薄层灰岩区域治理技术研究与实践

李莹

（冀中能源峰峰集团有限公司 辛安矿，河北 邯郸056200）

1 矿井概况

辛安矿隶属冀中能源峰峰集团有限公司，原名黄沙矿，由黄沙区和辛安区组成。2013年因矿井资源接近枯竭经政府批准破产重组，更名为冀中能源峰峰集团有限公司辛安矿。重组后井田范围保持不变，矿区面积15.280 7 km2；批准开采煤层为2、6、7、8、9号煤层，开采方式为地下开采，开采煤层标高+230—-950 m。目前，矿井主采煤层为2号煤，2014年矿井核定生产能力为150万t/a。矿井地质类型、水文地质类型均为复杂型，矿井涌水量在30～34 m3/min，属大水矿井，防治水工作难度较大。

2 11216采区概况

11216采区地面为磁县岳城镇漳村村庄，工作面南部为岳城水库水淹区，从峰公路从该区北部穿过，地面海拔高程+140～+210 m，区内煤岩层呈单斜构造，赋存稳定。大煤海拔高程-505～-660 m，平均厚度4.2 m，可采储量约250万t。

采区处在F38正断层（落差180 m）下盘，东西宽330 m，南北长1 200 m。区内只有3个地面地质勘探孔。因村庄等影响未进行过地面三维地震、电法等物探工作，区内地质、水文地质资料稀少。

据南侧申家庄煤矿、北侧212采区采掘情况推测，216采区内可能发育有隐伏的陷落柱、断层和裂隙等导水构造。

3 选取奥陶系灰岩为目的层存在的问题

以奥灰顶部为治理目的层的区域治理工程适用于奥灰顶部风化壳充填带充填效果较好及岩溶发育程度较低的矿井，该类型矿井奥灰顶部多被黏土填充，在奥灰顶部七段或者八段厚度及进入奥灰含水层见水深度差异较大，富水性不均或富水性弱。

辛安矿奥灰位于地下水强径流带，富水性极强，矿井2010和2011年连续两年发生奥灰突水事故，最大突水量400 m3/min，另外，辛安矿地质类型为极复杂型，构造发育且新区控制程度低，选择奥灰顶部作为治理目的层不仅构造无法判别，且注浆量大无法达到治理的效果，因此选择奥灰顶部作为区域治理目的层不符合矿井实际情况。

4 11216采区区域治理技术方案设计

辛安矿综合分析认为，选择大青灰岩为治理目的层同样可以使工作面开采突水系数小于0.1 MPa/m，达到相关规定要求，实现无水害安全开采。研究决定，11216采区地面区域治理工程中试验性选择大青灰岩为治理目的层进行区域治理工作。

4.1 设计思路

在地面施工定向水平钻孔，以大青灰岩含水层为目的层，进行区域水文地质条件探查与全面预注浆加固治理，完成查明水文地质条件，封堵奥灰水导水通道的基本任务，为井下探巷安全掘进奠定良好基础后，在巷道掘进中进行物探和施工少量的检查钻孔，验证大煤底板含隔水层注浆改造效果。

4.2 工程设计

4.2.1 目的层的选择

注浆加固治理目的层选择大青灰岩含水层（位于大煤底板以下120 m位置）。选择依据为，①注浆改造后，区内大煤底板隔水层完整性和阻水能力可全面提高，满足突水系数小于0.1 MPa/m要求。②辛安井田奥灰含水层富水性极强，岩溶裂隙发育，预计注浆量大，费用很高。③大青含水层为溶隙裂隙含水层，富水性弱—中等，既有利于注浆改造，注浆量又不会太大，成本较低。

4.2.2 钻孔设计

设计主孔1个，编号注1，定向分支孔10个，按水平间距40 m，南北向平行布置，自西向东依次编号为注1-1、注1-2、注1-3、注1-4、注1-5、注1-6、注1-7、注1-8、注1-9、注1-10。对覆盖范围内2号煤层底板大青含水层进行全面改造加固。

因所有钻孔与区内主节理发育方向平行布置，为防止漏探中小型隐伏导水断层（裂隙），在注1-4孔内，每隔200 m沿近主节理倾向，仍在大青灰岩内顺层施工次级定向分支孔5个，编号分别为注1-4-1、注1-4-2、注1-4-3、注1-4-4、注1-4-5。

4.2.3 钻孔结构设计

主孔结构。①一开孔径为311 mm，下入φ244.5×8.94 mm孔口管530 m（根据造斜段曲率半径300 m考虑），并固结牢固。②二开孔径216 mm，开孔段在500～550 m，采取定向钻井，钻至大青灰岩，全孔段下入φ178×8.05 mm无头管，并固结牢固，各孔造斜段长度在440～650 m。③开孔径152.4 mm，裸孔，全部在大青灰岩层内顺层钻进，直至终孔位置，钻孔结构示意如图1所示。

图1 钻孔结构示意Fig.1 Drilling structure

5 工程取得的技术成果

根据已经施工完成的各钻孔及巷道揭露资料综合分析认为，区内水文地质条件清楚，无陷落柱、导水构造。各钻孔均沿大青灰岩层位施工，均匀布孔，孔间距40～60 m，覆盖216全区采煤范围，施工过程中只1-2、1-9孔出现漏失，分析为局部裂隙发育，大青灰岩整体水文地质条件简单、不富水。216采区内发现断层4条，其中，只有F53断层南段截断F54断层纵向下由大煤层位穿过大青石灰岩层深切到了奥灰含水层，落差变大，该断层位于112164里工作面500 m范围内正下方。

F53断层为压扭性走向正断层，该断层自2号煤层位向下到大青层位延伸过程中，断层位置由112164里工作面运料巷西侧逐渐发育至运煤巷东侧，断层全部处于工作面里段正下方，对工作面里段底板连续性破坏明显。经注1-5、注1-7-1孔施工情况综合分析，断层应不垂向导水。

根据注1-11-2孔钻探成果资料分析，奥陶系灰岩含水层顶面与大青灰岩含水层底板层间距为25 m，大青灰岩层厚5～6 m，大青灰岩含水层顶面与2号煤底板层间距120 m以上，因此，奥陶系灰岩含水层与2号煤间正常层间距在150 m以上，隔水层厚度稳定。

根据钻孔情况分析，该含水层平面连续性好，沉积稳定。井下施工的效果检验孔均穿过大青灰岩。据井下钻孔揭露，该含水层单孔涌水量0～6 m3/h，大部分小于2 m3/h，水温21.9℃～23.5℃，水位为-493～-105 m，大青灰岩含水层整体富水性弱，仅局部裂隙发育，水力连通性较差。经过地面区域治理工程，该层已由含水层变为隔水层。

地面区域治理钻孔，在注浆加固改造大青灰岩期间，其隔水层底板在高达19～23 MPa压力情况下，巷道未发现漏浆，证明隔水层阻隔水性能良好。地面钻孔注浆全过程，与巷道间最小岩柱95 m，未在井下巷道、采空区以及巷道揭露的断层带内发现有水泥浆液的痕迹，且之后施工的区域治理效果检验孔，揭露大青含水层时，发现了地面钻孔注浆时压入地层的循环液，水呈红褐色，但揭露山伏青灰岩含水层时，其水质无变化，进一步表明，现条件下，区内底板隔水层阻隔水性能良好。地面钻孔钻进过程中，揭露野青、山伏青灰岩含水层时，与巷道间岩柱最小分别为42 m、92 m，承受的压力分别为9 MPa、10 MPa，巷道内均未发现跑浆，这也说明底板隔水层阻隔水性能良好。

6 技术、安全及经济效益

6.1 技术效益

选择以薄层灰岩为治理目的层的技术创新为区域治理工程在治理煤矿底板水害提供了新的解决途径，该技术创新具有实施简便，试用范围广、判层及治疗效果显著的优点，具有极大的推广意义。

6.2 安全效益

选择以薄层灰岩为治理目的层能够有效判别薄层灰岩层位的隐伏构造，同时对含水层进行注浆改造，对隔水层进行注浆加固，能够有效地防治底板水害的发生，解放待采的煤层，保证安全生产。

6.3 经济效益

经过以薄层灰岩为治理目的层的区域治理工程，能够有效地防治底板水害，保证煤层开采安全，解放了整个11216采区的2号煤层，解放煤量250万t。

7 经验总结

通过11216采区地面区域治理工程的实施，对于以薄层灰岩为治理目的层的区域治理工程，辛安矿积累了大量经验。

（1）大青灰岩平面连续性好，沉积稳定，厚度约6 m。

（2）大青灰岩作为治理目的层层厚较小，断层、隐伏构造易于控制，浆液扩散容易控制。

（3）大青灰岩含水层整体富水性弱，仅局部裂隙发育，水力连通性较差，经过地面区域治理工程，该层可以由含水层变为隔水层。

（4）大青含水层为溶隙裂隙含水层，富水性弱-中等，既有利于注浆改造，注浆量又不会太大，成本较低。

（5）地面区域治理钻孔，在注浆加固改造大青灰岩期间，其隔水层底板在高达19～23 MPa压力情况下，巷道未发现漏浆，证明隔水层阻隔水性能良好。

（6）井下施工的区域治理效果检验孔，揭露大青含水层时，发现了地面钻孔注浆时压入地层的水泥及循环液（水呈红褐色），证明大青灰岩内浆液扩散效果好。

（7）地面定向水平钻孔孔间距取30～60 m较为合适，水泥浆在大青灰岩含水层内扩散范围基本与层间距设置相符。

（8）地面水平定向钻进技术以太原组薄层灰岩含水层为目的层进行地质、水文地质条件探查和治理具有可行性，效果良好，可在水文地质条件与辛安矿相似的矿区进行实践应用。

8 结 论

（1）选取薄层灰岩作为治理目的层的区域治理技术基本查明了区域内隐伏含（导）水构造，将薄层灰岩注浆改造成相对隔水层，增加了煤层底板隔水层厚度及完整性，为防止煤层底板突水探索出了一条新的技术途径。

（2）钻探过程中探明一条隐伏断层，并对发现的消除浆液漏失点进行了注浆治理，提前消除了底板出水隐患，达到了超前治理及“治本”的目的。

（3）经过辛安矿11216采区的实践应用，证明该技术设计简单、实施简便、适用范围广泛、效果良好，所总结出来的各项技术参数、经验等，对于奥灰富水和地质、水文地质条件复杂与辛安矿相似的矿井实施地面区域治理提供了很好的参考借鉴。