应用地面水平分支孔注浆技术超前治理灰岩突水综合效果分析

贾华峰

（安徽省煤田地质局第三勘探队，安徽宿州234000）

1 治理区域概况

1.1 治理区地质概况

东一A 组煤采区（东翼）位于陶王背斜东部转折端，地质构造复杂，断层发育，煤层受断层切割破坏严重。在断层附近煤层结构和厚度变化有异常现象。根据11223、11123、东一A组煤胶带机巷实际揭露及附近钻孔资料综合分析，该范围内3煤存在异常增厚。根据历次地质勘探和采掘巷道实见资料综合分析，本采区内共发现断层156 条，其中落差大于20m 共有2 条，落差10～20m共有3条，落差小于10m共有151条。东一A 组采区3 煤厚1.6～13.8m，平均5.3m，为稳定煤层；1煤厚0.8～9.1m，平均3.7m，为较稳定煤层；倾角2°～22°，平均12°。3 煤层直接顶板为泥岩或砂质泥岩，老顶为中细砂岩；临近西二采区上山直接顶变为中细砂岩。1煤层与3煤层之间为泥质夹层，较松软破碎。

1.2 区域水文概况

本区开采主要充水水源为3 煤层顶板砂岩水和1煤底板灰岩水，中间被A 煤底板隔水层隔开。井田内煤系砂岩富水性差，表现出以储存量消耗的弱含水层特征。3煤底板至C31灰岩间岩性主要为1煤、泥岩、砂泥岩互层，夹薄层粉砂岩及细砂岩，是3煤层开采底板隔水层，该隔水层厚14.21～32.2m，平均厚为21.18m。因C31、C32层灰岩不含水，自 C31灰岩顶至 C33上顶层段可作为相对隔水层看待，则3煤底板至C33上灰岩顶的层间隔水层平均厚33.15m。

太原组灰岩岩溶裂隙含水层（组）可分为C3Ⅰ组、C3Ⅱ组、C3Ⅲ组。根据抽水试验资料，C3Ⅰ组灰岩单位涌水量q=0.000009～0.0187L/(s·m)，渗透系数K=0.000021～0.07m/d，富水性弱，导水性差，静水位标高为+0.495（构8孔，具体时间不详）～-238.73m（Ⅴ东C3Ⅰ孔，2011-1）。C3Ⅱ组灰岩单位涌水量q=0.000263～0.0013L/(s·m)，渗透系数K=0.000832～0.012m/d，富水性弱，导水性差；静水位标高为-83.47（Ⅵ西C3Ⅱ，2011-10）～-140.03m（Ⅴ东C3Ⅱ，2011-1）。C3Ⅲ组灰岩单位涌水量q=0.000083～0.00059L/(s·m)，渗透系数K=0.00279～0.0031m/d，富水性弱，导水性差，静水位标高为-51.6（Ⅵ西C3Ⅲ，2011-7）～-65.19m（Ⅴ东C3Ⅲ，2011-1）。

井田奥灰富水性不均一，根据抽水试验资料，单位涌水量q=0.0055～0.005509L/(s·m)，渗透系数K=0.0024～0.0042m/d，富水性弱，导水性差。背斜轴部富水性较强，单位涌水量q=0.2～1.283L/(s·m)，渗透系数K=0.0526～0.967m/d，富水性中等—强，导水性中等。静水位标高为-10.35（Ⅵ西 O2，2011-6）～-22.046m（水二1，1989-8）。

1.3 治理范围和治理层位概况

本次探查治理范围为：东起11313 运输顺槽外扩30m，西至11313 轨道顺槽外扩40m，南起工作面切眼外扩30m；北至F10断层与C39灰岩交面线外扩30m，治理平面面积137538m2。治理区九灰底板距1 煤底板80m，灰岩厚度0.55～3.29m，平均厚度1.69m，治理区九灰底板奥灰水压4.74～5.34MPa，突水系数为0.059 ～0.067MPa/m，九灰距离奥灰较近，富水性弱，综合考虑，探查层位选择九灰。

2 治理效果分析与评价

2.1 工程设计分析

针对待治理区水文地质条件，A 组煤开采的治水方针以探查垂向导水通道为主，S1 孔组采用地面定向井布置1个主孔和7个水平分支孔方式近水平钻孔，以1煤底板80m左右地层为主要探查层位，主要沿9灰顺层钻进探查治理，揭露可能存在的垂向导水通道并注浆充填加固，有效阻隔深部灰岩水进入工作面发生涌水。在钻孔揭露目标层溶隙、裂隙带的条件下，通过分段、分序次连续高压注浆对裂隙进行封堵，达到有效充填加固灰岩含水层及垂向导水通道的目的，封堵目标层以下太灰及奥灰含水层水涌入矿井的通道，进而最大限度加固消除矿井发生灾变性水害的导水通道，保障矿井安全生产。

2.2 钻探探查分析

（1）地质构造。S1 孔组各钻孔对F10断层进行探查，根据各分支钻孔施工过程中漏失点情况分析：F10断层上盘，漏失点距离断层面最大水平距离为77.27m；F10断层下盘，漏失点距离断层面最大水平距离为29.79m，由此推测F10断层上盘破碎带宽度达到77.27m，下盘破碎带宽度达到29.79m。

（2）钻井液漏失。S1 孔组各分支钻孔施工过程中共计发生钻井液漏失4 次，累计漏失量1.2～2.4m3/h，各漏失点位置均靠近F10断层，属于F10断层次生裂隙影响。F10断层裂隙带影响范围外的探查区域均未发现钻井液漏失情况，推测11313工作面底板灰岩探查区域内9灰岩溶裂隙不甚发育。

（3）水位观测。S1 孔组各钻孔注浆压水前进行水位观测，相对稳定水位范围为-67.2～-79.3m。11313 工作面内部无奥灰含水层观测钻孔，根据潘二矿提供水位动态记录，工作面周边水二1（2020-8）、VIO（22020-8）、Ⅵ西O（22020-8）奥水水文标高分别为-49.46m、-35.83m、-37.31m，奥灰水位范围在-35.83～-49.46m，综上可见S1 孔组各钻孔探查过程中，探查区域未发现与奥灰含水层之间存在水力联系的通道，未发现太灰与奥灰含水层间的垂向导水通道。

（4）压水试验。根据S1孔组各钻孔压水试验结果可知，吸水率范围为0.00023～0.0016L/(min·m·m)，吸水率均小于0.01L/(min·m·m)，表明S1 孔组探查区域内C39灰岩岩溶裂隙不甚发育，未发现隐伏陷落柱或垂向导水通道等地质异常体。

（5）钻孔轨迹与地质录井综合分析。S1 孔组各钻孔三开水平段揭露岩性的主要是浅灰色灰岩、深灰色泥岩及灰色砂质泥岩，根据钻进过程中钻时录井、岩屑录井等综合资料判断，揭露地层是太原组C39灰岩及其顶底板。目的层位太原组C39灰岩，厚度0.55～3.29m，平均厚度1m，厚度小，赋存不稳定，褶皱及断层构造较多，顺层难度较大，采取跟层、跟深钻进（1 煤底板下不小于80m）相结合施工，有效控制钻孔轨迹。

（6）随钻伽马测井。S1孔组各钻孔施工过程中，采用随钻伽马测井技术，结合现场地质录井情况分析，C39灰岩厚度小，赋存不稳定，褶皱及断层构造较多。S1孔组各钻孔揭露灰岩伽马值范围为20.6～99.7API。当伽马幅值在20.6～99.7API 范围内时，地层岩性为灰岩，当伽马幅幅值超过99.7API时，钻头远离灰岩。

2.3 综合注浆分析

（1）单位注浆量。通过对所有注浆孔单位注浆量统计发现，平均单位注浆量为1.83t/m，最大单位注浆量4.12t/m（S1-3钻孔第二段），最小单位注浆量0.63t/m（S1-3钻孔第一段、S1-7钻孔）。

所有注浆孔单位注浆量最大的前三位分别是S1-3 钻孔第二段（4.12t/m）、S1-4 孔第三段（3.26t/m）和S1-1 钻孔第二段（3.11t/m），后三位分别是是S1-7 钻孔终孔（0.63t/m）、S1-3 钻第一段（0.63t/m）、S1-4 孔第一段（1.00t/m），单位注浆量悬殊较大。最大注浆量是最小注浆量的6.5 倍，去除最大最小值后为3.26 倍。小于1.0t/m 有 2 个注浆段，1.0～3.0t/m 有 7 个注浆段，3.0t/m以上有3个注浆段，总体反映探查区域内裂隙不发育。

（2）注浆压力对注浆效果的影响。通过对东一采区（东翼）注浆压力分析发现，随着注浆压力的变化，可以分为三个阶段。

第一阶段，0～4.0MPa，注浆充填阶段。在此阶段，浆液主要对灰岩地层中的天然裂隙（断层、破碎带）进行充填。一般而言初始注浆压力低于4.0MPa的钻孔，总注浆量普遍较大，如S1-3 分支孔第二段，初始压力2.0MPa，注浆量2001.33t；S1-1分支孔第二段，初始压力0MPa，注浆量1342.42t；S1-4主孔第三段，初始压力4.0MPa，注浆量1048.73t。

表1 S1孔组各钻孔单位注浆量统计表

第二阶段，4.0～8.0MPa，压实扩散裂隙阶段。在该阶段，随着压力的不断提升，浆液不断压实断层、破碎带裂隙中的充填物，填充空间，并且扩散距离逐渐增大。该阶段也是主要注浆阶段，但由于压力不大，在裂隙不发育情况下，注浆量可能不大。

第三阶段，8.0MPa 以上，劈裂扩展及填实裂隙阶段。随着压力的持续上升，灰岩地层薄弱部位的应力与抗拉强度被克服，发生劈裂形成充填裂缝，原先微小裂隙也不断被扩展变大，随着浆液的填充，灰岩地层被进一步加固，此为注浆的主要阶段，持续时间较长，注浆半径增大，浆液扩散较远，因而消耗的水泥量最多。S1孔组注浆量主要集中在高压注浆阶段。孔组最后一个分支孔进行高比重（1.65g/cm3）注浆封孔，以封堵填实钻孔内所有空间为目的，其他钻孔注浆达到结束标准后则改用清水压水，将水泥浆液尽可能挤压至二开套管口附近，此时三开裸孔段也进一步得到了填实，达到了底板注浆改造的效果。钻孔设计注浆压力如表2所示。

3 效果评价

3.1 质量效果评价

（1）S1 孔组各钻孔以1 煤底板80m 左右地层为主要探查层位，主要沿9灰顺层钻进探查治理，探查治理区域内C39灰岩裂隙不发育，未发现隐伏陷落柱或导水通道等地质异常体，未发现太原组灰岩与奥灰含水层之间存在水力联系的通道。

（2）通过高压注浆治理，S1孔组探查治理区域内的断层及其破碎带、灰岩裂隙已被水泥充填加固，隔绝了奥灰水和工作面的水力联系，增加了安全隔水层厚度，达到了注浆结束标准，完成了既定的探查、治理目标，注浆效果良好，安全隐患大大降低。

3.2 奥灰带压开采评价

（1）煤层与含水层间距。11313工作面A组煤的煤层结构简单，赋存较稳定，其中3煤厚1.6～13.8m，平均5.3m；3煤与下伏1煤层间距平均为1.5m，夹矸为泥岩，1 煤厚0.8～9.1m，平均3.7m，直接底板为平均4.5m 厚的砂质泥岩或粉砂岩。1煤底距C3Ⅰ组灰岩顶（C31顶）平均距离约为15m，距C3Ⅱ组灰岩顶（C35顶）平均距离约为60m，距C3Ⅲ组灰岩顶（C39顶）平均距离约为80m，距奥灰含水层顶面平均距离约为150m。

（2）奥灰水害危险程度分析。突水系数即单位隔水层厚度所承受的水压，而临界突水系数则为单位隔水层厚度所能承受的最大水压。用突水系数法预测煤层底板突水，能反映底板突水因素的综合作用。主要影响因素有水压和隔水层厚度，其数学表达式如下：

表2 钻孔设计注浆压力表

式中：T——突水系数，MPa/m；

P——底板隔水层承受的实际水头值，MPa；

M——底板有效隔水层厚度，m。

①隔水层厚度：底板探查治理加固定向孔布置于1煤底板80～82m 左右，3 煤底板85～87m，根据以往注浆经验，注浆扩散半径为25m，注浆扩散半径范围内以及上部岩层可视为相对隔水层，隔水层厚度为110～112m，平均厚度为111m。

②底板隔水层承受的水压：由于工作面内部无奥灰含水层观测钻孔，据周边水二1、VIO2、Ⅵ西O2奥水水位标高分别-49.46m、-35.83m、-37.31m，取最高水位为-35.83m。11313 工作面底板标高平均为-540m，有效隔水层底界面标高为-652～-650m，则底板隔水层承受的平均水压为5.04MPa。

③奥灰水害危险程度分析：由于工作面底板的断层、垂向导水构造裂隙等已通过注水泥浆液充填加固，即已将受构造破坏块段改造成了正常块段。根据突水系数公式计算，11313 工作面突水系数为5.04÷111=0.045(MPa/m)，小于正常块段的突水系数0.1MPa/m。根据《煤矿防治水细则》相关要求，11313工作面达到安全回采级别。

4 结论及建议

11313 工作面底板灰岩水害地面区域探查治理工程在收集治理区地质及水文地质条件、充水条件资料的基础上，结合实际施工情况，并对施工过程中探查、治理效果以及经济效益进行了分析评价，得到以下结论：

（1）采用地面水平定向钻探技术，以探查A组煤底板80m 左右的九灰地层中垂直导水构造为主要目的，主要沿9灰顺层钻进探查治理。经探查，探查治理区域内C39灰岩岩溶裂隙不甚发育，未发现隐伏陷落柱或垂向导水通道等地质异常体，未发现C39灰岩及以上地层与奥灰含水层之间存在水力联系的通道，通过高压注浆治理，对揭露的F10断层及其破碎带、灰岩裂隙进行了水泥充填加固，完成了本次探查治理工程的任务目标。

（2）依据定向水平分支孔钻探轨迹、地质录井、压水试验和注浆单孔结束标准等综合分析，认为此次底板灰岩水害地面区域探查治理工程效果良好，切断了治理区A 组煤与奥灰含水层之间的水力联系，完成了裂隙导水通道探查与治理的目标。

（3）治理后的11313工作面（剩余段）底板奥灰突水系数为0.045MPa/m，均小于正常块段突水系数0.1MPa/m，达到安全回采要求，可以进行奥灰带压开采。

（4）此次地面区域超前探查治理工程首次在东一采区(东翼)采用地面定向水平分支孔进行奥灰垂直导水通道探查治理并取得成功，11313工作面可以进行奥灰含水层带压开采，为矿区类似水文地质条件奥灰水害快速治理提供了可借鉴的成熟经验。