城郊煤礦薄層灰巖水害治理技術研究與實踐

鐘 蜜

（江蘇長江地質勘查院，江蘇 南京 210046）

近年來，煤礦灰巖水害治理積極推廣地面水平定向鉆進技術，形成了成熟的區域超前治理技術，而針對煤層頂底板薄層灰巖進行探查、治理的地面區域治理技術應用較少，部分煤礦使用地面水平定向鉆井技術對煤層頂底板薄層灰巖進行探查和高壓注漿治理，取得了一定的治理效果。冀中能源峰峰礦區薄層灰巖地面區域治理中通過下套管到大青灰巖含水層頂面、羽狀分支孔補注等技術手段，取得了薄層灰巖含水層區域注漿加固的成功[1]。羊東礦選擇奧灰頂部5.5 m 厚大青灰巖為治理目的層，取得了較好的治理效果[2]。桃園煤礦Ⅱ4 采區10 煤底板三灰含水層治理，通過分段“探注結合”施工，有效封堵三灰溶隙、裂隙，最終將三灰含水層改造為隔水層[3]。冀中能源辛安礦選擇奧灰頂部5.5 m厚大青灰巖為治理目的層，取得了較好的治理效果[4]。黃河北部西南地區煤礦采掘前應用多分支水平定向鉆井技術，對平均厚度為10 m 的含水層進行注漿加固，將含水層改造為弱含水層或隔水層[5]。因此，借鑒相關成熟經驗，采用地面水平定向鉆孔技術對煤層頂底板薄層灰巖進行探查和高壓注漿治理是可行的。

永城地區針對煤層底板太原組L10薄層灰巖進行地面區域治理尚沒有相關的技術經驗可供參考。城郊煤礦十四輔助采區位于礦井十四采區北側深部區域，整體水文地質條件相對復雜，為縮短水害治理周期，保證治理效果，城郊煤礦經過多重技術論證選擇地面區域治理技術對煤層底板太原組上段L10灰巖進行治理，防止底板水害發生。該工程通過施工三個地面孔組（D1、D2、D3 孔）共35 個水平定向分支孔對L10灰巖地質、水文地質及隱伏含（導）水構造等進行探查并進行高壓注漿治理，將目的層改造成為有效隔水層。治理后十四輔助采區F21405工作面計算最大突水系數為0.044 MPa/m，符合《煤礦防治水細則》中突水系數安全值不大于0.06 MPa/m 的標準，無突水威脅，可以安全回采。該工程的成功實施為城郊煤礦各采掘工作面有序銜接起到關鍵作用，產生顯著的經濟社會效益，同時為薄層灰巖地面區域治理技術在該礦其他工作面推廣使用提供了技術支撐。

1 采區地質特征

1.1 地層特征

十四輔助采區地層較為簡單，未見基巖出露，根據見煤地質鉆孔揭露地層為第四系(Q)、新近系（N）、二疊系下統下石盒子組（P1x）、二疊系下統山西組（P1s）、石炭系上統太原組（C2t），巖性如下：

第四系（Q）：以褐黃、棕黃黏土、亞黏土為主，表層為耕植土。

新近系（N）：厚度420 m，以灰色、雜棕黃色中粗砂、細粉砂為主，次為土黃色黏土質砂間夾砂質黏土，新近系底部為一層土黃色夾灰綠色含礫黏土。

二疊系下統下石盒子組（P1x）：厚度約40 m，主要由灰、灰黑色泥巖、砂質泥巖和淺灰色砂巖、鮞狀鋁質泥巖及煤層組成，與上伏新近系地層呈不整合接觸。

二疊系下統山西組（P1s）：下起K3 標志層頂，上至K4 下部的一層砂巖(砂鍋窯砂巖),由泥巖、砂質泥巖、砂巖及煤層組成，厚度平均92.54 m，含煤3 層，賦存于該組中部的二2 煤層為該礦的主要可采煤層。二2煤下部具兩個特征不同的巖性單元，下段主要由厚層黑色泥巖、砂質泥巖組成，層位穩定，含有少量的動物化石碎片和硅質菱鐵礦結核；上段主要為薄層狀砂巖，水平層理較發育，層面含碳質及白云母片，稱為“葉片狀砂巖”。二2煤層上部一般發育有兩個沉積旋回，主要為砂巖、砂質泥巖、泥巖夾不穩定的薄煤層，總體表現為下細上粗的特點，偶見薄層菱鐵礦，中部為一層中粗粒長石石英砂巖，膠結疏松，俗稱為“豆腐渣砂巖”。

石炭系上統太原組（C2t）：由較穩定的薄～厚層狀灰巖、泥巖、砂質泥巖、粉細砂巖組成，本組上段所含L10灰巖為本次治理的目標層位，平均地層厚度4.2 m。

1.2 構造特征

十四輔助采區位于陳樓背斜核部，區內構造較為發育（圖1）。治理區西部以F2、DWF85 邊界大斷層為治理邊界，南部以DWF43、FW45 斷層為邊界，區內發育多條走向北東向、東西向斷層，以北東走向斷層為主。根據三維地震勘探資料，區內共發育斷層11 條，均為正斷層，落差最小0.8 m，最大17.4 m，其中落差大于3 m 的斷層6 條，分別 為DWF45、DWF46、DWF56、DWF58、DWF55、FF21405H-3，對回采影響較大。在煤層運輸巷、回風巷掘進過程中，揭露的一些次生隱伏小斷層如FF21405Y-1、FF21405H-2、FF21405H-2-1對回采影響較小。

圖1 采區構造地質圖

1.3 水害特征

十四輔助采區范圍內斷層多為高角度壓扭性正斷層，斷層破碎帶間充填多為斷層泥，起到隔水作用，一般情況下不存在導通出水的可能，僅以頂板淋水的形式出現，只要不破壞斷層的自然狀態，一般情況下不易發生突水。老空區積水是礦井開采過程中威脅較大的水害因素，采區南部的21402、21403、21404、21406 四個采空區存在積水現象。通過超前探放對老空區積水進行疏干排放，防止積水突入，可使得老空積水對本采區生產無影響。

2 技術方案及完成情況

2.1 治理層位選取

根據城郊煤礦水文觀測孔資料，治理區太原組上段含水層水位標高為-327.7 m，本區開采上限標高為-425～-655 m，平均安全開采深度靜水壓力1.0～3.3 MPa。取突水系數臨界值計算開采二2煤層底板隔水層厚度不得低于55 m，太原組上段L10灰巖煤層間距62 m，平均厚度4.2 m，地層穩定，以該層為目的層較為合理。治理后可以使十四輔助采區工作面開采突水系數小于0.06 MPa/m，滿足《煤礦防治水細則》規定地面區域治理后煤層底板突水系數小于0.06 MPa/m 的要求，符合回采條件，實現無水害安全開采。

2.2 治理思路及方法

使用地面定向鉆機沿工作面范圍內L10灰巖段順層定向鉆進后，地面注漿站通過定向鉆孔軌跡對二2 煤層底板下伏L10灰巖含水層進行高壓注漿治理改造，有效封堵灰巖發育的導水裂隙，將煤層底板太原組上段灰巖含水層改造為有效隔水層，達到目的層超前區域治理的效果。

地面治理方法包括施工鉆孔探查和注漿治理兩個方面，探查工作主要由地面施工多分支順層定向鉆孔來完成，探查可能存在的隱伏導水構造和導水通道，并對其進行高壓注漿封堵、加固［6］，將其改造為隔水層。治理是通過對施工的分支孔進行高壓注漿來完成。

2.3 鉆孔設計

十四輔助采區地面區域治理工程設計了3 個地面孔組，共35 個水平分支孔，其中D1 孔組設計13 個水平分支孔（圖2a），D2 孔組設計10 個水平分支孔（圖2b），D3 孔設計12 個水平分支孔（圖2c）。分支鉆孔間距選取50～60 m，設計總鉆探工程量23 413.60 m。

圖2 鉆孔軌跡設計立體圖及井身結構圖

2.4 鉆孔結構設計

本次施工的3 個地面鉆孔均采用三開井身結構（圖2d），一開、二開為主孔，三開為目的層L10灰巖水平順層段。

一開為地面至基巖穩定層位；孔徑Φ311 mm，下入Φ244.5 mm×8.94 mm 套管，下至新近系基巖穩定層位，隔離第四系地層。

二開為基巖穩定層至太原組L10灰巖，孔徑Φ215.9 mm，下入Φ177.8 mm×8.05 mm 套管，固結第二層套管，完成套管底口10 MPa 承壓水試驗。

三開為目的層太原組上段L10灰巖水平順層段，孔徑152 mm。

2.5 工程完成情況

十四輔助采區地面區域治理工程于2022 年7月正式開工，至2023 年9 月完成野外施工作業。項目施工完成3 個地面孔組（D1、D2、D3 孔組），共計35 個水平定向分支孔，鉆探工程量22 666 m。施工過程中累計注漿90 次，注漿量63 874 t。

3 治理效果分析

3.1 漏失點及注漿量分析

水平分支孔定向施工過程中共發生10 m3/h 以上漏失39 次，其中全漏（大于50 m3/h）失返25次，占漏失點2/3 之多，漏失點位置主要分布在D2孔、D3 孔施工區域的絕大部分分支，D1 孔組除主孔漏失外，其他分支漏失情況較少。漏失點分區明顯，靠近斷層位置較多。漏失點單次平均注漿量為772.59 t，漏失點注漿量增加有限，說明L10灰巖注漿空間以微裂隙為主，溶洞、較大裂隙充填為次。

3.2 注漿壓力與注漿量關系分析

鄭士田（2021）在淮北朱莊煤礦Ⅲ632 工作面底板太原組上段L3 灰巖水害治理中，認為注漿壓力呈“階梯式”遞增趨勢[7]，先后經歷“微壓充填（注漿孔口壓力為0 MPa）-低壓擴散（注漿孔口壓力為0～4 MPa）-中壓加固（注漿孔口壓力為4～8 MPa）-高壓劈裂（注漿孔口壓力大于8 MPa）”4個階段。依據地面區域治理相關經驗及本區地質特征，將注漿壓力劃分為4 MPa 以下、4～8 MPa 和8 MPa 以上三個壓力階段，分別對應注漿過程的三個階段，即孔隙低壓充填擠密、裂隙中壓滲透加固和微裂隙高壓劈裂階段。

高壓劈裂注漿是壓密注漿的基礎，施加高壓將巖體劈開并對其注漿，巖體原有裂隙會擴大，漿液擴散范圍也會增大[8]。該次地面治理施工的分支孔總體呈現“揭露漏失多、起注壓力低、中高穩壓時間長、低壓占比小”的特點。該工程注漿起始壓力小于2 MPa 次數占比高，有70 次，大于等于2 MPa 的僅有19 次。通過分析注漿參數后發現0～4 MPa 低壓充填擠密階段吃漿量小，占比21%，4～8 MPa 和8 MPa 以上中壓滲透加固階段及高壓劈裂階段吃漿量較大，分別達42%和37%。由此可知，中壓滲透加固階段和高壓劈裂階段是主要注漿階段，具有代表性的注漿孔是D2-5 分支孔第一注漿段注漿過程中，注漿壓力達到8 MPa 時出現劈裂現象，壓力降低至6 MPa 后又快速升至8 MPa，并保持穩壓持續注漿（圖3）。此特性表明治理區目的層L10灰巖巖溶裂隙發育以微小裂隙為主，裂隙張開程度較小，無大型巖溶空隙發育，低注漿壓力作用下不能在地層中擴散，必須在高壓注漿條件下才能克服地層阻力，通過地層劈裂使漿液向周圍持續擴散。

圖3 D2-5-1 壓力與注漿量曲線圖

3.3 注漿壓水效果分析

各孔組水平分支孔施工中，在每次注漿前后分別進行壓水驗證。統計結果表明，注漿前吸水率普遍大于0.1 Lu（呂榮），通過分段多鉆次注漿，L10灰巖含水層逐漸壓密注實，各個水平分支終孔壓水驗證吸水率普遍小于0.01 Lu（呂榮），D1 孔注漿前吸水率平均值為0.494 Lu（呂榮），注漿后吸水率最大值為0.026 Lu（呂榮），平均值降為0.011 Lu（呂榮）。吸水率的有效降低表明通過地面高壓注漿加固，目的層L10灰巖層治理效果較好，可以作為煤層底板有效的隔水層利用（圖4）。

圖4 D1 孔組治理前、后吸水率折線圖

3.4 突水系數分析

地面區域治理后，太原組上段L10灰被改造為等效隔水層，因此底板有效隔水層厚度可計算至L9灰頂板，根據實際揭露其隔水層有效厚為65～70 m。根據十四輔助采區F21405 綜采工作面的水文觀測孔資料，該采區含水層水位標高為-327.7 m，結合十四輔助采區的標高范圍，太原組上段灰巖含水層靜水壓為1.85～2.89 MPa。根據突水系數計算公式：

T=P/M

式中：T為突水系數，MPa/m；P為底板隔水層安全水頭值，MPa；M為底板隔水層厚度，m。

L10灰巖含水層經地面區域治理后，整體已被改造為有效隔水層，L9灰巖層以上均為有效隔水層，厚度達65～70 m。

則該工作面最大突水系數：T=P/M=2.89 MPa/65 m=0.044 MPa/m。

經計算，該工作面最大突水系數為0.044 MPa/m，突水系數符合《煤礦防治水細則》中突水系數安全值不大于0.06 MPa/m（底板受構造破壞）的標準，無突水威脅，可以安全回采。

4 治理效果井下驗證

4.1 井下物探驗證

永城地區煤層底板灰巖富水性強，裂隙帶一般為含水，其低阻特征明顯[9]。礦井物探方法中，瞬變電磁法和音頻電透視法都是較為合理的選擇。該礦為驗證本次地面區域治理效果，采用音頻電透視法對F21405 工作面底板巖層富水性進行探測，分別在F21405 運輸巷和F21405 回風巷布置兩條測線，在兩巷分別布置測線長度為1000 m。F21405 運輸巷從切眼位置開始，沿F21405 運輸巷向巷道外方向依次標為0#～100#點，測點距10 m。F21405 回風巷從切眼位置開始，沿F21405 回風巷向巷道外方向依次標為0#～100#點，測點距10 m。

音頻電透視法探測后對F21405 工作面進行了綜合地質解釋，發現煤層底板L10灰巖層存在3 處大于異常閾值的區域，命名為Y10YC1～Y10YC3，具體分析如下：

Y10YC1位于X 軸510～610 m，Y 軸230～280 m，視復電導率大于0.35 s/m，為相對高導異常區域，推斷為L10灰巖局部裂隙發育富水或巖層富水所致；

Y10YC2位于X 軸770～875 m，Y 軸60～140 m，視復電導率大于0.35 s/m，為相對高導異常區域；

Y10YC3位于X 軸980～1000 m，Y 軸255～300 m，視復電導率大于0.35 s/m，為相對高導異常區域。

4.2 井下鉆孔驗證

針對已完成的水平分支孔，在F21405 工作面運輸順槽、回風順槽共布置9 個鉆場施工井下驗證孔，累計施工驗證孔54 個。揭露L10灰鉆孔51 個，其中涌水量＜10 m3/h 的鉆孔49 個，有2 個涌水量大于10 m3/h 的鉆孔。由于該段分支孔未施工完成，驗證時沒有進行高壓注漿治理。在兩個水平分支孔經地面注漿改造后，又施工兩個驗證孔對兩處涌水點進行了探查驗證，發現治理后該處涌水量均＜10 m3/h，說明兩處涌水點經高壓注漿改造后，已成為煤層底板有效隔水層。

為了對音頻電透視法發現的Y10YC1、Y10YC2、Y10YC3三處異常點進行驗證，施工了Y3-3、H1-2、驗1、驗3 共計4 個檢查孔，發現L10灰巖涌水量均處于1～2 m3/h 之間，沒有出現超過10 m3/h 涌水量的異常區，說明引起異常的原因非目的層L10灰巖富水所致，表明地面區域治理效果較好。

5 技術經驗

十四輔助采區煤層底板灰巖地面區域治理工程的成功實施，為該區以太原組上段L10薄層灰巖為治理目的層的區域治理積累了技術經驗。

1）太原組上段L10灰巖層位連續性好，沉積穩定，平均地層厚度約4.2 m，斷層、隱伏構造易于控制，含水層整體富水性弱，僅局部裂隙發育，水力連通性較差。經過地面區域治理，該層可以由含水層變為有效隔水層。

2）太原組上段L10灰巖溶裂隙含水層，富水性弱，既有利于注漿改造，注漿量又不會太大，地面區域治理成本較低，且治理效果較好，施工工期短，減少井下非采煤作業人員，降低了對采煤作業的影響，提高了生產效率，保障了井下生產安全。

3）高壓注漿前采用清水洗井清除泥皮，使用水泥漿單漿高壓注漿，灰巖中漿液擴散半徑27 m［10］；城郊礦井下施工的治理效果檢驗孔，在揭露太原組上段L10灰巖含水層時，發現了地面鉆孔注漿時壓入地層的水泥，證明目的層灰巖內水泥漿液擴散效果好，地面區域治理水平定向鉆孔孔間距取50～60 m 較為合適，水泥漿在目的層灰巖含水層內擴散范圍基本與層間距布設相符。

4）華北型煤田煤層開采過程中，煤層底板突水威脅主要來自奧陶系灰巖含水層和太原組灰巖含水層，需增加底板隔水層厚度或治理導水通道［11］。城郊煤礦十四輔助采區治理前突水系數超過0.06 MPa/m，不符合相關規范要求。通過地面區域治理工程的施工，對太原組上段L10灰巖為目的層進行了探查和高壓注漿治理，使煤層底板最大突水系數有效降低至0.044 MPa/m，最大突水系數符合規定要求。該水害治理工程取得的成果表明地面區域治理技術在城郊煤礦具有很好的適用性，為該礦其他工作面的治理提供了技術支撐。

6 結論

1）井下水害地面區域治理工程，通過施工水平定向鉆孔基本查明了治理區內太原組上段L10灰巖地質、水文地質及隱伏含（導）水構造等地質情況，并通過高壓注漿將目的層薄層灰巖改造成為隔水層，增加了二2 煤層底板有效隔水層厚度及完整性，為礦井防治煤層底板突水水害探索出了一條新的技術途徑。

2）地面鉆孔工程治理結束后，經井下“物探+鉆探”綜合驗證，治理區內無成片的物探、鉆探異常區，表明治理區底板的太原組上段L10灰巖得到有效加固。對出水量大、異常點強化注漿治理后，治理區內L10灰巖井下驗證鉆孔涌水量均小于10 m3/h，治理效果較好。治理后F21405 工作面最大突水系數為0.044 MPa/m，符合規定要求，無突水威脅，可安全回采。

3）通過地面區域治理工程總結出的各項鉆探、注漿技術參數、技術經驗，對于同類水文地質條件礦井實施地面區域治理提供了可借鑒的經驗。