区域探查治理效果评价研究

程召禄

（中国煤炭地质总局 水文地质局，河北 邯郸 056004）

0 引 言

随着煤矿开采深度不断增加，在华北煤田区，因断层、陷落柱、封闭不良钻孔、裂隙等导水通道的存在，造成大量涌、突水事件，而且对岩溶水资源造成了严重的破坏。以邯邢矿区为例，根据数据统计，该区3 大矿业集团日最高排水量超50 万t，矿井排水利用率仅50%，大量的地下水资源被浪费，在给企业带来排水负担的同时，面临着高额的地下水资源税和环保压力。由于煤矿开采历史悠久，很多矿井存在大量出水点无法封堵的现象，这些出水点或位于现采煤层上部，或位于封闭采区，井下已无法实施封堵治理，即使具备治理条件，仍然存在治理难度大和高风险安全隐患的现象。目前，煤矿地面区域治理技术成熟，已被广泛应用于“双高”条件下开采煤层超前探查和治理中，随着煤炭行业不断引进、推广和应用石油行业定向钻探施工技术，探索利用地面定向钻孔施工技术对井下突水点和导水通道进行靶向封堵，在保护岩溶水资源等方面具有重要的现实意义。

1 地质与水文地质条件

1.1 地质条件

新集二矿位于淮南复向斜的谢桥向斜南翼，主体构造线方向近东西向。在印支期南北向应力挤压下，将外来的元古代片麻岩系、寒武系以及少量的二叠系、石炭系、奥陶系地层推覆于原地系统之上，形成了以阜凤逆冲断层为主推覆面的后展式逆冲推覆构造格架。近东西向的阜凤逆冲断层（下夹片断层） 控制了矿井南边界，井田中部近东西向的F10 断层将井田分为南、北两个区域，控制了井田的构造格局。矿井推覆构造如图1 所示。

图1 矿井推覆构造示意Fig.1 Mine nappe structure

1 煤组平均厚度7.85 m，结构为3.04（1.04）3.77。其中，1 煤厚度1.19～5.28 m，平均3.77 m，煤层厚度除西部边缘及夹片断层附近外，其余变化较小，结构较简单；1上煤厚0～4.43 m（0001 孔、0201 孔及井田边界附近尖灭），平均3.04 m，煤层厚度变化较大，煤层整体结构较简单，局部含有一层泥岩夹矸，局部受构造影响，煤（岩） 层产状变化较大。

2201 治理区内地层总体为倾向NNE 单斜构造，倾向N15°W～N20°E，倾角在1°～12°，平均6°，局部倾角可能出现变化。治理区南部距阜凤下夹片断层较近，受断层影响，地层倾角变化大，次一级褶皱构造、中小断层及小褶曲较发育。

1.2 水文地质条件

井田范围含水层自上而下分别为新生界松散含水层、推覆体片麻岩裂隙含水层、推覆体寒武系灰岩岩溶裂隙含水层、推覆体夹片含水层、原地二叠系1 煤组顶板砂岩裂隙含水层及1 煤底板太原组灰岩岩溶裂隙含水层、奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。其中奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层、1 煤底板太原组灰岩岩溶裂隙含水层是矿井1 煤开采的主要水害威胁，此次治理的目的层即是太原组C312灰岩溶裂隙含水层。

1.2.1 太原组灰岩水

石炭系太原组灰岩岩溶裂隙含水层，具有高水压、弱富水、低存储、少补给、低渗透等特点。采区范围内，揭露1 煤底板太原组灰岩钻孔16 个，所取岩芯裂隙较为发育，大多被方解石充填，未见溶隙。

根据采区内部及周边钻孔抽水试验结果，断层南北水位差异较大。断层以北C31～4水位标高为-34.28—2.74 m，南部-180.16—213.52 m，渗透系数0.001 12～0.053 8 m/d，单位涌水量0.000 168～0.009 L/s·m；C35～10 水位为-68.4 m，渗透系数0.000 195 m/d，单位涌水量0.000 08 L/s.m；C310～12 水位稳定在-43.87 m，渗透系数0.001 51 m/d，单位涌水量0.000 297 L/s·m。以往抽水试验结果反映出钻孔附近处灰岩富水性弱，相对来说，第一段富水性与渗透性与第三段相当，高于第二层段。

1.2.2 奥陶系灰岩水

奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层，岩性以白云岩及白云质灰岩为主，裂隙多被方解石充填，偶见蜂窝状溶蚀孔，未见大的溶洞。单位涌水量0.000 37～0.722 L/s·m，富水性弱～中等；水位标高-45.19—-59.67 m；水质类型为Cl-Na 型，矿化度1.67～5.03 g/L，呈碱性。奥陶系灰岩水正常情况下不会威胁矿井1 煤组开采，但遇垂向隐伏构造可导致异常突水，因此奥陶系灰岩水是1 煤组开采的主要防范对象。

采区范围3 个钻孔揭露，发生漏水现象，漏失量均大于10 m3/h。根据采区及周边2 个奥灰抽水孔情况，稳定水位标高-67.37—-55.75 m，单位涌水 量q=0.000 37 ～0.009 72 L/s·m，渗 透 系 数K=0.000 039 6～0.006 75 m/d。富水性弱，但高于太原组灰岩水。

2 探查治理技术方案及完成情况

2.1 技术方案

采用地面长距离多分支定向钻进技术对煤系地层基底隔水层超前探查垂向导（含） 水构造，并利用渗透注浆对构造及通道加固封堵，进行区域治理，形成防隔水帷幕，确保矿井生产安全。

2201 治理区设计1 个地面主孔、1 个造斜段及9 个顺层水平分支孔，实现对2201 治理区域全覆盖探查治理，钻孔轨迹沿太原组（C312） 灰岩顺层钻进，与主构造呈大角度斜交，分支钻孔平行间距60 m。2201 采区220106 工作面完成工程量平面如图2 所示。

图2 2201 采区220106 工作面完成工程量平面示意Fig.2 Completed quantities plane of 220106 working face in 2201 mining area

（1） 钻孔方位。钻孔轨迹的方位包括主孔方位与分支孔方位，主孔方位的选择要保证其他分支孔能够实现，并且覆盖目标区域，一方面，主孔方位要保证分支孔偏出主孔施工，另一方面，钻孔轨迹应尽可能与裂隙优势发育方位斜交，兼顾对周边富水区域的探测。

（2） 钻孔间距。钻孔以区域治理为重点，根据矿井工作面底板注浆扩散半径试验实测数据（底板灰岩注浆扩散半径为35 m） 及相关规范经验数据，以60 m 作为基本间距，在构造发育区、富水地地带可适当加密。

（3） 靶点设计。要求钻孔进入着陆点后，通过随钻测井手段，保证沿目标层位12 灰钻进，直至出靶。

3 探查治理效果评价

2201 采区已完成S1 孔直井、造斜段及S1-1～S1-5 号共5 个顺层定向分支钻孔，合计完成工程量7 126.69 m，完成了18 次压水试验，对5 个分支进行了钻孔注浆，共注入水泥量1 303.942 t。已完成对220106 工作面底板灰岩的探查治理任务，目的层顺层率除S1-2 分支外均达到100%，S1-2分支因钻遇构造，顺层率为99%。各分支孔钻孔轨迹全部达到设计要求。根据相邻分支孔岩屑录井情况以及水泥位置判定，确定39 m 为本次探查治理工程最小注浆扩散半径，分支孔能够完全交叉覆盖。分支孔间距设定合理，工作面目的层稳定，构造简单。

3.1 探查治理效果判定及分析

（1） 超前分析研究及物探验证。研究井田构造发育规律，对三维地震资料、地质勘探资料进行仔细分析，确定构造位置。根据矿井井下揭露构造情况分析小构造、隐伏陷落柱的影响因素，如煤层厚度、地层倾角、与主体构造伴生关系、钻孔涌水量、地层岩性等，采用层次分析、神经网络分析等数学方法，确定可能存在构造或陷落柱的位置。区域治理完成后利用物探进行二次验证，未发现异常区域。

（2） 钻进阶段高精度观测钻探冲洗液漏失量监测进行异常判定。钻探冲洗液漏失量是判断构造的重要参数，判断漏失是非常关键的环节。钻探施工中要对钻探冲洗液消耗量进行实时高精度监测，在5 个分支孔施工钻进时，未突然出现掉钻、漏失现象。各分支孔相对最大漏失点的位置关系如图3所示。

图3 各分支孔相对最大漏失点位置关系Fig.3 Relative position relationship of the maximum leakage point of each branch hole

（3） 岩屑录井标注水泥位置，验证孔间距。

各分支揭露12 灰岩屑颜色灰色、灰黑色，隐晶质结构，遇酸剧烈起泡，局部含有少量泥质，铝土泥岩（表1）。仅在S1-2 分支1 719 m 处揭露落差小于5 m 断层，其余分支岩屑录井反应目的层完整，地层较稳定。

表1 岩屑分析Table 1 Cuttings analysis

（4） 泥浆消耗量判定。本次施工5 个分支孔泥浆消耗量均不大，没有异常消耗点。

（5） 泥浆温度判定。

泥浆温度受压水试验、上下钻具，循环泥浆等因素影响，进出口温度最大差4.3～8.5℃，从5 个分支孔泥浆温度录井资料表明，正常钻进过程中泥浆进口温度与出口温度差均在1.5～2℃，未发现地下水径向补给。

3.2 治理效果验证

（1） 压水验证。注浆结束后均进行了清水高压压水验证，压水验证透水率均小于0.006 8l u，说明经过治理后，目标层可作为良好隔水层利用

（2） 水位观测验证。通过注浆期间影响的水文孔水0101 水位分析，注浆后与注浆前相比，水位上涨了约68 m。随着该治理区域注浆，该孔的水位明显上涨，有逐渐向二组灰岩水位靠近的趋势，由此分析原观测层位11 灰、12 灰裂隙已经被封堵，注浆取得了良好的效果。S1-2 分支注浆后水0101 观测孔水位变化如图4 所示。

图4 S1- 2 分支注浆后水0101 观测孔水位变化Fig.4 Changes in water level of observation hole 0101 after grouting in S1-2 branch

4 结 论

（1） 通过相邻分支孔岩屑录井情况以及水泥位置判定，确定39 m 为此次探查治理工程最小注浆扩散半径，分支孔能够完全交叉覆盖。分支孔间距设定合理，工作面目的层稳定，构造简单。

（2） 根据钻时录井、岩屑录井、泥浆消耗量、泥浆温度，及压水试验验证等情况分析，本次钻遇目的层岩层较完整，裂隙不发育，未钻遇隐伏垂向（含） 导水通道。

（3） 通过泥浆消耗量、压水验证、观测孔验证等方面验证了此次注浆治理效果良好，目标层可作为良好隔水层利用。

（4） 根据后期物探验证结果，该区域经注浆治理后，原有裂隙已大部分封堵，效果良好，能够确保生产安全。