支鉆孔施工過程層位控制技術是依靠巖粉巖性和伽馬值大小確認。水平段鉆進過程中進行壓水試驗，并根據壓水流量和產生的泵壓，計算透水率大小是判斷含水層裂隙是否發育的重要依據，以上這些均可在類似條件下受底板強含水層水威脅煤層的區域治理工程設計、施工及技術質量評判進行推廣應用。