薄灰奧灰雙重水害防治技術(shù)研究

◎ 邯鄲市孫莊采礦有限公司 賀文濤 申偉

位于邯邢水文地質(zhì)單元的南單元峰峰礦區(qū)，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，奧灰補(bǔ)給面積大，富水性強(qiáng)且極不均一，煤層底板隔水層承受奧灰水壓高，是開采深部煤層的主要威脅。尤其是對位于強(qiáng)徑流區(qū)煤炭資源的開發(fā)，目前探測技術(shù)和常規(guī)的礦井防治水技術(shù)與手段難以完全滿足礦井安全生產(chǎn)需要，礦井防治水形勢嚴(yán)峻。因此，在如此復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下，探索可以避免煤層災(zāi)害性奧灰突水的綜合治理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)礦井防治水技術(shù)的一次提升和創(chuàng)新。

一、研究意義和研究現(xiàn)狀

位于邯邢水文地質(zhì)單元的南單元峰峰礦區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造發(fā)育隱蔽性強(qiáng)，目前探測技術(shù)難以完全滿足礦井安全生產(chǎn)需要，是河北省境內(nèi)乃至全國礦井防治水形勢最嚴(yán)峻的礦區(qū)。僅近20 年來，曾多次發(fā)生奧灰特大突水災(zāi)害。

隨著開采深度的加大，一方面煤層底板隔水層厚度明顯減小，煤層底板發(fā)生奧灰突水的風(fēng)險(xiǎn)加大；另一方面，煤層底板承受奧灰水壓、礦壓和煤層底板破壞深度明顯增大，而煤層底板隔水層抗水能力明顯降低，底板導(dǎo)水構(gòu)造甚至采動(dòng)裂隙成為誘發(fā)底板突水的通道，奧陶系灰?guī)r含水層成為安全生產(chǎn)的巨大威脅。伴隨著開采深度的增大以及開采淺部下組煤，開采環(huán)境也發(fā)生了相應(yīng)的變化，礦井安全生產(chǎn)形式趨于嚴(yán)峻。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一經(jīng)過多期的勘探，淺部勘探程度明顯高于深部，淺部地質(zhì)、水文地質(zhì)條件基本查清；第二受勘探程度以及相關(guān)種種影響因素的制約，淺部勘探結(jié)果可靠度明顯高于深部，深部某些地質(zhì)構(gòu)造沒有得到有效控制；第三受勘探程度、勘探結(jié)果可靠性和地質(zhì)、水文地質(zhì)條件變化的不確定性等因素的制約，深部地質(zhì)、水文地質(zhì)條件與淺部相比具有明顯差異性，需要投入相當(dāng)數(shù)量的補(bǔ)充勘探和試驗(yàn)工作；第四深部煤層底板隔水層承受奧灰水壓和礦壓明顯高于淺部；第五深部煤層開采煤層底板擾動(dòng)破壞深度明顯大于淺部煤層開采，與此相對應(yīng)煤層底板有效隔水層的厚度卻明顯小于淺部煤層開采；第六水害類型發(fā)生了明顯的變化，開采淺部煤層主要水害類型以地表水、老空水和老窯水（小煤礦開采和歷史上小煤窯開采形成）為主，大氣降水對開采影響明顯且不具滯后性。開采深部煤層主要水害類型以底板水巖溶水為主，大氣降水對開采影響具有一定的滯后性。開采深部或開采淺部下組煤與開采淺部上組煤存在的上述差異，致使煤層底板巖溶水害成為現(xiàn)狀條件下必須認(rèn)真對待的現(xiàn)實(shí)問題。

大量突水案例和煤層底板突水機(jī)理表明，煤層底板突水絕大部分由構(gòu)造引起，尤其是災(zāi)害性突水均由導(dǎo)水構(gòu)造引起。因此，避免煤層底板災(zāi)害性突水事故的核心科學(xué)問題是查明煤層底板的垂向?qū)畼?gòu)造分布情況，并采取注漿加固措施對其進(jìn)行加固，以阻斷煤層與下伏奧灰強(qiáng)含水層的垂向水力聯(lián)系。煤層底板隔水層的抗水性能是降低煤層底板災(zāi)害性突水風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)。12661 工作面試采工作前期進(jìn)行的井下治理工程實(shí)踐表明，位于強(qiáng)徑流區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域的開采深部山青煤底板大青含水層裂隙發(fā)育各向異性特征更加突出，不存在理論意義的擴(kuò)散半徑。單純利用井下對大青灰?guī)r含水層注漿改造，無法實(shí)現(xiàn)對所謂擴(kuò)散半徑范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)層巖體的注漿改造，更不可能實(shí)現(xiàn)對煤層底板構(gòu)造的精細(xì)探查與治理。必須結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況，探索適用于上述條件的新技術(shù)、新手段。

利用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)對煤層底板進(jìn)行綜合治理技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)對治理區(qū)域空間范圍內(nèi)的全覆蓋，最關(guān)鍵的是通過水平定向鉆孔的軌跡控制實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定向，保證分支孔沿目標(biāo)層進(jìn)行鉆進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)對底板構(gòu)造的精細(xì)探查與治理以及對非均質(zhì)各向異性體的加固改造。水平定向鉆進(jìn)技術(shù)已在峰峰集團(tuán)羊東礦、九龍礦、辛安礦多個(gè)礦井開采2#煤（煤層底板與奧灰含水層間距120 米左右）中得到了成功應(yīng)用，取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但與上述礦井具有本質(zhì)區(qū)別的孫莊礦要解決的是與煤層底板奧灰含水層間距僅為70 米～103 米的山青煤水害綜合治理問題。

二、山青煤綜合治理成套技術(shù)研究

以山青煤層底板突水機(jī)理分析為切入點(diǎn)，結(jié)合邯鄲市孫莊采礦有限公司（以下簡稱孫莊礦）地質(zhì)環(huán)境，通過系統(tǒng)分析強(qiáng)徑流區(qū)典型山青工作面水害綜合治理現(xiàn)場施工資料，探索強(qiáng)徑流區(qū)山青煤水害綜合治理成套技術(shù)。利用定向分支鉆孔對導(dǎo)水構(gòu)造和目的層進(jìn)行注漿加固，達(dá)到減低奧灰災(zāi)害性突水的風(fēng)險(xiǎn)，為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。凝練了以“定”“探”“判”“注”“驗(yàn)”相結(jié)合的山青煤綜合治理成套技術(shù)。

（一）定：確定綜合治理方案

確定綜合治理方案，主要包括確定目標(biāo)層、布孔方案（水平定向鉆孔方向、間距、數(shù)量、施工順序）、注漿堵水技術(shù)與工藝（鉆孔結(jié)構(gòu)、材料選擇、注漿參數(shù)等）。綜合治理方案關(guān)系到治理效果，應(yīng)結(jié)合具體問題具體分析。治理目標(biāo)層有兩個(gè)選項(xiàng)，大青灰?guī)r或者是奧灰含水層頂部，應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場具體情況進(jìn)行確定。如果以垂向?qū)畼?gòu)造探查為核心，且采動(dòng)不會(huì)波及到治理目標(biāo)層，宜選擇大青灰?guī)r含水層作為職位目標(biāo)層；如果以含水層改造為核心，采動(dòng)可能會(huì)波及到治理目標(biāo)層（大采深礦井），宜選擇奧灰含水層作為目標(biāo)層。布孔方案關(guān)系到治理效果和投資，水平定向分支孔越密治理效果越好，但投資量也會(huì)越大。一般依據(jù)治理區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境確定合理的間距。注漿堵水技術(shù)和工藝是堵水工程具體實(shí)施的環(huán)節(jié)，應(yīng)以基本的水文地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合必要現(xiàn)場壓水試驗(yàn)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，以確定所需要的參數(shù)（如水灰比、漿液密度、注漿壓力。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)等）。通常選擇采用單液水泥漿或水泥+粉煤灰（泥土）漿液進(jìn)行下行式單孔分段連續(xù)注漿技術(shù)與工藝，雙孔注漿、間歇注漿、連續(xù)注漿等聯(lián)合注漿技術(shù)與工藝。起始漿液密度選擇1.10g/m3，依據(jù)現(xiàn)場具體情況進(jìn)行調(diào)整，以避免漿液大量流失。根據(jù)實(shí)際情況，整個(gè)綜合治理方案應(yīng)分階段按步驟有條不紊地進(jìn)行，各階段針對具體問題進(jìn)行施工，環(huán)環(huán)相扣，層層加固，最終達(dá)到良好的治理效果。鉆孔布置主要依據(jù)突水區(qū)域大小、地層結(jié)構(gòu)、堵水環(huán)境等確定。

（二）探：探查導(dǎo)水構(gòu)造

利用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)對治理區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全覆蓋垂向?qū)畼?gòu)造和大青灰?guī)r完整性水平定向鉆做測精細(xì)探查技術(shù)。垂向?qū)畼?gòu)造水平定向鉆做測精細(xì)探查的目的是探明煤層底板垂向?qū)畼?gòu)造的空間分布形態(tài)、規(guī)模，為底板發(fā)生災(zāi)害性突水事故的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)提供依據(jù)。大青灰?guī)r完整性的水平定向鉆做測精細(xì)探查就是查明大青灰?guī)r含水層的裂隙連通性、張開性及發(fā)育區(qū)域，以確定大青灰?guī)r含水層的完整性。

（三）判：判段鉆進(jìn)層位

判定垂向?qū)畼?gòu)造發(fā)育部位、空間形態(tài)和規(guī)模大小以及大青灰?guī)r裂隙發(fā)育部位、連通性等特征。水平定向鉆孔的軌跡控制實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定向，保證分支孔沿目標(biāo)層進(jìn)行鉆進(jìn)，一旦巖性發(fā)生變化表明此部位存在構(gòu)造，巖性（利用巖粉）判別是垂向構(gòu)造存在的最有效指標(biāo)，隨鉆測斜和軌跡控制是關(guān)鍵。結(jié)合煤層底板巖性組合特征鉆孔揭露情況可以判定其規(guī)模和空間形態(tài)。通過循環(huán)液漏失量、注漿量可以判定構(gòu)造裂隙發(fā)育程度及導(dǎo)水性。若巖性無變化，則可以利用循環(huán)液漏失量、注漿量對大青灰?guī)r含水層裂隙發(fā)育情況、連通性和張開性進(jìn)行直接判定。隨鉆測定的自然伽馬則為裂隙發(fā)育程度的間接判別指標(biāo)，一般灰?guī)r中泥質(zhì)含量越高，自然伽馬值越大，反之越小。灰?guī)r越純巖溶裂隙越發(fā)育，伽馬值越小，通常小于20。

（四）注：注漿加固與改造

通過鉆孔注漿，對導(dǎo)水構(gòu)造和裂隙實(shí)施有效封堵，以達(dá)到巖體加固與改造的目的。一般依據(jù)制定的綜合治理方案、施工順序，并按確定的注漿參數(shù)、工藝，逐孔逐段（依據(jù)循環(huán)液漏失量、壓水試驗(yàn)等確定注漿孔段）進(jìn)行注漿加固與改造。為減少水泥的消耗，可以選擇粉煤灰、粘土等作為輔助材料，輔助材料參入量應(yīng)依據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)或工程經(jīng)驗(yàn)確定，以保障注漿加固或構(gòu)造效果為前提。

（五）驗(yàn)：驗(yàn)證綜合治理效果

對綜合治理效果進(jìn)行檢驗(yàn)，主要對治理目標(biāo)層的改造效果進(jìn)行檢驗(yàn)。一般采用進(jìn)行施工檢查孔的方式進(jìn)行檢驗(yàn)，這個(gè)要包括單孔出水量、巖性裂隙充填效果、水位（或水壓）等指標(biāo)。檢查孔數(shù)量與位置由現(xiàn)場具體施工條件決定，最薄弱的部位應(yīng)施工一定數(shù)量的檢查孔。依據(jù)各分支鉆孔的井田情況和工作面范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的垂向?qū)畼?gòu)造，根據(jù)示蹤劑投放后的情況也沒有發(fā)現(xiàn)大青與奧灰存在明顯水力聯(lián)系的部位。施工的水平分支中，共發(fā)生了24 次漏失，尤其揭露斷層時(shí)漏失量變大，甚至出現(xiàn)不返漿現(xiàn)象，說明大青灰?guī)r含水層主要導(dǎo)水通道以斷層為主，且與上下含水層之間存在垂向或側(cè)向補(bǔ)給；巖溶裂隙發(fā)育次之。此外孫莊礦在井下施工了60 個(gè)驗(yàn)證孔，單孔涌水量均小于10m3/h。驗(yàn)證孔從揭露大青灰?guī)r中的裂隙大多被水泥充填。上述結(jié)果表明，12661 綜合治理達(dá)到了預(yù)期效果。

三、山青煤綜合治理成套技術(shù)研究應(yīng)用前景

該成果以煤層底板導(dǎo)水構(gòu)造精細(xì)探查為核心，凝練了“定”“探”“判”“注”“驗(yàn)”相結(jié)合的山青煤水害綜合治理成套技術(shù)，實(shí)施了強(qiáng)徑流區(qū)孫莊礦12661 工作面綜合治理工程，實(shí)現(xiàn)了山青煤底板導(dǎo)水構(gòu)造、裂隙的精細(xì)探查及暗構(gòu)造含水層的注漿改造和效果檢驗(yàn)，實(shí)施效果較好，達(dá)到了預(yù)期目的，開創(chuàng)了將水平定向鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到強(qiáng)徑流區(qū)山青煤層底板水害綜合治理的先例。

該技術(shù)的成功運(yùn)用，不僅可以緩解孫莊礦生產(chǎn)接替緊張的被動(dòng)局面，對進(jìn)一步解放剩余的深部山青煤資源，延長衰老礦井服務(wù)年限來說具有十分重要的實(shí)際意義，同時(shí)對類似水文地質(zhì)條件下的礦井煤層底板水害防治提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。