邢东煤矿深部区域奥灰水害探查治理技术

高耀全，方 刚，3，闫兴达

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710077；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西 西安710077；3.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安710054；4.冀中能源股份有限公司 邢东煤矿，河北 邢台054000）

长期以来，我国华北型煤田深受煤层底板奥灰水害的影响[1-2]。在矿井建设、生产过程中，由于石炭-二叠纪煤层形成时代等复杂原因，煤层底板奥灰水体通过断层构造、隐伏陷落柱等不良地质体等通道进入井下采掘工作面，给区内矿井安全生产造成了极大威胁[3-5]。

赵庆彪[6]等开展了奥灰裂隙岩体高承压水的水平注浆孔浆液扩散机理研究，提出了注浆“三时段”的划分，并给出水动力学表达式；建立了垂向裂隙中浆水分区水动力学模型，推导出浆液扩散半径与注浆压力关系；并对可注性差的上边界条件浆液扩散变形问题给出了数值模拟方法。董书宁[7]等从华北型煤田超前区域治理施工过程中钻孔施工条件、层位选取、钻进工艺等3个主要因素出发，概化底板含水层注浆改造模式，确定治理模式的选择准则，在此基础上结合钻孔布设、注浆材料等指标，划分亚类模式。刘再斌[8]提出基于不同钻孔孔型组合的煤层底板水害区域治理模式分类方法，可建立适用于浅部构造发育区加固、中深部形态复杂区改造、深部多分区探查等多种条件的技术体系。蒋向明[9]等认为注浆治理目的层应综合分析水文地质条件和充水方式；水平孔布设距离应考虑水文地质类型、地质构造复杂程度及发育程度；治理应按“探、注、验一体化”的思路开展相关工作。高春芳[10]对邯邢矿区大采深矿井所面临的底板奥灰水害致灾关键因素进行分析，提出了地面奥灰区域超前治理过程中，将单一工作面逐个治理变为一采区或水平统一治理，将治理层位由薄层灰岩变为奥灰含水层顶部，将回采前治理变为掘进前治理。王威[11]等针对黄河北煤田下组煤开采受顶底板双层灰岩突水威胁的情况，提出“顶板灰岩帷幕截流，底板灰岩区域治理”的方法。武善元[12]等结合瞬变电磁和抽水试验结果分析黄河北煤田煤层顶底板含水层富水性，提出梅花式和上、下穿层式分支钻孔钻进，井上下水文观测孔实时监测水压的含水层裂隙精准注浆技术。孙晓宇[13]等针对巨厚冲积层薄基岩煤层底板灰岩含水层，采用地面L型钻孔注浆加固。黄北海[14]等采用垂向钻孔和立体多水平定向分支钻孔相结合的快速封堵突水点技术。郑士田[15]提出针对淮北煤田煤层底板存在高压复合强富水薄层灰岩含水层水害威胁的矿井，应采用定向水平井钻探和“高密度低压充填+低密度高压劈裂式注浆”探查治理技术。徐志远[16]等根据综放工作面煤体出水未揭露构造带、水量小的特点，结合水源、通道探查结果，提出由远及近布置注浆孔、在支架下才有水泥-水玻璃双液浆封堵出水裂隙，再对断层进行全面加固的出水问题处理思路。

综上成果，对我国华北型石炭-二叠纪煤田内各矿井在建设、生产期间面临的煤层底板水害问题具有一定的帮助作用和借鉴价值。为此以河北邢东煤矿-980 m水平内多个工作面底板探查治理工程为研究对象，根据钻探探查、注浆治理，并采用相应的多种手段和方法进行工程效果检验，确保矿井防治水安全生产。

1 矿井概况

邢东煤矿位于河北省邢台市东北部，井田面积约14.5 km2，主要开采二叠系下统山西组2#煤层，采用综放一次采全高采煤法，顶板管理为自由垮落为主，局部采用充填开采。矿井核定后的生产能力为1.25 Mt/a，井田分为-760 m和-980 m 2个水平，上水平分一、二采区，下水平分一、二、三采区，现矿井-980 m水平的一采区为主要生产区域。井田地貌以冲洪积平原为主，地形总体西高东低，地表水系不发育。

井田地质构造较为复杂，其中，各类断层发育（多为正断层，落差＞20 m的断层60余条，落差在5～20 m的断层50余条，落差在5 m以下的小型断层140余条）。在井田内发育2个大中型褶皱（向斜中地层倾角8°～15°，背斜中地层倾角15°～30°）。自矿井生产以来，还发现8个陷落柱（X1～X8，其中X1～X7为以往发现，X8为本次工程发现），但均不导水。

井田-980 m水平的2127工作面和2222工作面在回采过程中发生底板奥灰突水，突水峰值分别为210 m3/h和268 m3/h。随着近5年以来在-980 m水平开展的区域探查治理工程，该水平内的2125、2126、2224、2228工作面相继完成回采。

2 水文地质概况

井田内分布有11层含水层，自上而下主要分为第四系潜水孔隙含水层组、砂岩裂隙含水层组和灰岩裂隙岩溶含水层组这3类，在各含水层之间，分布有相对隔水层，矿井含隔水层一览表见表1。

表1 矿井含隔水层一览表Table 1 List of aquifers and aquicludes in the coal mine

根据矿井采掘揭露及勘查情况，主要受区内各类断层构造影响，部分含水层之间有所沟通联系，尤其是局部地区可沟通奥灰岩溶含水层，造成煤层回采过程中的底板突水灾害。因此，对矿井深部煤炭资源进行开发的过程中，必须采取奥灰水害探查治理手段和技术，确保矿井安全生产。

3 探查治理技术

3.1 钻探技术

3.1.1 工程施工

本次钻探工程综合考虑了井下工作面布置、构造分布等因素，在地面合适位置布置钻探工程。

根据现场地质情况分析，认为奥灰八段85 m左右为理想的钻探注浆层位。地面开钻，大角度造斜，最终以近水平向钻进至奥灰岩八段下部，钻探轨迹控制在进入奥灰60～120 m，在合适位置施工顺层定向分支孔，最大限度揭露奥灰导水通道。

区域探查治理工程以70 m间距控制整个区域，设计1个地面主孔为XD1，而后施工地下分支孔，针对整个探查治理区开展工作，具体共布置40个近水平钻孔，其中，在北区布置17个，南区布置9个，2129工作面布置14个底板超前治理钻孔，钻孔轨迹示意图如图1，钻孔实际完成情况见表2。

图1 钻孔轨迹示意图Fig.1 Boreholes track diagram

表2 钻孔实际完成情况Table 2 List of actual completion of boreholes

3.1.2 钻探发现

在本次钻探施工北区分支孔时，通过N4及其周边钻孔的施工，发现一陷落柱（X8）。其中，由N4钻孔钻进至2 377 m时伽玛测井曲线、岩屑录井和钻时录井的异常情况进行分析，经后期验证，证实了该陷落柱的存在。

1）伽马测井曲线。自N4钻孔钻进至2 349 m时的自然伽玛值陡升至14.6，之后至2 419 m，一直在50左右，最高达到83.63，而奥灰段正常钻进时其伽马测井曲线值在5以下。N4钻孔伽马测井曲线异常如图2。

图2 N4钻孔伽马测井曲线异常Fig.2 Abnormal gamma logging in borehole N4

2）岩屑录井。在N4钻孔钻进至2 370～2 405 m过程中，返出的岩屑中含有大量煤屑，岩屑中取出泥岩碎片，滴酸无反应；而正常奥灰段钻进时的岩屑为灰岩，滴酸后产生气泡，且并无煤屑及泥岩碎片。N4钻孔岩屑录井异常如图3。

图3 N4钻孔岩屑录井异常Fig.3 Abnormal cuttings logging in borehole N4

3）钻时录井。在N4钻孔自钻进至2 370 m时，其钻机钻速逐渐增快，至2 435 m时最高达到0.476 m/min，而奥灰段正常钻进时钻速为0.11～0.15 m/min，钻时录井异常情况见表3。

同时，结合周边各钻孔钻进过程中发现的异常情况及后期注浆过程中压力波动上升的情况，分析推断出该异常可能为陷落柱等不良构造异常体所致，并圈定其椭圆形异常区，长轴约190 m，短轴约70m，其陷落柱比较破碎、本身被充填、外围有裂隙。

表3 钻时录井异常情况Table 3 List of drilling-time logging anomalies

后期由矿方采用瞬变电磁侧向探测、井下槽波探测、地面三维地震资料精细解释、井下常规钻探探查及巷探等多种方法进行近一步验证，最终发现该陷落柱存在并已发育至2#煤层，命名为X8，井下揭露X8陷落柱如图4。

图4 井下揭露X8陷落柱Fig.4 Underground exposed X8 collapse column

3.2 注浆技术

3.2.1 工程施工

本次注浆工程的主要目的是充填奥陶系灰岩顶部溶隙和裂隙，封堵断层等构造薄弱区段，注浆过程中采用合理的注浆工艺保证工程质量。注浆方式采用孔口止浆、高压注浆法。

根据以往资料及经验，本次工程确定奥灰八段底部孔隙、裂隙较为发育，注浆层位选择在奥灰八段下部。本次探查治理工程注浆材料主要为32.5#矿渣硅酸盐水泥，并采用地面注浆站造浆，通过专用输浆管路送至探查治理钻孔，水泥浆液管2趟，管径50.80 mm。采用主要浆液类型为水泥单液浆，水灰比在1∶1～6∶1之间，注浆工艺技术路线如图5。

根据以往注浆经验，本次施工的北区和南区注浆总压按照10 MPa设计，2129工作面注浆总压参考冀中能源集团制定《水害地面区域治理管理规定》为12 MPa设计[6-7]。

图5 注浆工艺技术路线图Fig.5 Grouting technology roadmap

当注浆压力达到结束标准后，进行压水试验，测得单位吸水率q小于0.005 L/（min·m·m），即可认为该段达到注浆结束标准[2,6-8]。

3.2.2 注浆规律

根据本次工程完成的40个近水平孔的压水试验和注浆数据资料，分析注浆量与各相关因素之间的相关关系。

通过分析各参数之间关系，得出相关系数，其中：①注浆段长度与注浆量之间的相关系数为0.082，即注浆段长度与注浆量相关性差；②注浆点距奥灰顶面的距离与注浆量之间的相关系数为-0.074，即注浆点距奥灰顶面距离与注浆量相关性差；③奥灰水位标高与注浆量之间的相关系数为0.219，即奥灰水位标高与注浆量相关性差；④抽水前后奥灰水位差与注浆量之间的相关系数为-0.210，即抽水前后奥灰水位差与注浆量负相关，相关性较差；⑤压水试验测得的平均吸水率与注浆量之间的相关系数为0.043，即平均吸水率与注浆量相关性差，几乎不相关；⑥漏失量与注浆量之间的相关系数为0.148，即漏失量与注浆量相关性较差。

综上所述，各指标与注浆量相关性均表现较差，表明区域注浆条件相关的因素较少，注浆条件较为复杂。

4 工程效果检验

4.1 钻探效果检验

4.1.1 伽马测井分析

对各钻孔伽马测井数据进行整理，绘制出的本次钻探探查区域的伽马测井平面对照图如图6。

结合钻孔钻进过程中的漏失情况，可分析判断陷落柱、断层构造等异常区域的导水情况。其中，在北区钻探时发现的X8陷落柱（不导水），在南区钻探过程中水平分支孔过SF21、SF27-1断层带时，伽马测井数据异常，但未发现明显漏失，说明在没有采掘扰动情况下，该断层不导水；揭露F23断层时，有漏失情况，说明该断层存在导水现象，与后期实际揭露情况相符。

图6 伽马测井平面对照图Fig.6 Gamma logging plane comparison diagram

4.1.2 水位观测

本次钻探探查过程中，自N2钻孔第1次注浆起至T10钻孔最后1次注浆，先后共进行注浆98次，每次均对钻孔进行抽水洗井并观测水位，共测得奥灰水位数据201组，有效地反应出了区域奥灰水位变化情况，抽水试验前后水位变化情况对比图如图7。

图7 抽水试验前后水位变化情况对比图Fig.7 Comparison diagram of water level changes before and after pumping tests

由图7可以看出，一般情况下经过抽水洗井后所观测的奥灰水位有所上升，个别情况下抽水后观测的水位有所下降，说明经过抽水洗井后，奥灰水径流通道被疏通，观测的奥灰水位更接近实际。

自N9钻孔第3次注浆前后，奥灰水位较之前的水位有所上升，且上升趋势明显。考虑该钻孔施工期间有强降雨情况出现，认为奥灰水位上升的原因是大气降水、地表水补给导致的。

T4钻孔最后1次注浆开始，水位有所降低，且波动明显，认为是受2228工作面底板异常出水及后期治理过程影响，该区域奥灰水位有所波动。

4.1.3 水温观测

本次钻探探查过程中，自N2钻孔第1次注浆起至主孔封孔，先后共进行注浆/压水试验102次，在条件允许的情况下对抽出的奥灰水水温进行了观测，共测得奥灰水温数据92组，反应出了平面上奥灰水温梯度，研究区水温等值线图如图8。

图8 研究区水温等值线图Fig.8 Water temperature contour map of the study area

由图8可以看出，区域上奥灰水温为27～34℃，一般情况下水温为30℃，局部区域奥灰水温低，与实际揭露煤层底板奥灰水沟通断层构造的情况相符。

4.2 注浆效果检验

4.2.1 注浆情况

在本次探查治理过程中，遇到漏失情况时，观测漏失量后方可进行注浆，另外，每间隔50～80 m未漏失时，也观测漏失量后进行压水并判断是否形成注浆条件。利用注浆点和压水点取得的漏失数据，绘制的研究区漏失点等值线图如图9。

由图9可以看出，探查治理区域内漏失点分布不均匀，且较大漏失量的漏失点也未连续分布。说明区域内奥灰岩溶裂隙发育不均一。

图9 研究区漏失点等值线图Fig.9 Leakage point contour map of the study area

对各个漏失点和各孔终孔位置均按设计要求进行了注浆和封孔，设计要求终压10 MPa，除N5钻孔注浆采用间歇注浆并封孔的方式外，其余各孔注浆终压不小于10 MPa，符合要求。针对N5钻孔注浆点，专门施工了N4t钻孔进行了检验，漏失量为0.4 m3/h，注浆量83 t，注浆终压10 MPa，说明N5钻孔注浆效果良好。

利用注浆点取得的98个注浆数据，绘制的研究区注浆量差异图如图10。

图10 研究区注浆量差异图Fig.10 The difference diagram of grouting volume in the study area

由图10可知，注浆量较大的点主要分布于本工程探查发现的X8陷落柱外侧，即N5钻孔注浆点和N3钻孔注浆点；另还有S8钻孔终孔注浆位置注浆量较大，即F23断层附近。

4.2.2 单位吸水率

地面注浆治理工程中的注浆施工经过充填、升压和加固3个阶段，已经将导水裂隙空间充填加固完毕，且严格按照注浆结束标准执行，根据注浆泵压、吸水段长度等计算吸水率q，当计算结果不大于0.005 L/（min·m·m）时，才能结束钻孔注浆施工。吸水率计算公式为：

式中：q为吸水率，L/（min·m·m）；Q为压入流量，L/min；p为作用于施工段内的全压力，m；L为试段长度，m。

单次注浆前，进行压水试验，压水时需调整压入流量，直至测到稳定压力，压水时间不小于30 min。根据压水结果，确定是否注浆。注浆时，随着注浆压力的增大，逐渐减小注入泵量，直至泵量为90 L/min且压力≥10 MPa（从T2钻孔开始，注浆结束标准变更为泵量35 L/min且压力≥12 MPa），维持30 min以上。

计算注浆前和注浆后的平均吸水率数据，绘制的研究区探查治理前后单位吸水率等值线图如图11和图12。可以看出，各次注浆结束时单位吸水率均不大于0.005 L/（min·m·m）。

图11 研究区探查治理前后单位吸水率等值线图Fig.11 Contour map of unit water absorption before and after exploration and control in the study area

5结论

1）研究区工作面回采过程中主要受2#煤层底板奥灰岩溶含水层水威胁，主要充水通道为断层构造等，并确定了防治施工在奥陶系灰岩八段中开展。

2）采区内存在隐伏陷落柱，同时发现部分区段奥灰地层破碎、断层发育，存在断层构造导通奥灰水的现象。

图12 研究区探查治理后单位吸水率等值线图Fig.12 Contour map of unit water absorption after exploration and control in the study area

3）通过对研究区内潜在和实际发现的水害问题进行注浆治理工程，经工程完成后的参数检验（注浆终压、单位吸水率、实际回采效果等），解除了探查治理区域的2#煤层底板奥灰水害威胁，从矿井防治水角度确保了安全生产工作。