注浆改造顶- 底板灰岩含水层技术应用实践研究

贺敬平， 周景凯， 刘培跃

(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)

1 前言

据统计，2001—2015年，我国共发生煤矿水害事故1 162起，占煤矿事故的3.3%。近年，浅部煤炭资源逐渐枯竭，国内许多矿井转入深部或下组煤的开采。深部开采面临着水文地质更复杂[1-7]。

华北地区石炭- 二叠系煤层在世界晚古生代煤田中矿井水文地质条件最为复杂，均受岩溶水威胁，防治水难度大[8]。华北型煤田部分矿区赋存薄层灰岩含水层，奥灰与徐灰的间距小或存在变薄带、构造破碎带、导水裂隙带，致使二者之间水力联系密切，并且部分井田内孤立水流和优势流同时并存[9-11]。多因素综合影响造成了华北型煤田水害防治和安全开采成为世界性的难题。

国内底板灰岩承压水治理方法主要有井下斜孔探查和治理，井下定向钻进技术超前探测和注浆，但此法不足在于井下空间受限，施工工程量大，安全系数相对低。地面水平钻治理底板薄层灰岩技术[12-15]，是目前工作面底板注浆改造中的新技术，该技术解决了受底板薄层灰岩水威胁的矿层开采，但对于受顶、底板双重灰岩含水层水害威胁的矿层，并未给出最佳方案。

华北型煤田山东黄河北煤田的11煤，顶板受四五灰水威胁，底板受徐灰、奥灰承压水威胁，且顶底板含水层水力联系密切，是典型的受顶、底板双重灰岩含水层水害威胁的煤层。由于顶板水与奥灰有水力联系，难以疏干，疏排水费用高、浪费地下水资源且经济上不合理，造成资源呆滞。鉴于此，在分析治理方法的基础上，提出了双层多分支顺层钻孔注浆方法，实现了对顶底板灰岩含水层的治理。

2 双层多分支顺层钻孔注浆方法

2.1 方法

该方法是一种双层多分支顺层钻孔对顶底板灰岩含水层进行注浆改造的技术，通过对目标含水层探查和治理，实现煤层的安全开采。该方法利用同一个钻孔，采用地面定向钻探技术[16-17]对顶底板灰岩含水层进行探查，采用高压注浆方式将顶板改造成弱含水或不含水岩层、底板改造成隔水层。该方法可分为钻探和注浆两个方面，也可分为顶板治理和底板治理部分，工艺流程如图1所示。

图1 施工工艺流程图

2.2 双层多分支顺层钻孔

双层多分支顺层钻孔设计，包括层位选择、钻孔结构、施工工艺等部分。

2.2.1 钻探设计

综合考虑治理层位、煤层展布规律、地质构造、钻探施工效能等因素，本着钻孔布置合理的原则，依据规范设计定向水平钻孔，平面示意图如图2所示。扇形钻孔呈“线网状”揭露岩层含水溶隙、裂隙等导水通道。钻孔顺被加固岩层钻进，沿钻孔轨迹分段揭露灰岩裂隙。

图2 定向水平钻孔平面布置示意

2.2.2 钻孔结构

(1)开直孔段，0～300 m，孔径φ311 mm，下入φ244.5 mm×8.94 mm孔口管，至基岩层段，隔离第四系、新近系表土地层。

(2)开定向导斜段，进入设计岩层，300～550 m，孔径φ216 mm，下入φ177.8 mm×8.05 mm套管。

(3)开定向顺层段，顺层钻进200～800 m。各分支钻孔均在目的层位内定向钻进，孔径φ152 mm。钻孔结构如图3所示。

图3 钻孔设计剖面示意图

2.2.3 施工工艺

1)钻孔立孔段

钻孔造斜：当钻孔到达第四系地层中时施工造斜段，当造斜段进入基岩10～15 m后下一级套管，并固管。

2)施工底板钻孔

(1)施工底板主孔：施工出造斜段后，通过无磁钻具施工底板主孔，施工至坚硬岩层下二级套管。

先施工底板主孔进入底板灰岩，进入底板灰岩含水层后，沿含水层顺层向前施工若干米，对钻孔内的漏失段采用高压注入注浆材料的方式进行改造，直至设计孔深，使底板形成隔水层。

(2)施工底板分支孔：在底板主孔孔道的设计位置，调整方位施工新的底板分支孔，对钻孔内的漏失段采用高压注入注浆材料的方式进行改造，直至设计孔深，将底板含水层中的水挤出。

3)施工顶板钻孔

(1)施工顶板主孔：底板分支孔施工完成后，在造斜段通过无磁钻杆调节方位在设计位置进行顶板主孔的施工，施工进入顶板灰岩含水层后，沿顶板灰岩含水层顺层继续向前施工若干米，沿顶板灰岩含水层顺层向前施工过程中，对钻孔内的漏失段采用高压注入注浆材料的方式进行改造直至设计孔深，使顶板形成隔水层或弱含水层。

(2)施工顶板分支孔：顶板主孔施工完成后，在顶板主孔的孔道设计位置通过调节无磁钻杆的弯度调整方位侧出新的顶板分支孔。

2.3 双层多分支顺层钻孔注浆

在浆液流动过程中，浆液压力会导致岩体产生变形，而岩体的变形又会影响浆液扩散距离以及最终的注浆封堵效果。采用COMSOL Multiphysics进行数值模拟，研究煤层底板灰岩顺层注浆参数及浆液有效扩散半径。

2.3.1 采用COMSOL Multiphysics进行注浆终压与浆液扩展范围的模拟

1)数值计算模型

根据地质、水文地质条件，建立数值概化模型，模拟不同注浆压力下浆液扩散范围，设计垂向剖面上的数值计算模型，具体如图4所示。

图4 注浆模型及网格划分示意图

根据地质、水文地质条件，建立数值概化模型，模拟不同注浆压力下浆液扩散范围，模型尺寸300 m×150 m，注浆孔φ152 mm。参考区域地应力实测结果和模拟埋深，模型上边界10 MPa荷载，左边界9 MPa荷载，模型上下为隔水边界，注浆孔定义为恒水压边界并考虑岩体自重。根据目标含水层水文地质特征，模拟4 MPa、8 MPa、10 MPa和12 MPa下裂隙浆液的扩散过程，结果如图5所示，相关参数见表1。

图5 不同注浆压力下浆液扩散范围

表1 相关材料参数

2)计算结果及分析

对于二维数值模型，不同注浆压力下，浆液的扩散规律，黑线为浆液2 mm/s流速等值线图，取2 mm/s流速等值线与注浆孔的距离为浆液扩散半径。

模拟结果表明，当注浆压力为4 MPa时，主要充填含水层的天然裂隙，注浆段局部向灰岩顶板扩散，浆液扩散半径约13 m。

当注浆压力升至8 MPa时，浆液扩散范围逐渐增大，软弱结构面开始扩张，浆液扩散半径约35 m。

当注浆压力升至10 MPa时，含水层被进一步加固，浆液扩散半径约40 m。

当注浆压力升至12 MPa时，原生已被封堵，含水层被较好地加固，浆液扩散半径约60 m。

研究表明，注浆压力为静水压力的2.0～2.5倍时，原生裂隙及压裂形成的裂缝被浆液填充密实，扩散半径为40～60 m。随注浆压力的增加，裂隙充填得密实程度增加，但浆液扩散半径增长幅度较小。因此，最终注浆压力设为静水压力的2.0～2.5倍。分支孔间距应小于2倍扩散半径，综合考虑钻孔高效利用和经济合理性，孔间距设计为60～80 m。

2.3.2 注浆终压注浆量标准

当试验段位于地下水位以下，透水率在10Lu以下，渗透系数为

式中：K——地层渗透系数，m/d；

Q——压水流量，m3/d；

H——试验压力，以水头表示，m；

L——试验段长度，m；

r——钻孔半径，m。

3 工程案例

3.1 矿井水文地质特征

邱集煤矿位于德州市齐河县，是黄河北煤田第一对试验型矿井。矿井采用立井开拓，中央并列式通风，可采煤层为7、10、11、13煤层。下组煤(11、13煤层)总储量近2亿t，占矿井资源量的87%。

井田内的含水层自上而下主要是太原组一灰、二灰、三灰、四五灰、徐灰和奥陶系灰岩。其中一灰、二灰、三灰已基本疏干，对11、13煤层的开采没有影响。四五灰为11煤直接充水含水层，徐灰为间接充水含水层，奥灰是四五灰、徐灰的直接充水含水层。经多次放水试验查明四五灰、徐灰与徐奥灰之间存在广区域、多点式的垂向补给通道，水力联系密切，因此11、13煤层同时受顶板四五灰、底板徐灰和奥灰含水层的威胁，水文地质条件为复杂型，具体柱状如图6所示。

图6 矿井主要煤岩层柱状图

3.2 11、13煤开采水害危险性分析

(1)四五灰含水层。四五灰为11煤层的直接顶板，岩溶裂隙发育，钻孔最大涌水量为300 m3/h；四五灰间夹薄层泥岩，厚度约1.42 m，故可视四五灰为一个含水层。根据瞬变电磁探查结果(图7)，可知顶板富水性呈现局部聚集，区域连通的特点。四五灰含水层对11、13煤层的开采威胁较大，采前必须对四五灰含水层进行治理。

(2)徐灰含水层。上距11煤层30.62～39.14 m，平均35.40 m，与奥灰相距5.67～17.99 m，平均11.74 m，是开采11、13煤层的间接充水含水层，岩溶裂隙发育，钻孔最大涌水量200 m3/h。-447 m水平首采区徐灰突水系数为0.11～0.15，对11、13煤层开采有较大影响。由图8可知，徐灰富水性强，部分富水区与顶板四五灰重合，可能水力联系密切。

图8 徐灰富水状态分布

(3)奥灰含水层。具有多段多层的岩溶含水层，且各段各层的富水性并不一致[18]，-447 m水平奥灰突水系数为0.06～0.12，部分区域对煤层开采影响较大。探查结果可知(图9)，奥灰含水层水量比较丰富。

图9 奥灰富水状态分布(顶板下10 m)

通过上述分析，结合主要含水层水文地质参数，见表2，可知11、13煤层是一种典型的同时受顶板四五灰、底板徐灰和奥灰含水层威胁的下组煤。

表2 主要含水层水文地质参数

3.3 顶- 底板灰岩含水层方法

1)钻探工程

结合矿井水文地质特征和岩层赋存条件，注浆改造的目标层位为顶板四五灰、底板徐灰。顶板四五灰改造成弱含水或不含水岩层，底板徐灰改造成隔水层。

钻孔单元由一个主孔和2～6个呈“扇形”交错排列的近水平顺层分支孔组成。每个钻孔需要在孔深约340～550 m处进入底板徐灰或者顶板四五灰地层，顺目标层位在灰岩内近水平钻进200～800 m。顶底板钻孔设计平面如图10所示。

图10 顶底板钻孔设计平面图

钻探施工采用定向水平钻孔技术，主要技术包括无线随钻定向钻进技术、柔性钻杆水平孔钻进技术、特殊泥浆冲洗液循环技术等[19]，设备构成如图11所示。

图11 定向钻探无线仪器设备构成

2)注浆过程

注浆采用分段下行式注浆法。目标地层是徐灰和四五灰岩层，钻探中若有涌水情况，需进行注浆；水平段以漏失量、分段注浆为标准，并根据注浆情况采用连续与间歇相结合。

注浆压力直接影响到浆液的扩散距离与有效的充填范围。综合实践经验和理论计算两项成果，确定治理目的层主要参数[20-21]，治理参数见表3。

表3 目的含水层治理参数

3.4 治理效果

截至2019年，11煤层首采区首个治理区域治理区域内共施工了19个主孔和95个分支孔，累计进尺6.41万m，累计注浆量35.3万t，钻孔施工如图12所示。

图12 顶底板钻孔施工图

音频电透视和瞬变电磁探查发现，顶底板灰含水层的富水异常区基本消失；治理后顶板四五灰渗透系数降为0.010 4 m/d，底板徐灰平均渗透系数为0.010 38 m/d。

注浆后四五灰含水裂隙和水泥的结石体，裂隙最大宽度达5 cm，最大注浆体厚度>20 cm；地面钻探验证钻孔徐灰结石体，具体如图13所示。

图13 地面验证立孔徐灰岩芯水泥结石体

2018年，试采工作面顶底板水害治理效果及防治水安全性评价通过评审，后试采工作面进行安全开采。当前，首采工作面已经推采450 m，累计产出11煤近50万t，经济收入近3亿元，经济效益明显，破解受顶底板双重灰岩威胁的下组煤开采世界性难题，为我国黄河北煤田类似矿井水害的治理提供了科学的指导。

4 结论

本文以山东黄河北煤田邱集煤矿受顶- 底板灰岩含水层水害威胁的煤层为工程背景，利用双层多分支顺层钻孔注浆改造顶- 底板灰岩含水层方法为基础，确定施工方案和关键参数，现场应用效果良好，主要结论如下：

(1)针对黄河北煤田受顶- 底板灰岩含水层水害威胁下组煤水文地质条件，经过分析总结、探索，提出了一种双层多分支顺层钻孔注浆改造顶- 底板灰岩含水层方法，实现了顶- 底板灰岩含水层的治理，破解受顶底板双重灰岩威胁的下组煤开采世界性难题。

(2)方法将底板改造成隔水层，顶板改造成弱含水或不含水层，封堵了底板水源补给通道并形成一定厚度的有效隔水层，从而防止采中、采后突水，保护地下水系统和水循环，实现受顶底板双重灰岩水害威胁的矿层的安全保水开采。

(3)该方法创新采用了共用一个孔位和一造斜段施工双层多分支顺层钻孔对顶、底板双层灰岩层进行改造，降低工程成本，减少地面的占地面积和搬家的次数。

(4)结合治理岩层的特征，采用COMSOL Multiphysics进行数值模拟，研究目标灰岩扩散半径达40～60 m，注浆终压设为含水层静水压力的2.0～2.5倍，分支孔间距60～80 m。

(5)该方法被应用到受顶- 底板灰岩含水层水害威胁的邱集煤矿下组煤治理，取得了良好效果。为黄河北煤田受水威胁的10多亿t煤炭资源的开发，以及受顶底板水威胁的类似矿井及非煤矿山，具有巨大的经济效益和推广应用前景。