山西介休青云煤矿底板奥灰水区域治理目的层位研究

2024-01-22吴铁卫程振雨

中国煤炭地质 2023年12期

吴铁卫，高磊，程振雨

（中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039）

0 引言

近年来，地面区域治理技术作为奥灰水治理的主要技术方法［1］，以其先进治理的理念、较小的环境影响和出色的治理效果而受到广泛认可，对于解放受奥灰水威胁的煤炭资源起到了非常重要的作用［2］。

对于底板奥灰水的区域治理，目的层位的选择是关键。秦立涛等通过突水系数法确定了区域治理的目的层位与治理段厚度［3］，李冲、王锋利、任虎俊等在河北邯邢煤矿区底板高承压水害防治研究中，通过突水系数法、钻井液漏失量等研究了治理层位［4-7］，董书宁等在对区域治理模式进行研究中，也对治理层位提出了选择准则［8-9］。这些治理目的层的选择方法对于一些煤矿底板奥灰水的防治起到了一定作用，但是各煤矿地质、水文地质条件均具有不同特点，目的层位的选择方法也各不相同。

青云煤矿位于山西省介休市，区域上属于洪山泉岩溶水系统的强径流区，构造复杂，底板奥灰水水压大、富水性强［10-11］。根据经验选择太原组薄层灰岩作为治理目的层，常常起不到治理效果。本次研究采用综合分析方法，通过研究煤矿地层、水文地质条件，特别是岩溶发育规律、突水危险等，对底板奥灰水区域治理目的层做出综合分析研究，以期为区域治理提供指导，也为华北型煤田奥灰水区域治理提供参考。

1 煤层底板地层结构及岩性特征

1.1 地层结构

青云煤矿属于华北型煤田，含煤地层为石炭系—二叠系山西组与太原组，规划开采煤层为太原组下部的9 煤、10+11 煤，其顶板为太原组K2、K3、K4 灰岩，底板主要发育有石炭系本溪组、奥陶系峰峰组、马家沟组（图1）。

图1 青云煤矿地层岩性柱状图Figure 1 Stratigraphic lithological column of Qingyun coal mine

1.2 煤层底板岩性特征

本溪组厚度约为43m，岩性主要为泥岩、铁质泥岩、铝质泥岩等。奥陶系峰峰组、上马家沟组岩性主要为灰岩、白云岩等，其中峰峰组厚度约为80m，整体可以分为上、下两段，上段为厚层石灰岩，钻进时有程度不同的孔内漏水现象；下段以厚层泥灰岩、泥质灰岩为主，夹不稳定的石膏层。

2 底板含水层特征及突水危险

2.1 底板主要含水层及其水文地质特征

1）奥陶系上马家沟组碳酸盐岩岩溶裂隙含水层。上马家沟组上部为灰色灰岩夹灰白色白云质灰岩，为本区主要岩溶水含水层之一，下部为灰黄色白云质泥灰岩，地层厚度130～250m。根据临近的左则沟煤矿内施工的ZS-1号上马家沟组水文孔，水位标高为902.156m，单位涌水量1.9761L/（s·m），渗透系数15.01m/d，水化学类型为HCO3·SO4—Ca·Mg 型，pH 值7.8，矿化度0.477 8 g/L，总硬度390.3 mg/L，水质好，富水性强。

2）奥陶系峰峰组碳酸盐岩岩溶裂隙含水层。峰峰组岩性呈现明显的上、下段两分特征。上段为厚层石灰岩，钻进时有程度不同的孔内漏水现象，富水性较下段好，厚度约为40m；下段以厚层泥灰岩、泥质灰岩为主，夹不稳定的石膏层，钻孔循环液无明显消耗，富水性弱，具有良好的隔水条件。

2.2 底板突水危险性

煤层回采后，对底板产生一定的扰动破坏，如果隔水层薄或者底板扰动破坏带与共同发育与煤层底板和奥陶系灰岩之间的张性断层，则奥灰水将通过这些断层、裂隙带进行弹性释放，涌入矿井发生突水［12］。对于底板突水风险，采用突水系数法计算［13-14］。突水系数值计算公式：

式中：T为突水系数，MPa/m；p为底板隔水层承受的水头压力，MPa。11 号煤层底板隔水层承受的水压p为4.37～6.56MPa。M为底板隔水层厚度，m。

依据公式（1），经计算，11 煤突水系数为0.067～0.146MPa/m，存在很大突水风险。

3 治理目的层选择

3.1 选择的原则

地面超前区域探查治理目的层位选择应遵循如下原则：①治理后可采区满足突水系数T≤0.06MPa/m，并经评价合格。②发育稳定，厚度较大，可以保证较高钻孔穿层率和成孔率。③便于判层。利用岩心及γ随钻测井曲线容易识别。④具有稳定的顶底板，便于注浆控制。

3.2 目的层选择

青云井田峰峰组岩性呈现明显的上、下段两分特征，从岩性上看，下段夹不稳定的石膏层，钻孔循环液无明显消耗，富水性弱，具有良好的隔水条件，可以作为隔水层。上段为厚层石灰岩，平均厚度约为40m。通过井田钻孔对比来看，整体发育稳定。从钻探揭露来看，各钻孔均有不同程度的钻井液漏失现象，整体富水性较好。

峰峰组上覆本溪组泥岩、铝土泥岩，其下部峰峰组下段以厚层泥灰岩、泥质灰岩为主，岩性易于与峰峰组上段进行区分。根据测井资料曲线分析，峰峰组上段灰岩自然γ值明显较低，与峰峰组下段表现出明显的差异。从岩性与测井曲线特征来看，均容易识别。从岩性、稳定性、测井曲线特征分析，选择峰峰组上段作为区域治理目的层（图2）。

图2 峰峰组上段岩性与测井曲线Figure 2 Lithology and well logging curves of the upper Fengfeng Formation

如果以峰峰组上段作为区域治理目的层进行注浆改造，治理后峰峰组上段与下段将成为马家沟组的隔水层。从钻探揭露来看，各钻孔均有不同程度的钻井液漏失现象，具备注浆条件。因此综合上述因素分析，青云井田底板奥灰水区域治理应选择奥陶系峰峰组上段作为目的层。

4 对区域治理工程的指导意义

青云煤矿底板奥灰区域治理一期位于井田南部F3断层西侧，治理面积为0.55km2。治理目的区域内11 号煤层底板隔水层承受的水压最大为6.58MPa，按照构造区临界突水系数0.06MPa/m 计算，11 号煤层底板需至少有100m 的隔水层厚度。根据钻孔揭露，11 号煤距离奥灰含水层间距平均约43m，需要至少57m的隔水层。

峰峰组上覆为本溪组泥岩、铝土泥岩，顶板稳定，平均厚度为43m。峰峰组上段为厚层石灰岩，平均厚度约为40m，富水性好。峰峰组下段以厚层泥灰岩、泥质灰岩为主，为相对隔水层，平均厚度亦为40m。因此，从整体来看，只要将峰峰组上段认真改造为隔水层，就可以达到区域突水系数小于0.06MPa/m的要求。

从测井资料来看，峰峰组上段厚层灰岩的自然γ值明显低于上、下地层，易于识别。根据目的层选择原则，暂定改造目的层位应为确定治理目的层选择为奥陶系峰峰组上段。

项目共施工2个主孔，25个定向分支孔，各分支孔采用“扇形羽状”布置施工。各分支孔施工间距60m，F3断层附近加密至30m施工。

在施工过程中，钻孔揭露的峰峰组上段厚层灰岩自然γ值一般在40API 以下，而峰峰下段泥质灰岩、石膏层一般在120API 以上，上覆本溪组铝质泥岩一般在150API 以上，最大达到400API。施工过程中，随钻设备能够不间断显示地层的自然γ值，如果钻孔轨迹偏离设计轨迹，自然γ值会出现明显变大。峰峰组上段容易判层，而且该段发育稳定，具有稳定的顶底板，作为治理目的层效果良好。

采用两种方法对治理效果进行了验证。一是采用地面检查孔验证，在对已注浆治理区域采用钻探的方法验证注浆加固治理效果，验证钻孔钻井液没有明显消耗。二是采用井下钻孔验证。根据已治理区井下施工的2 个检查孔进行的压水试验，单位吸水率q＜0.01Lu，注浆治理效果良好。