黄河北煤田顶底板定向注浆关键技术

陈军涛，张 毅，武善元，杨 帆，云 明，刘 磊

（1.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛266590；2.山东能源临沂矿业集团有限责任公司 邱集煤矿，山东 德州251105；3.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京100083）

矿井水害严重威胁人民的生命安全和煤炭的正常开采[1-8]。目前我国矿井水害的防治方法主要有留设安全煤岩柱、降压开采、注浆堵水、充填开采和限制采高等[9-15]。近年来随着矿井突水形势的严峻，国家要求煤矿必须落实防治水的主体责任，推进防治水工作由过程治理向源头预防、局部治理向区域治理、井下治理向井上下结合治理、措施防范向工程治理、治水为主向治保结合的转变[16]。鉴于此，我国部分矿区采用了定向钻孔注浆技术对含水层水害问题进行超前注浆治理[17-20]，积极推进煤矿实现“五个转变”，有效防范和遏制了水害事故。

定向钻孔注浆治理水害问题的关键在于有效探查和切断隐蔽导水通道，将含水层改造成弱含水层或隔水层，以实现煤层的安全开采，如赵庆彪等[17]利用定向水平钻孔技术将煤层底板目标灰岩层全面改造为相对隔水层，从根本上消除了邯邢矿区奥灰灾害性突水通道。郑士田[18]针对淮北煤田受底板含水层水害威胁的矿井，采用定向水平井钻探和注浆探查治理技术改造含水层；安许良[19]，杨腾[20]认为注浆加固是治理煤矿突（涌）水灾害的有效手段，通过注浆封堵岩层涌水通道，驱替岩层地下水，提高围岩抗渗性能，可以有效提高围岩整体性和承载能力。这些研究成果对含水层改造及水害治理起到了积极作用，但是目前国内外学者对隐蔽导水通道的探查和高质量精准注浆等方面缺乏系统的研究，尤其是受顶板灰岩含水层和底板徐灰、奥灰含水层同时影响的黄河北煤田的水害问题研究较少。为此依据临沂矿业集团邱集煤矿的水文地质特征，基于含水层富水性及连通性，提出了超前主动、区域协同、逢漏必注和安全推进的防治水理念，采用定向钻孔技术注浆改造顶底板含水层，实现了含水层岩溶裂隙及隐蔽导水通道的探查和治理，为黄河北煤田类似水害矿井的治理提供了科学的指导作用。

1 研究区概况及水文地质特征

1.1 矿井概况

邱集煤矿位于山东省齐河县境内，是黄河北煤田第1对试验型矿井，可采7、10、11、13煤层。7、10煤层属于二叠系煤层，基本不受水害威胁；11、13煤层属于石炭系煤层，受顶底板灰岩水害威胁严重。目前-395 m水平7、10煤层已基本开采完毕，即将开采-447水平的11、13煤层，其中11煤层厚度约为2 m，13煤层厚度约4.20 m，2个煤层总储量近2亿t。

1.2 水文地质特征

11、13煤层顶板主要含水层为第四系底砾岩、基岩风氧化带、太原组一灰、二灰、三灰、四灰、五灰，底板主要含水层为徐灰和奥灰，矿井主要煤岩层柱状情况如图1。

根据现场抽水试验及钻探分析，底砾岩、风氧化带因富水性弱，对11、13煤层的开采无影响；一、二灰含水层已揭露，均可自然疏干；三灰含水层厚度薄且富水性差，对11、13煤层的开采没有影响。四五灰厚度为7.85～9.65 m，中间夹杂厚度约1.42 m的夹薄层泥岩，可视为1个含水层，岩溶裂隙发育，富水性中等（0.193 7～0.886 5 L/（s·m）），呈现出局部聚集，区域连通的特点[9]，是11、13煤层的直接充水层；底板徐灰厚度约为8.40～9.45 m（上距11煤层约为34.98 m），富水性弱到强（0.012 1～1.182 7L/（s·m）），突水系数＞0.1 MPa/m，是开采11、13煤层的间接充水含水层；奥灰厚度＞700 m（上距11煤层约52 m），岩溶裂隙比较发育，单位涌水量为0.020 4～4.141 L/（s·m），富水性弱到强（0.005 62～4.141 L/（s·m）），突水系数为0.08 MPa/m，存在区域构造破碎带。因此，11、13煤层主要受顶板四灰和五灰、底板徐灰和奥灰含水层的威胁。

1.3 顶底板含水层连通问题分析

2006年，11煤层轨道石门掘进期间发生较大涌水，同时发现奥灰水位下降，四五灰水位上升，水压差达到了3.8 MPa，说明顶板四五灰和底板奥灰含水层之间有垂向补给通道。后期多次放水试验也表明：顶板四五灰与底板徐奥灰之间水力联系密切。因此，需要将顶板四五灰和底板徐灰和奥灰作为联通整体来考虑水害治理方法。

2 黄河北煤田含水层水害治理方法

图1 矿井主要煤岩层柱状图Fig.1 Histogram of main coal strata in the mine

为有效解决黄河北邱集煤矿面临的水害威胁，矿井统筹考虑顶底板含水层及岩性特征后，确定了超前主动、区域协同、逢漏必注和逐步推进的水害防治理念，决定采用定向钻孔技术注浆改造顶底板薄层灰岩，该技术可以精确控制地面定向钻孔的导斜段在灰岩层位中长距离顺层钻进，钻孔轨迹呈线状展布，钻孔利用率和施工效率高，可最大限度地探查煤层与含水层间的隐蔽导水通道并治理目标层位，切断顶底板含水层间的水力联系，增强注浆治理和改造效果，以实现区域协同治理目标，定向钻孔钻探系统如图2。

图2 定向钻孔钻探系统Fig.2 The directional drilling system

针对11、13煤层受顶底板双重灰岩威胁的特殊情况，确立了定向钻孔注浆治水的思路为：在地面适当位置布置井场，钻孔在工作面外侧进入四五灰和徐灰，顺层探查并注浆灰岩含水层裂隙，将含水层改造为弱含水层或隔水层，同时封堵四五灰、徐灰和奥灰彼此之间的隐蔽导水构造，在此基础上对四五灰采区边界含水层进行帷幕注浆，隔绝区域内外四五灰之间的水力联系，为后续11煤层的揭露和安全开采创造条件，四五灰含水层注浆钻孔设计剖面如图3。

图3 钻孔设计轨迹剖面示意图Fig.3 Schematic diagram of drilling design track section

3 定向钻孔注浆治水关键技术

为有效解决11、13煤层开采面临的水害问题，矿井采用定向钻孔注浆技术对顶板四五灰和底板徐灰进行改造，提出了顶底板同注+帷幕注浆、隐蔽导水通道有效探查和高质量精准注浆的治理技术，确保含水层裂隙及隐蔽导水通道的有效探查和封堵，以保障11、13煤层的安全开采，防治水技术路线如图4。

图4 防治水技术路线图Fig.4 Water control technology roadmap

3.1 顶底板同注+帷幕注浆技术

针对11、13煤层同时受顶板四五灰与底板徐奥灰含水层水害影响，且顶底板含水层水位存在垂向补给，隐伏导水构造难以查明的问题，矿井提出了顶底板含水层同时注浆改造含水层，对顶板四五灰进行区域帷幕的治理方法。顶底板同注即定向注浆钻孔共用1个孔位和一造斜段，施工双层多分支顺层钻孔对顶板四五灰和底板徐灰含水层进行改造。在钻孔到达第四系地层中时开始施工造斜段，先使用无磁钻杆施工底板主孔及分支孔，后调节钻杆方位在设计位置施工顶板主孔及分支孔，双重注浆具有钻探工程量小、覆盖治理区域范围广、治理效率高及有效保障煤层快速投产的特点。

此外在11煤层开采首采区边界进行顶板四五灰帷幕，隔绝内外四五灰间的水力联系，最大限度减少工作面开采时的涌水量，双层多分支顺层钻孔布置如图5。

根据《矿山帷幕注浆规程》的要求，注浆帷幕体要达到弱透水层，终止压力应达到静水压力的2～3倍[19]，四五灰实际水压为3.1～4.15 MPa，因此帷幕注浆终止压力不宜小于10 MPa，同时注浆段在达到终压值后，每米注入率不大于1 L/min时继续灌注30 min方可结束注浆。本次采用突水系数法确定帷幕厚度，将突水系数为0.06 MPa/m作为安全标准，确定的帷幕厚度应不小于70 m，边界帷幕注浆情况如图6。

3.2“梅花式”和“上下穿层式”导水通道探查技术

大面积全方位有效探查隐蔽导水通道和高效注浆改造含水层，成为11、13煤层水害治理的关键。根据四五灰水文地质特征可知，四五灰呈现富水不均匀、上下区域重叠的特点。因此，在已有定向钻孔注浆扇状分支孔设计的基础上，提出了“梅花式”和“上下穿层式”的分支钻孔钻进方式，实现了对灰岩含水层裂隙的全覆盖探查，为后期导水通道的高质量封堵提供保障。梅花式注浆钻孔布置如图7，上、下穿层式注浆钻孔布置如图8。目前定向钻孔的分支孔间距为50～60 m，上下起伏高度3～5 m，单孔最多分支孔6个，钻孔轨迹偏差控制在5‰以内，导水通道探查率达到95%以上，成功实现了含水层裂隙和隐蔽区域导水通道的有效探查。

图6 边界帷幕注浆示意图Fig.6 Schematic diagram of curtain grouting at the boundary of mining area

图7 梅花式注浆钻孔布置示意图Fig.7 Schematic diagram of plum blossoms grouting borehole

图8 上、下穿层式注浆钻孔布置示意图Fig.8 Schematic diagram of upper and lower strata pentration grouting borehole

3.3 高质量精准注浆技术

在含水层岩溶裂隙和导水通道有效探查的基础上，精准注浆岩溶裂隙和导水通道显得尤为重要。精准注浆技术是建立在合理布设钻孔位置及方位的基础上，矿井提出了采用等距离定向钻孔注浆技术，最大限度地提高隐蔽导水通道有效探查率，加强治理区域的含水层裂隙注浆，同时利用井上下水文观测钻孔建立完善的水文观测系统，根据含水层水压水位变化速率及时调整注浆压力、注浆材料等参数。等距离分支钻孔布置如图9，井上下水文观测孔平面布置如图10。该技术不仅能够将顶板薄层灰岩改造成弱含水或隔水层，而且实现了注浆浆液扩散的精准控制和有效封堵，节约了防治水成本。

图9 等距离分支钻孔示意图Fig.9 Schematic diagram of equal distance branch drilling

图10 井上下水文观测孔平面布置示意图Fig.10 Schematic diagram of the plane layout of the upper and lower hydrological observation holes

为保证注浆能够全面得注浆封堵灰岩含水层及断层破碎带，分支孔间距不得大于2倍扩散半径，同时综合考虑钻孔高效利用和经济合理性原则，孔间距应大于单孔注浆扩散范围，经过数值分析可知[9]，可将浆液扩散半径设定为40～60 m，在后期注浆的具体实施过程中，根据施工效果对钻孔间距进行及时动态调整。

4 现场应用

截至2018年底，矿井对二水平11煤层首采区一、二块段顶底板含水层共施工19个注浆主孔，95个分支孔，累计完成进尺64 183.74 m，累计注浆量353 880 t，目前已注浆完毕。

4.1 四五灰治理效果

根据水位观测结果得到的四五灰治理区域内外水位变化如图11。治理区域内四五灰水位平均值总体呈下降趋势，与治理前相比水位差达到了126.74 m；位于治理区域外的WS4-6孔和WS1孔，观测水位也出现了小幅度的下降，水位差分别达到38.76 m和30.32 m，治理区域内外水位差明显增大。

图11 四五灰治理区域内外水位变化图Fig.11 Water level change inside and outside the Si&Wu limestone treatment area

各孔组达到注浆结束标准后对四五灰进行音频电透视和瞬变电磁探查，发现四五灰含水层的富水异常区基本消失，四五灰富水渗透系数降为0.010 4 m/d，注浆区域的钻孔涌水量明显减少，水文观测孔涌水量由注浆前60～270 m3/h降到6 m3/h以下，表明顶板四五灰含水层采用定向钻孔和帷幕注浆治理水害技术后，明显改变了原始含水层的富水性，有效封堵了四五灰岩溶裂隙和导水通道，治理效果较好。

4.2 徐灰治理效果

根据水位观测结果得到的徐灰治理区域内外水位变化如图12。治理区域内徐灰水位平均值总体呈现出下降趋势，与治理前相比水位差达到27 m；位于治理区域外的WX4孔和注7孔，观测水位也出现了小幅度的下降，治理区域内徐灰水位总体下降大于治理区域外徐灰水位，表明地面注浆改造加固徐灰含水层达到了治理工程目的。

图12 徐灰治理区域内外水位变化图Fig.12 Water level change inside and outside the treatment area of Xu limestone layer

各孔组达到注浆结束标准后对徐灰进行音频电透视和瞬变电磁探查，发现徐灰含水层的富水异常区基本消失，徐灰富水渗透系数降为0.010 4 m/d，注浆区域的钻孔涌水量明显减少，水文观测孔涌水量由注浆前50～240 m3/h降到8 m3/h以下，表明底板徐灰含水层采用采用定向钻孔注浆后，明显改变了原始含水层的富水性，有效封堵了徐灰岩溶裂隙和导水通道，治理效果较好。

4.3 治理评价

矿井通过地面定向钻孔注浆改造11煤层首采区域，采用顶底板同注+帷幕注浆技术、“梅花式”和“上下穿层式”导水通道探查技术和高质量精准注浆技术对四五灰及徐灰板含水层进行了有效治理和改造，最大限度的探查含水层岩溶裂隙和隐蔽导水通道，采用井上、下水文观测孔水压实时监控实现了高质量精准注浆，切断顶底板四五灰、徐灰和奥灰之间的水力联系，大大减少了四五灰和徐灰含水层的涌水量，成功揭露了11煤层，为安全高效开采煤炭资源提供了安全保障。灰岩和水泥结石体如图13。

图13 灰岩和水泥结石体Fig.13 Limestone fissures and cement stone

5结语

1）根据黄河北煤田水文地质特征及实际水害问题，提出了超前主动、区域协同、逢漏必注和安全推进的矿井防治水理念。

2）通过对11、13煤层顶底板水害问题分析，提出了顶底板同注+帷幕注浆技术以改造四五灰含水层，“梅花式”与“上下穿层式”的钻探技术以有效探查灰岩岩溶裂隙和隐蔽导水通道，等距离定向钻孔注浆和井上下水文观测钻孔实时观测技术以确保高质量精准注浆等，保障了下组煤的安全开采。

3）首采区11煤层顶底板含水层注浆治理结束后，治理区域内外水位差明显增大，四五灰和徐灰含水层渗透系数降为0.010 4 m/d，涌水量分别由注浆前的60～270 m3/h和50～240 m3/h降到6 m3/h和8 m3/h以下，实现了11煤层的成功揭露。

4）黄河北顶底板定向注浆关键技术，成功实现了顶底板含水层裂隙的有效探查和全方位封堵，为成功解放下组煤提供了安全保障，也为我国黄河北煤田类似矿井水害问题的治理提供了科学的指导作用。