华北型煤田深部开采底板突水机理与区域治理关键技术

2015-01-12赵庆彪张建公王海桥

华北科技学院学报 2015年4期

赵庆彪，张建公，王海桥

(1.冀中能源集团有限责任公司，河北邢台 054000；2.湖南科技大学，湖南湘潭 401211)

河北省南部的邯邢矿区是大水老矿区，已有4个矿井采深达到1000 m，其中九龙矿副井深达1340 m；有7个矿开采下组煤，其煤系基底普遍发育有巨厚奥陶系石灰岩强含水层，受奥灰承压水威胁的深部及下组煤资源储量近30亿t[1]。针对矿井煤层底板承压突水的复杂性，我国自上世纪60年代开始对煤层底板突水机理研究，先后建立了突水系数法、“下三带”理论、原位张裂与零位破坏理论、岩水应力关系学说、强渗通道学说、底板隔水“关键层”理论等，对我国煤矿防治水工作起到很好的理论支撑及技术指导作用。近10多年来，高延法提出了煤层底板“突水优势面”学说；王经明提出了“原始导升递进”观点；施龙青根据岩石断裂力学提出了“下四带”分带学说；王连国等基于突变理论研究了底板隔水关键层破坏失稳机制等[2-4]，在底板突水机理深化研究上取得了较大进展。但上述理论对于属典型的华北型煤田的邯邢矿区深部开采防治水理论指导与适用性，已不能完全满足矿井安全开采需要。另外，河北省属极度缺水省份，水环境及水资源保护形势紧迫。奥灰岩溶水是当地工农业和生活用水的重要水源，矿井突水必然带来较大的地下水环境扰动和损害,严重影响矿区及周边地下水环境和用水保障供给。

长期以来，我国对承压水上采煤所采取的煤层底板注浆加固和含水层改造，从空间尺度看，均以单工作面进行；从时间上看，均是在回采工作面形成后实施；从治理的目标层来看，主要以煤系薄层灰岩含水层治理为主；从治理场地来看，主要以井下为主。卢萍等研究论述了冶金矿山在地面对奥灰含水层实施帷幕注浆采矿技术[5]；张建国等研究了平顶山矿区在地面实施帷幕注浆区域治理辅以疏水降压，也取得了较好的效果[6]。本文针对大采深高承压水煤层开采背景，首次提出了空间上区域治理、时间上实施超前治理原则，治理的目标层由煤层底板延伸至奥灰顶部。该技术对地下水环境保护和研究安全开采受奥灰含水层突水威胁的深部煤炭资源具有重要的现实意义。

1 区域超前治理可行性及底板突水类型

1.1 区域治理可行性

华北型煤田基底的奥陶纪灰岩总体上为非均质各向异性强含水层，邯邢矿区奥灰岩一般分为三组八段，奥灰顶部的峰峰组一般存在着一定厚度的古风化壳，占邯邢矿区总矿井数74.5%。其风化裂隙带厚度一般9～50 m，多被粘土质充填[7，8]；除少数浅部钻孔在奥灰顶界漏水外，其它进入奥灰15～45 m才发生漏水。奥灰顶部的岩溶发育一般随埋藏深度的增加而减弱， -300 m以浅峰峰组裂隙率为0.50～1.0%，岩溶率为0.1～0.2%，-300 m以深裂隙率为0.3～0.5%，岩溶率为0.001～0.1%，在-600 m以深，钻孔中少见岩溶现象。由此可见，奥灰顶部风化壳充填带的存在以及深部埋藏区岩溶发育明显减弱使奥灰顶部的注浆改造具备了可行性。

1.2 煤层底板奥灰突水特点

20年来，邯邢矿区发生了9起底板突水[9,10]，突水量在160～24000 m3/h；7次发生在大采深矿井，2次发生在开采下组煤；造成3次淹井，2次淹生产水平。

邯邢矿区煤层底板突水分为两大类型：一是大采深高承压水采上组煤厚隔水层条件下，以组合型隐伏构造为通道的底板突水；二是在高突水系数条件下采下组煤，以隐、显性微小型断裂构造及裂隙带组合型为通道的底板突水。底板(滞后)突水基本是隐伏地质构造组合形式，见图1(a、b)所示，具体包括：

1) 导水陷落柱+小断层构造，该组合类型突水发生2次；

2) 导水陷落柱+小断层+裂隙带，该组合类型突水发生3次；

3) 导水大断层+小断层或裂隙带，该组合类型突水发生1次；

4) 小断层+裂隙带，该组合类型突水发生1次；

5) 隐性断裂构造+裂隙带，该组合类型突水发生2次。

图1 2号煤～奥灰含水层间突水类型与“分带”数目变化示意图

据揭露分析，导水隐伏陷落柱发育高度一般在野青灰岩及以下。

2 “分时段分带突破” 底板突水机理

2.1 底板地质力学结构“分带”机制

以上组煤主采2号煤底板至奥灰顶面之间的薄层灰岩野青、山伏青、大青等3个含水层为底界，划分4个隔水地质单元。在此基础上，考虑到各类采动破坏损伤及原始导升带等因素，按阻水能力构建了煤层底板岩体 11个阻水“分带”，见图1(c)所示。“分带”依据基于以下2点：

1) 薄层灰岩是裂隙岩溶含水层，是各隔水地质单元的边界；其硬度、弹性模量、断裂韧度等参数大于带内其它岩层，是隔水地质单元的关键层，一般带内其它岩石力学参数小于石灰岩，新贯穿裂隙一般止于此界面；

2) 由采动影响而产生的各类破坏损伤和原始导升带，阻水能力被消弱甚至基本丧失阻水能力构成了相对隔水边界。

煤层开采引起底板中关键层的周期性断裂，直接造成底板破坏带；基本顶周期折断的冲量对新增损伤带产生向下递进效应，当传递到原位张裂带时，会增加原位张裂带张度；当传递到原始导升带时，与高承压水共同作用，可能对原始导升裂隙产生张裂递进等演化，上述由采动引起的底板破坏带、新增损伤带及原位张裂带在Ⅰ单元内(采2号煤)；原始导升带位于Ⅳ单元底部。

图中(m)：h1——底板破坏带厚度，消耗水头小，基本是沿程阻力消耗；

h2——新增损伤带厚度，有一定阻水能力；

h3——原位张裂带距新增损伤带间阻水带厚度，原位张裂带高度与基本顶来压强度密切相关，厚度小且变化大，有一定阻水能力，可视同薄层导水界面；

h4——原位张裂带与野青灰岩间阻水带厚度；

h5——野青灰岩含水层厚度，弱富水且很不均一；

h6——野青灰岩与山伏青灰岩间主要阻水带厚度；

h7——山伏青灰岩含水层厚度，弱富水且不均一；

h8——山伏青与大青灰岩间主要阻水带厚度；

h9——大青灰岩含水层厚度，弱至中等富水，不均一；

h10——大青灰岩与原始导升带间主要阻水带厚度；

h11——原始导升带高度，有一定阻水能力。

需要说明是h1基本无阻水能力；h6、h8、h10是主要阻水带，后面所述“分带”是指具有较大阻水能力的分带即h6、h8、h10、 h3、h4、 h2等6带。如果没有原始导升带，则h11=0,h10厚度即是Ⅳ隔水地质单元厚度。

2.2 “分时段”突水机制

2.2.1 第1时段-底界面水压裂及原始导升带

地下水对岩体裂隙的力学作用表现为渗透静水压力P0和动水压力tw(面力)，前者对裂隙产生扩展作用。根据水力致裂原理，当奥灰裂隙水压力P0大于底板岩体底界面起裂压力Pnf时，底界面发生水压裂，压裂部位基本沿岩层节理、裂隙等薄弱部位切入形成裂隙。即：

式中：Pj——底板裂隙内水压力，MPa；σ2——最大水平主应力, MPa；σ1——垂直主应力, MPa；Pw——Ⅳ单元或阻水带底界面承受水压，MPa；Tc——岩体抗拉强度，MPa；σ3——最小水平主应力，MPa。

(a)式是抗静水压裂能力评判表达式；(b)式表述了在高承压水力作用下发生劈裂时，一般是岩体结构整体并未达到屈服或破坏条件，只是结构弱面的局部发生了应力集中现象，使岩体扩展产生裂隙，严格讲该式是阻水带底界面破裂后并形成一定导升裂隙的力学表达式；(c)式表达当新的裂隙出现时，立即被水充满，并将高承压水压力传递到裂缝面上。如果裂隙内流体通过渗透不断得到补充并保持压力，使裂隙持续扩展而形成原始导升带平衡。

只要是阻水带底部与地质构造有联系或者奥灰顶面以上没有较厚的铝或铁质泥岩，一般存在原始导升带，第1时段早已在高静水压下完成。据勘查，邯邢矿区大部分矿井奥灰顶界面以上存在高低不等的原始导升带。

2.2.2 第2时段-非Darcy流岩体渗透时段

1) 非Darcy流岩体渗透时段

煤层底板充水通道形成初期一般是高阻渗流通道，裂隙导渗性对于奥灰突水强度、过程具有关键影响。特别是在高渗压条件下，底板始渗的高承压弱渗流是非Darcy流，该时段是形成Darcy流前的关键时段，这里用非连续介质方法研究裂隙岩体的初始导渗问题[11]。非Darcy流条件下岩体的渗透系数计算公式为：

(2)

其中，

式中：γw——渗透半径，m；z——注水段高度，m。

从式中可看出，岩体渗透系数k只受到n-1/m项的影响；对于非Darcy流态单孔高压水试验，可取n=1；式(2)是底板岩层初始导渗或高阻弱渗阶段经验表达式，对分析底板组合型构造导致的高渗压始渗时段有理论指导意义。

2) 第1～2时段转折点-始渗

在基本顶反复折断动压影响下，发生裂隙导升递进作用即法向减压效应促使形成贯通性裂隙，将各阻水分带中断裂、裂隙及节理等弱面连通而形成始渗通道；在第2时段始渗通道中的细小颗粒在水流的软化、溶蚀作用下，会有迁移流失效应。岩体力学表达式如下：

Pw≥ζ0iTc+σ3

(3)

式中：Pw——阻水层底界面水压，MPa； Tc、σ3——同式(1)；ζ0i——岩层阻渗能力的结构效应平均折减系数[12]，见表1。

(3) 式实际是在(1b)式的基础上考虑底板岩体结构折减系数引伸而来,表达了第2时段在高承压水和基本顶来压采动影响下，新生破裂面沿最小阻力方向导升贯穿各阻水带而形成始渗通道内涵。其渗流通道发育高度可由现场打超前探孔测定。

表1 岩层阻渗能力的结构效应折减系数ζ0i

注：断裂构造原始状态不导渗。

2.2.3 第3时段-Darcy渗流时段

1) Darcy渗流时段

渗流进入第3阶段Darcy流状态，渗流量和压力均达到相对稳定状态，根据任意过水断面上的总流量均相等条件，可求得渗透系数计算公式[12]：

(4)

式中：k——测试段渗透系数；Q——压水孔流量，L/min；R——压水孔、测渗孔间距，m；a——压水孔半径，m；L——测试段长度，m；Hp0——压水水压，m；Hp——观测孔水压，m。

压渗试验表明，底板导渗通道并不能与突水通道等同，渗流通道由渗透破坏导致低阻导渗性。

2) 第2～3时段转折点-导渗

当Darcy流通道形成后，渗流由孔隙流转为裂隙流，发生剪切扩容效应。裂隙带中的渗流通道渗透性不断增强，渗透性增强反过来加大水的流速和携带能力，使得渗流通道中更多的颗粒随水流迁移流失，这样一个不断相互作用的增渗变质量过程，增加了渗流通道的渗透能力，直至剩下骨架和难以迁移的较大充填物颗粒，渗透率和涌水量趋于相对稳定。对于岩体裂隙渗透性，需建立裂隙网络物理概念模型，下面是利用Monte-Carlo方法原理，在概率统计基础上构建一种等效裂隙网络模型[13],其渗透系数K1：

(5)

式中：g——重力加速度m/s2；μ——水动力粘滞系数，mm2/s；b——结构面导水通道宽度，mm；S——裂隙平均间距,mm；ξ1——动载增扩增渗系数(1.0～2.0)，主要作用是增扩，与基本顶来压强度(分Ⅳ级)密切相关，数据由现场矿压观测或根据重复压渗实验模拟重复采动获取，来压强烈取上限，来压显现不明显取下限。

该关键转折点与阻水段数关系密切，阻水段数多则阻水能力大，相应渗流通道形成难度大。

2.2.4 第4时段-管流至突水时段

受采动影响，渗流通道可能发生结构性失稳溃落而形成“管涌”进入第4时段，需用两相紊流原理分析。反复采动产生扩容增渗效应，助使 “管涌”通道持续扩展而完成由裂隙流向管流转换。从结构面力学与水动力学的耦合关系上得到体现，其转折点表达式如下：

Ps≥ξ1γwΔH

(6)

式中：Ps——通道渗透压力，KN/m2；γw-——“管涌”水固两相容重(>1)，KN/m3；ΔH——通道两端的水头差，m；其它字母意义同式(5)。

(6)式表达了第3转第4时段即由高压导渗转为“管涌”内涵，其渗流通道水压差是关键因素。渗流发展成管涌需有两个条件：一是第3时段渗流平衡受到足够的扰动而失稳；二是渗流水动力大且补给水量充足，能够把渗流通道中的骨架结构失稳溃落的较大颗粒的充填物等迁走。

3 奥灰岩溶水害区域超前治理技术路线

在大采深高承压水条件下，一般小型断裂构造或裂隙带都有可能形成突水通道，在目前超前探测技术还不能完全探明隐伏裂隙带或小构造的情况下，矿井防治水思路应由一般的超前探测向超前治理转变、由局部单工作面治理向整体区域治理转变，即采取超前主动防范的区域治理思路。

3.1 区域超前治理指导原则

根据上述煤层底板突水具有突水量大、隐蔽性强、不易探查的特点。提出了“超前主动、区域治理、全面改造、带压开采”防治水指导原则[14-16]。其内涵是：在大采深高承压水头条件下，以“不掘突水头，不采突水面”为目标，对煤层底板从“一面一治理”转变为以采区或更大区域以及受构造所分割的水文地质单元实施区域治理，从回采工作面形成后再治理提前到掘前预先主动治理，从以井下治理为主转变为以地面治理为主，从以煤系薄层灰岩含水层作为主要治理对象延伸到以奥灰含水层顶部作为主要治理对象。

3.2 区域超前治理技术目标

在突水系数大于0.08 MPa·m-1时应落实以下区域超前治理防治水目标：

1) 通过煤层底板全面注浆改造，突水系数必须小于《煤矿防治水规定》的0.1 MPa·m-1；

2) 区域治理工程超前掘采工程,做到“不掘突水头，不采突水面”；

3) “以治定采”，治理达标煤量要大于回采煤量；

4) 超前注浆治理工程量要达到总治理工程量75%以上。

4 区域超前治理关键技术

4.1 地面水平多分支定向钻进关键技术

地面水平定向钻进是利用特殊的井底动力工具和随钻测量技术[15]，钻成井斜大于860，并保持该角度钻进一定岩层段的定向钻井技术，包括随钻测量、井眼轨迹控制、井壁稳定技术等。在煤矿防治水领域应用水平定向钻进技术目的是探查复杂的地质构造并加以超前治理，应用水平定向钻进技术对煤层底板高承压奥灰含水层进行全面注浆改造。在钻进中以寻找断层、溶洞和裂隙为主，若遇导水裂隙等造成浆液大量流失，立即注浆治理。

4.2 利用阻水系数对底板隔水层阻水性能量化评价

通过原位实测技术，取得底板不同岩层不同组合和不同结构构造条件底板隔水性能、初始导渗水压力、抗渗透破坏强度等实测数据，构建与煤层底板阻渗条件相关的评价模型[13]。煤层底板的实际阻水能力评价为岩层阻水抗渗强度Pm，即煤层底板隔水岩层所具有的阻水抗压能力，单位为MPa，具体表达为：

Pm=∑Pimi

(7)

式中：mi为第i层段岩层厚度(m)；Pi为i层段的单位厚度所具有的阻水系数(MPa/m)。

Pi大小主要受岩性及底板岩层组合结构状态影响，可通过下列公式确定：

(8)

5 大采深矿井区域超前治理水害示例

5.1 工程背景

邯邢矿区某矿自1998年10月开采4号煤保护层以来，4个回采面发生突水，尤其以2009年1月8日作为保护层的15423N工作面采空区发生滞后底板突水，突水量超过矿井最大排水能力淹井,根据水文观测及水质化验资料确定突水水源为奥灰水，突水通道为4号煤以下的隐伏导水陷落柱[9]。所以，在采深已达到850m以深，突水系数逐步接近《煤矿防治水规定》上限情况下，采取以地面治理为主，井下治理为辅区域超前治理立体防治水模式。

5.2 定向钻孔设计及施工

4号煤层底板各含水层注浆治理伴随着水平钻孔施工的整个过程，注浆材料以R32.5矿渣硅酸水泥为主，浆液出现大量流失时添加粉煤灰等作为辅助注浆材料。钻探施工的各个阶段均采用下行式分段注浆方式，即钻探施工过程中一旦浆液大量漏失就立即进行注浆加固。以孔口终压8.0 MPa、稳定30 min和单孔吸浆量小于50 l/ min作为注浆结束标准。

5.3 区域超前治理效果

北翼-850 m水平二采区区域治理钻孔累计进尺15651 m，其中水平定向井进尺12386 m，最大水平钻距达836 m,共探查出漏失点25个，累计注浆量77689吨。区域治理成果见图2所示。由于钻孔以“带、羽”状的轨迹进入奥灰顶部目标层后，以水平或近水平状态沿目标层延伸，能够探知所钻范围内地质构造的情况，并使原来在水平方向无联系的裂隙、断层及溶蚀溶洞等渗流或通道互相连通，扩大了钻孔控制范围，为区域注浆改造消除奥灰顶部地质缺陷创造了很好条件。

在地面区域超前治理基础上，通过井下测试钻孔原位测试，利用带压系数和阻水系数对煤层底板隔水层阻水性能进行了量化评价；试采结果表明，区域超前治理有效地提高了底板阻水能力，安全采出4号保护层煤11.0万t，获得2号煤采面治理达标煤量77万t。