地面定向钻孔超前区域治理底板岩溶水害技术应用

戴 磊，段李宏

(河南能源化工集团 永城煤电控股集团有限公司，河南 永城 476600)

陈四楼煤矿主采山西组二2煤，随着矿井开采深度的增加，二2煤层底板隔水层承受的水压达到了5.6～7.0MPa，隔水层厚度平均50m，突水系数[1]达到了0.112～0.14MPa/m，若不采取有效的防治水措施，太原组上段灰岩水对矿井采掘活动造成严重威胁[2-4]。目前矿井主要采用井下施工底板注浆改造钻孔将太原组上段承压含水层进行注浆改造为隔水层的方法进行水害防治[5，6]，利用ZDY3200S型钻机施工短孔进行注浆加固煤层底板封堵岩层裂隙。根据高承压水工作面的施工情况，高承压水采区呈现钻孔出水量大、出水次数多且水压较高的特点，导致注浆量较小，注浆系统距离远使浆液浓度低，注浆设备压力不能满足压力要求，注浆效果差，达不到对灰岩改造成隔水层或弱含水层的效果。另外，井下底板注浆改造有效孔段占比低、造成无效进尺多，施工劳动强度大、施工周期长，而且封孔点多，对底板的完整性破坏较大，工程费用高，严重影响矿井采掘接替和安全效果。为了提高底板注浆改造的施工进度，降低成本，有效降低无效进尺，实现区域煤层底板超前治理[7-10]，达到减人增效、保证安全的目的，矿井实施地面定向钻孔超前区域治理技术。

1 工作面概况

陈四楼煤矿2506工作面(里段)位于陈四楼煤矿南五采区，该工作面对应地面标高为+34.70m，整体为一单斜构造，地层倾角15°～26°，平均18°，走向南东-南南东，倾向南西-南西西，开采煤层为二2煤层，平均厚度2.56m，面积50387m2，储量19.7万t，由于工作面内发育F506Z3逆断层(65°、∠18°～48°、H=18m)，里段可采储量12.31万t。

2506工作面(里段)断层较为发育，根据三维地震及工作面巷道揭露资料，共发育10条断层，其中4条逆断层、6条正断层，其中落差大于3m(含3m)的断层有2条，落差大于1m(含1m)、小于3m的断层有6条，落差小于1m的断层有2条。工作面断层产状及对回采的影响程度见表1。

表1 工作面断层产状及对回采的影响程度

根据五采区已回采工作面实际揭露水文地质情况分析，2506工作面(里段)直接充水水源为煤层顶底板砂岩裂隙水，以静储量为主，在巷道掘进期间已对其进行了疏放，但在局部裂隙发育地段仍会以顶板淋水和底板裂隙渗水的形式进入回采工作面，目前工作面巷道内砂岩裂隙水合计涌水量约5m3/h，影响较小。工作面间接充水水源为太原组上段灰岩水，太原组上段灰岩岩溶裂隙承压水是二2煤层间接充水含水层，为矿井主要水害影响。根据地面区域治理钻孔实际揭露岩性及井下钻探实际揭露岩性资料分析，2506工作面二2煤下距太原组L11灰岩含水层53.7m、距L10灰岩含水层65.63m、距L9灰岩含水层76.83m、距L8灰岩含水层83.93m；L11灰岩平均厚1.15m，L10灰岩平均厚5.0m，L9灰岩平均厚2.9m，L8灰岩平均厚12m。工作面(里段)井下实测孔口水压范围1.0～3.6MPa，实测单孔最大出水量150m3/h，太原组上段灰岩岩溶、裂隙发育，整体属于富水性中等的含水层，但在断层发育区域太原组上段灰岩富水性强，底板裂隙发育。

2 地面区域治理工程

2.1 治理思路

针对陈四楼煤矿矿井南翼五采区水文地质条件相对复杂，且区内断层构造发育，太原组上段灰岩补给、径流强烈，2506工作面(里段)临近区域底板注浆改造工程实施期间钻孔出水量大、水压高，钻探工程量、注浆量大，治理工期长，矿井采用地面区域治理技术对底板灰岩含水层进行治理，施工地面钻孔沿目标治理灰岩层顺层钻进，区域性超前探查灰岩岩溶裂隙、导水通道及储水空间，并进行高压注浆封堵，通过分段“探注结合”施工，将含水层改造为等效隔水层，满足底板突水系数要求，在治理区域范围内形成一个整体的“水平阻水墙”，阻隔目标治理层及下部含水层的灰岩水，解放受高压强含水层威胁的煤炭资源。

2.2 工程目标

工作面治理区域内钻孔顺层段的灰岩顺层率达到90%以上，地面注浆孔口终压不小于10～12MPa，单位进浆量小于35L/min且稳定30min以上。工程完成后，治理区井下目标治理灰岩层探查钻孔单孔稳定涌水量不大于10m3/h，工作面回采期间底板最大出水量不大于30m3/h。

2.3 治理层位的确定

2506工作面(里段)水文地质条件相对复杂，煤层底板主要充水含水层为太原组上段灰岩(L11—L8)，其中，L8灰含水层厚度平均12m，是该工作面最厚且稳定的灰岩含水层，上距二2煤层底板约80m。结合工作面周边已回采工作面实施井下底板注浆改造经验，选取L8灰含水层为治理目标层位，增加底板隔水层厚度从而减小突水系数，如图1所示。

图1 2506工作面(里段)目标治理层位

2.4 工程设计

2.4.1 工程布置方案

根据设计原则及工作面井上下对照图，设计在地面布置1个孔组，采取一个主孔与多个一级分支孔进行布置，呈扇状发散，孔间距控制在50m左右，实现对目标治理区及外扩30m范围覆盖，如图2所示。

图2 2506工作面(里段)钻孔轨迹平面布置

工程重点查明二2煤层底板L8灰岩含水层的富水状况及工作面内5m以上构造发育情况，在地面施工长距离定向钻孔对L8灰岩含水层进行超前探查及注浆改造[11-18]，通过钻孔注浆来充填底板灰岩含水层的岩溶裂隙和导水裂隙，从而减弱含水层的富水性并切断水源补给通道，使受注含水层变为有效隔水层，降低水害威胁程度。

2.4.2 钻孔结构

根据综合治理思路、地层条件、设备能力等综合因素确定钻孔结构。钻孔一开孔径∅311mm，下入∅244.5mm×8.94mm表层套管至基岩，水泥固井，隔离第四系表土地层。二开定向导斜，孔径∅216mm，下入∅200.3mm×10.92mm套管至L8灰岩，水泥固井。三开裸孔，孔径∅152mm，沿目标治理灰岩层顺层钻进。直孔段和斜孔段两级套管均要求用水泥进行永久性止水，满足钻探注浆施工要求，确保施工安全。钻孔结构如图3所示。

图3 钻孔结构

2.4.3 注浆工程

钻孔水平段在L8灰岩含水层中遇到漏失量大的裂隙或溶洞时，采用250～750L/min的大排量注浆泵注入比重1.2～1.6左右的水泥浆，对裂隙或溶洞快速充填，从而减弱含水层的富水性并切断水源补给通道，使受注含水层变为有效隔水层，降低水害威胁程度。

3 地面区域治理钻孔施工情况

3.1 钻孔现场施工情况

2506工作面(里段)底板水害地面区域治理工程自2019年12月至2021年2月，施工1个主孔，13个分支孔。其中，一开进尺360m，孔径∅311mm，下入∅244.5mm×8.94mm表层套管至基岩，水泥固井，隔离第四系表土地层；二开进尺428.36m，孔径∅222mm，下入∅200.3mm×10.92mm套管至L8灰岩；在里段附近总计注浆11次，其中进行注浆的钻孔包括1个主孔，5个分支孔，累计完成钻探进尺6349.06m，累计注水泥18945t。其中，三开段长度5716.06m，L8灰段长5331.7m。三开段钻孔轨迹的垂深控制在L8灰顶底板范围之内，钻孔沿L8灰岩层位中上部位置钻进，工作面内进行注浆的1个主孔、13个分支孔L8灰岩含水层顺层率平均达到94.7%，符合设计要求，能够最大程度地揭露L8灰含水层孔隙、裂隙及导水通道，对治理区域范围内的岩溶裂隙、导水通道及储水空间进行高压注浆，将强含水层改造为等效隔水层。2506工作面里段分支孔层位控制见表2，2506工作面(里段)钻孔实钻平面轨迹如图4所示。

表2 2506工作面里段分支孔层位控制

图4 2506工作面(里段)钻孔实钻平面轨迹

3.2 钻孔注浆情况

2506工作面(里段)治理区域钻孔钻进至断层带附近多次发生漏失情况，漏失量大于60m3/h累计6次，漏失量10～40m3/h累计2次，无漏失累计3次。2506工作面(里段)累计注浆11次，如图5所示，单次最大注浆量达到7587t，单次注浆量大于1000t的次数累计8次，占总注浆次数的66.7%，累计注浆量为18945t，断层带附近累计注浆量大，对断层带进行了充分充填加固，保证整个注浆治理过程中注浆压力正常传递，对目的含水层进行劈裂注浆，保证注浆治理效果。2506工作面(里段)注浆情况见表3。

图5 2506工作面(里段)注浆情况

表3 2506工作面(里段)注浆情况

3.3 工作面物探验证情况

为了验证2506工作面(里段)地面区域治理工程治理情况，工程施工前、后进行了9次瞬变电磁勘探，实现了物探初探、复探全覆盖，指导钻孔设计及效果验证[19，20]。其中，初探结果显示2506工作面(里段)内分布瞬变电磁异常区25个，其中低阻区24个，高阻区1个；复探结果显示2506工作面(里段)内仅分布瞬变电磁富水异常区2个。

根据2506工作面(里段)瞬变电磁初探、复探视阻率剖面对比分析，2506工作面(里段)地面区域治理注浆加固效果明显，根据复探视电阻率值结果分析，复探范围内煤层底板视电阻率值较高，底板岩层层位较为稳定，原有异常区剖面深度大幅增加、宽度大幅度减小，较好地明了底板太原组上段灰岩经过注浆加固后，岩溶裂隙被有效充填，达到了底板注浆加固的目的。

4 结 论

1)地面区域治理工程施工期间钻孔出现漏失量大于60m3/h累计6次，漏失量10～40m3/h累计2次，无漏失累计3次，探明了工作面底板L8灰岩含水层富水性强，且裂隙比较发育。

2)该工程共完成1个主孔、13个分支孔，累计钻探进尺6349.06m，目标层灰岩平均顺层率94.7%，注水泥18945t，注浆孔口终压10～12MPa，断层带附近累计注浆量大，对断层带进行了充分充填加固，单孔结束单位吸水率小于0.01L/(min·m·m)，注浆加固效果显著。

3)治理完成后，利用井下“物探+钻探”相结合的手段进行了注浆改造效果验证，最终验证结果表明2506工作面(里段)富水异常区均已消除、检验钻孔出水量均小于10m3/h，表明该项技术在充填底板灰岩含水层的岩溶裂隙和导水裂隙方面具有明显优势，通过充填治理层位的岩溶裂隙减弱含水层的富水性并切断水源补给通道，使受注含水层变为有效隔水层，降低水害威胁程度。

4)2506工作面(里段)已安全回采结束。通过2506工作面(里段)底板水害地面区域治理工程的施工，一是大大缩短了工作面水害治理工期，缓解了矿井采掘接替紧张局面；二是解决了矿井大水量、高承压水治理技术难题，提升了水害治理安全效果；三是在水害治理成本上大幅下降，同时减少了井下钻探注浆其它成本投入，如排水、井巷工程、人员等投入。未来可在永夏矿区周边具有相似地质条件的矿井推广应用，社会效益显著。