城郊煤矿薄层灰岩水害治理技术研究与实践

钟 蜜

（江苏长江地质勘查院，江苏 南京 210046）

近年来，煤矿灰岩水害治理积极推广地面水平定向钻进技术，形成了成熟的区域超前治理技术，而针对煤层顶底板薄层灰岩进行探查、治理的地面区域治理技术应用较少，部分煤矿使用地面水平定向钻井技术对煤层顶底板薄层灰岩进行探查和高压注浆治理，取得了一定的治理效果。冀中能源峰峰矿区薄层灰岩地面区域治理中通过下套管到大青灰岩含水层顶面、羽状分支孔补注等技术手段，取得了薄层灰岩含水层区域注浆加固的成功[1]。羊东矿选择奥灰顶部5.5 m 厚大青灰岩为治理目的层，取得了较好的治理效果[2]。桃园煤矿Ⅱ4 采区10 煤底板三灰含水层治理，通过分段“探注结合”施工，有效封堵三灰溶隙、裂隙，最终将三灰含水层改造为隔水层[3]。冀中能源辛安矿选择奥灰顶部5.5 m厚大青灰岩为治理目的层，取得了较好的治理效果[4]。黄河北部西南地区煤矿采掘前应用多分支水平定向钻井技术，对平均厚度为10 m 的含水层进行注浆加固，将含水层改造为弱含水层或隔水层[5]。因此，借鉴相关成熟经验，采用地面水平定向钻孔技术对煤层顶底板薄层灰岩进行探查和高压注浆治理是可行的。

永城地区针对煤层底板太原组L10薄层灰岩进行地面区域治理尚没有相关的技术经验可供参考。城郊煤矿十四辅助采区位于矿井十四采区北侧深部区域，整体水文地质条件相对复杂，为缩短水害治理周期，保证治理效果，城郊煤矿经过多重技术论证选择地面区域治理技术对煤层底板太原组上段L10灰岩进行治理，防止底板水害发生。该工程通过施工三个地面孔组（D1、D2、D3 孔）共35 个水平定向分支孔对L10灰岩地质、水文地质及隐伏含（导）水构造等进行探查并进行高压注浆治理，将目的层改造成为有效隔水层。治理后十四辅助采区F21405工作面计算最大突水系数为0.044 MPa/m，符合《煤矿防治水细则》中突水系数安全值不大于0.06 MPa/m 的标准，无突水威胁，可以安全回采。该工程的成功实施为城郊煤矿各采掘工作面有序衔接起到关键作用，产生显著的经济社会效益，同时为薄层灰岩地面区域治理技术在该矿其他工作面推广使用提供了技术支撑。

1 采区地质特征

1.1 地层特征

十四辅助采区地层较为简单，未见基岩出露，根据见煤地质钻孔揭露地层为第四系(Q)、新近系（N）、二叠系下统下石盒子组（P1x）、二叠系下统山西组（P1s）、石炭系上统太原组（C2t），岩性如下：

第四系（Q）：以褐黄、棕黄黏土、亚黏土为主，表层为耕植土。

新近系（N）：厚度420 m，以灰色、杂棕黄色中粗砂、细粉砂为主，次为土黄色黏土质砂间夹砂质黏土，新近系底部为一层土黄色夹灰绿色含砾黏土。

二叠系下统下石盒子组（P1x）：厚度约40 m，主要由灰、灰黑色泥岩、砂质泥岩和浅灰色砂岩、鲕状铝质泥岩及煤层组成，与上伏新近系地层呈不整合接触。

二叠系下统山西组（P1s）：下起K3 标志层顶，上至K4 下部的一层砂岩(砂锅窑砂岩),由泥岩、砂质泥岩、砂岩及煤层组成，厚度平均92.54 m，含煤3 层，赋存于该组中部的二2 煤层为该矿的主要可采煤层。二2煤下部具两个特征不同的岩性单元，下段主要由厚层黑色泥岩、砂质泥岩组成，层位稳定，含有少量的动物化石碎片和硅质菱铁矿结核；上段主要为薄层状砂岩，水平层理较发育，层面含碳质及白云母片，称为“叶片状砂岩”。二2煤层上部一般发育有两个沉积旋回，主要为砂岩、砂质泥岩、泥岩夹不稳定的薄煤层，总体表现为下细上粗的特点，偶见薄层菱铁矿，中部为一层中粗粒长石石英砂岩，胶结疏松，俗称为“豆腐渣砂岩”。

石炭系上统太原组（C2t）：由较稳定的薄～厚层状灰岩、泥岩、砂质泥岩、粉细砂岩组成，本组上段所含L10灰岩为本次治理的目标层位，平均地层厚度4.2 m。

1.2 构造特征

十四辅助采区位于陈楼背斜核部，区内构造较为发育（图1）。治理区西部以F2、DWF85 边界大断层为治理边界，南部以DWF43、FW45 断层为边界，区内发育多条走向北东向、东西向断层，以北东走向断层为主。根据三维地震勘探资料，区内共发育断层11 条，均为正断层，落差最小0.8 m，最大17.4 m，其中落差大于3 m 的断层6 条，分别 为DWF45、DWF46、DWF56、DWF58、DWF55、FF21405H-3，对回采影响较大。在煤层运输巷、回风巷掘进过程中，揭露的一些次生隐伏小断层如FF21405Y-1、FF21405H-2、FF21405H-2-1对回采影响较小。

图1 采区构造地质图

1.3 水害特征

十四辅助采区范围内断层多为高角度压扭性正断层，断层破碎带间充填多为断层泥，起到隔水作用，一般情况下不存在导通出水的可能，仅以顶板淋水的形式出现，只要不破坏断层的自然状态，一般情况下不易发生突水。老空区积水是矿井开采过程中威胁较大的水害因素，采区南部的21402、21403、21404、21406 四个采空区存在积水现象。通过超前探放对老空区积水进行疏干排放，防止积水突入，可使得老空积水对本采区生产无影响。

2 技术方案及完成情况

2.1 治理层位选取

根据城郊煤矿水文观测孔资料，治理区太原组上段含水层水位标高为-327.7 m，本区开采上限标高为-425～-655 m，平均安全开采深度静水压力1.0～3.3 MPa。取突水系数临界值计算开采二2煤层底板隔水层厚度不得低于55 m，太原组上段L10灰岩煤层间距62 m，平均厚度4.2 m，地层稳定，以该层为目的层较为合理。治理后可以使十四辅助采区工作面开采突水系数小于0.06 MPa/m，满足《煤矿防治水细则》规定地面区域治理后煤层底板突水系数小于0.06 MPa/m 的要求，符合回采条件，实现无水害安全开采。

2.2 治理思路及方法

使用地面定向钻机沿工作面范围内L10灰岩段顺层定向钻进后，地面注浆站通过定向钻孔轨迹对二2 煤层底板下伏L10灰岩含水层进行高压注浆治理改造，有效封堵灰岩发育的导水裂隙，将煤层底板太原组上段灰岩含水层改造为有效隔水层，达到目的层超前区域治理的效果。

地面治理方法包括施工钻孔探查和注浆治理两个方面，探查工作主要由地面施工多分支顺层定向钻孔来完成，探查可能存在的隐伏导水构造和导水通道，并对其进行高压注浆封堵、加固［6］，将其改造为隔水层。治理是通过对施工的分支孔进行高压注浆来完成。

2.3 钻孔设计

十四辅助采区地面区域治理工程设计了3 个地面孔组，共35 个水平分支孔，其中D1 孔组设计13 个水平分支孔（图2a），D2 孔组设计10 个水平分支孔（图2b），D3 孔设计12 个水平分支孔（图2c）。分支钻孔间距选取50～60 m，设计总钻探工程量23 413.60 m。

图2 钻孔轨迹设计立体图及井身结构图

2.4 钻孔结构设计

本次施工的3 个地面钻孔均采用三开井身结构（图2d），一开、二开为主孔，三开为目的层L10灰岩水平顺层段。

一开为地面至基岩稳定层位；孔径Φ311 mm，下入Φ244.5 mm×8.94 mm 套管，下至新近系基岩稳定层位，隔离第四系地层。

二开为基岩稳定层至太原组L10灰岩，孔径Φ215.9 mm，下入Φ177.8 mm×8.05 mm 套管，固结第二层套管，完成套管底口10 MPa 承压水试验。

三开为目的层太原组上段L10灰岩水平顺层段，孔径152 mm。

2.5 工程完成情况

十四辅助采区地面区域治理工程于2022 年7月正式开工，至2023 年9 月完成野外施工作业。项目施工完成3 个地面孔组（D1、D2、D3 孔组），共计35 个水平定向分支孔，钻探工程量22 666 m。施工过程中累计注浆90 次，注浆量63 874 t。

3 治理效果分析

3.1 漏失点及注浆量分析

水平分支孔定向施工过程中共发生10 m3/h 以上漏失39 次，其中全漏（大于50 m3/h）失返25次，占漏失点2/3 之多，漏失点位置主要分布在D2孔、D3 孔施工区域的绝大部分分支，D1 孔组除主孔漏失外，其他分支漏失情况较少。漏失点分区明显，靠近断层位置较多。漏失点单次平均注浆量为772.59 t，漏失点注浆量增加有限，说明L10灰岩注浆空间以微裂隙为主，溶洞、较大裂隙充填为次。

3.2 注浆压力与注浆量关系分析

郑士田（2021）在淮北朱庄煤矿Ⅲ632 工作面底板太原组上段L3 灰岩水害治理中，认为注浆压力呈“阶梯式”递增趋势[7]，先后经历“微压充填（注浆孔口压力为0 MPa）-低压扩散（注浆孔口压力为0～4 MPa）-中压加固（注浆孔口压力为4～8 MPa）-高压劈裂（注浆孔口压力大于8 MPa）”4个阶段。依据地面区域治理相关经验及本区地质特征，将注浆压力划分为4 MPa 以下、4～8 MPa 和8 MPa 以上三个压力阶段，分别对应注浆过程的三个阶段，即孔隙低压充填挤密、裂隙中压渗透加固和微裂隙高压劈裂阶段。

高压劈裂注浆是压密注浆的基础，施加高压将岩体劈开并对其注浆，岩体原有裂隙会扩大，浆液扩散范围也会增大[8]。该次地面治理施工的分支孔总体呈现“揭露漏失多、起注压力低、中高稳压时间长、低压占比小”的特点。该工程注浆起始压力小于2 MPa 次数占比高，有70 次，大于等于2 MPa 的仅有19 次。通过分析注浆参数后发现0～4 MPa 低压充填挤密阶段吃浆量小，占比21%，4～8 MPa 和8 MPa 以上中压渗透加固阶段及高压劈裂阶段吃浆量较大，分别达42%和37%。由此可知，中压渗透加固阶段和高压劈裂阶段是主要注浆阶段，具有代表性的注浆孔是D2-5 分支孔第一注浆段注浆过程中，注浆压力达到8 MPa 时出现劈裂现象，压力降低至6 MPa 后又快速升至8 MPa，并保持稳压持续注浆（图3）。此特性表明治理区目的层L10灰岩岩溶裂隙发育以微小裂隙为主，裂隙张开程度较小，无大型岩溶空隙发育，低注浆压力作用下不能在地层中扩散，必须在高压注浆条件下才能克服地层阻力，通过地层劈裂使浆液向周围持续扩散。

图3 D2-5-1 压力与注浆量曲线图

3.3 注浆压水效果分析

各孔组水平分支孔施工中，在每次注浆前后分别进行压水验证。统计结果表明，注浆前吸水率普遍大于0.1 Lu（吕荣），通过分段多钻次注浆，L10灰岩含水层逐渐压密注实，各个水平分支终孔压水验证吸水率普遍小于0.01 Lu（吕荣），D1 孔注浆前吸水率平均值为0.494 Lu（吕荣），注浆后吸水率最大值为0.026 Lu（吕荣），平均值降为0.011 Lu（吕荣）。吸水率的有效降低表明通过地面高压注浆加固，目的层L10灰岩层治理效果较好，可以作为煤层底板有效的隔水层利用（图4）。

图4 D1 孔组治理前、后吸水率折线图

3.4 突水系数分析

地面区域治理后，太原组上段L10灰被改造为等效隔水层，因此底板有效隔水层厚度可计算至L9灰顶板，根据实际揭露其隔水层有效厚为65～70 m。根据十四辅助采区F21405 综采工作面的水文观测孔资料，该采区含水层水位标高为-327.7 m，结合十四辅助采区的标高范围，太原组上段灰岩含水层静水压为1.85～2.89 MPa。根据突水系数计算公式：

T=P/M

式中：T为突水系数，MPa/m；P为底板隔水层安全水头值，MPa；M为底板隔水层厚度，m。

L10灰岩含水层经地面区域治理后，整体已被改造为有效隔水层，L9灰岩层以上均为有效隔水层，厚度达65～70 m。

则该工作面最大突水系数：T=P/M=2.89 MPa/65 m=0.044 MPa/m。

经计算，该工作面最大突水系数为0.044 MPa/m，突水系数符合《煤矿防治水细则》中突水系数安全值不大于0.06 MPa/m（底板受构造破坏）的标准，无突水威胁，可以安全回采。

4 治理效果井下验证

4.1 井下物探验证

永城地区煤层底板灰岩富水性强，裂隙带一般为含水，其低阻特征明显[9]。矿井物探方法中，瞬变电磁法和音频电透视法都是较为合理的选择。该矿为验证本次地面区域治理效果，采用音频电透视法对F21405 工作面底板岩层富水性进行探测，分别在F21405 运输巷和F21405 回风巷布置两条测线，在两巷分别布置测线长度为1000 m。F21405 运输巷从切眼位置开始，沿F21405 运输巷向巷道外方向依次标为0#～100#点，测点距10 m。F21405 回风巷从切眼位置开始，沿F21405 回风巷向巷道外方向依次标为0#～100#点，测点距10 m。

音频电透视法探测后对F21405 工作面进行了综合地质解释，发现煤层底板L10灰岩层存在3 处大于异常阈值的区域，命名为Y10YC1～Y10YC3，具体分析如下：

Y10YC1位于X 轴510～610 m，Y 轴230～280 m，视复电导率大于0.35 s/m，为相对高导异常区域，推断为L10灰岩局部裂隙发育富水或岩层富水所致；

Y10YC2位于X 轴770～875 m，Y 轴60～140 m，视复电导率大于0.35 s/m，为相对高导异常区域；

Y10YC3位于X 轴980～1000 m，Y 轴255～300 m，视复电导率大于0.35 s/m，为相对高导异常区域。

4.2 井下钻孔验证

针对已完成的水平分支孔，在F21405 工作面运输顺槽、回风顺槽共布置9 个钻场施工井下验证孔，累计施工验证孔54 个。揭露L10灰钻孔51 个，其中涌水量＜10 m3/h 的钻孔49 个，有2 个涌水量大于10 m3/h 的钻孔。由于该段分支孔未施工完成，验证时没有进行高压注浆治理。在两个水平分支孔经地面注浆改造后，又施工两个验证孔对两处涌水点进行了探查验证，发现治理后该处涌水量均＜10 m3/h，说明两处涌水点经高压注浆改造后，已成为煤层底板有效隔水层。

为了对音频电透视法发现的Y10YC1、Y10YC2、Y10YC3三处异常点进行验证，施工了Y3-3、H1-2、验1、验3 共计4 个检查孔，发现L10灰岩涌水量均处于1～2 m3/h 之间，没有出现超过10 m3/h 涌水量的异常区，说明引起异常的原因非目的层L10灰岩富水所致，表明地面区域治理效果较好。

5 技术经验

十四辅助采区煤层底板灰岩地面区域治理工程的成功实施，为该区以太原组上段L10薄层灰岩为治理目的层的区域治理积累了技术经验。

1）太原组上段L10灰岩层位连续性好，沉积稳定，平均地层厚度约4.2 m，断层、隐伏构造易于控制，含水层整体富水性弱，仅局部裂隙发育，水力连通性较差。经过地面区域治理，该层可以由含水层变为有效隔水层。

2）太原组上段L10灰岩溶裂隙含水层，富水性弱，既有利于注浆改造，注浆量又不会太大，地面区域治理成本较低，且治理效果较好，施工工期短，减少井下非采煤作业人员，降低了对采煤作业的影响，提高了生产效率，保障了井下生产安全。

3）高压注浆前采用清水洗井清除泥皮，使用水泥浆单浆高压注浆，灰岩中浆液扩散半径27 m［10］；城郊矿井下施工的治理效果检验孔，在揭露太原组上段L10灰岩含水层时，发现了地面钻孔注浆时压入地层的水泥，证明目的层灰岩内水泥浆液扩散效果好，地面区域治理水平定向钻孔孔间距取50～60 m 较为合适，水泥浆在目的层灰岩含水层内扩散范围基本与层间距布设相符。

4）华北型煤田煤层开采过程中，煤层底板突水威胁主要来自奥陶系灰岩含水层和太原组灰岩含水层，需增加底板隔水层厚度或治理导水通道［11］。城郊煤矿十四辅助采区治理前突水系数超过0.06 MPa/m，不符合相关规范要求。通过地面区域治理工程的施工，对太原组上段L10灰岩为目的层进行了探查和高压注浆治理，使煤层底板最大突水系数有效降低至0.044 MPa/m，最大突水系数符合规定要求。该水害治理工程取得的成果表明地面区域治理技术在城郊煤矿具有很好的适用性，为该矿其他工作面的治理提供了技术支撑。

6 结论

1）井下水害地面区域治理工程，通过施工水平定向钻孔基本查明了治理区内太原组上段L10灰岩地质、水文地质及隐伏含（导）水构造等地质情况，并通过高压注浆将目的层薄层灰岩改造成为隔水层，增加了二2 煤层底板有效隔水层厚度及完整性，为矿井防治煤层底板突水水害探索出了一条新的技术途径。

2）地面钻孔工程治理结束后，经井下“物探+钻探”综合验证，治理区内无成片的物探、钻探异常区，表明治理区底板的太原组上段L10灰岩得到有效加固。对出水量大、异常点强化注浆治理后，治理区内L10灰岩井下验证钻孔涌水量均小于10 m3/h，治理效果较好。治理后F21405 工作面最大突水系数为0.044 MPa/m，符合规定要求，无突水威胁，可安全回采。

3）通过地面区域治理工程总结出的各项钻探、注浆技术参数、技术经验，对于同类水文地质条件矿井实施地面区域治理提供了可借鉴的经验。