羊东矿8472 工作面区域治理与分析

曹栋

（冀中能源峰峰集团有限公司 羊东矿，河北 邯郸 056200）

0 引 言

由于羊东矿水文地质条件复杂，根据《煤矿防治水细则》和公司下发的矿井防治水管理规定，要求“水文地质条件复杂、极复杂且采深大于800 m 的矿井（地区） 要实施地面区域治理”，结合羊东矿生产衔接情况，对8472 工作面采深大于800 m 的区域进行补充地面区域治理工程，首先查明治理范围内大青灰岩含水层的富水状况及其水文地质特征，并对大青灰岩含水层进行注浆改造，以达到8472 工作面带压开采条件。

1 工程概况

羊东矿8472 工作面地面位置位于南蒋村东及其东北，地表基本为农田，地面标高133.2—148.1 m。工作面井下位置：上部（西部） 以8472 工作面设计范围为界，北部以F2、F30 号断层为界，南部以五二下山保护煤柱线为界，东部以F3-1 号断层保护煤柱为界，工作面标高-630—-830 m。

8472 工作面呈宽缓的褶曲构造，厚度1.1 ～1.96 m，煤层倾角7°～27°，平均倾角17°，平均厚度1.35 m，煤层稳定，结构简单，无夹石，局部有结核。煤层为石炭系太原组4 号煤（野青煤）。 该工作面走向长1 303 ～1 481 m，倾向长139 ～275 m，面积368 890 m2，可采储量40 万t。

根据水害地面区域治理管理规定，工作面外围区域治理最小范围要求，8472 工作面在外围无构造破坏时，依据L=P/Ts 和L=0.5 km 公式计算。

工作面以最低标高-830 m，奥灰水位+136 m，野青到奥灰层间距115 m，Ts 取0.06，K取5，M取1.3 m，KP取0.46。

综上计算，8472 工作面外围最小治理范围取较大值为180 m，治理目的层位为大青灰岩（图1）。

图1 羊东矿地层综合柱状图Fig.1 The comprehensive histogram of Yangdong mine strata

图2 8472 工作面完成工程量平面图Fig.2 The plane of completed engineering amount in No.8472 face

2 工作面地质特征及构造概况

2.1 地质特征

8472 工作面范围内各时代地层由老到新有石炭系中统和上统、二叠系、第三系及第四系。

此次施工及注浆目的层为太原组上统底部大青灰岩含水层，厚度4.4 ～7.27 m，平均厚度5.5 m，岩性为灰色及深灰色灰岩，岩性致密坚硬，是煤系地层中主要含水层，在该地层中钻进过程中，常会发生漏失现象。

大青灰岩顶板为灰黑色砂质泥岩，平均厚度为8.5 m，中间含0.5 m 薄层灰岩。黑色砂质泥岩上部为灰白色中砂岩，平均厚度为7.5 m，可作为大青灰岩顶板一明显标志层。

底板为8 号煤层，平均厚度1.25 m，不含夹石或矿物结核，结构简单，煤层底板为1.8 ～2 m 厚的黑色粉砂岩或页岩。

目的层大青灰岩相比较其顶底板岩性伽马值较小，钻时较慢，具有明显的可区分性。

2.2 地质构造

8472 工作面为羊东矿深部野青掘进工作面，受褶曲构造影响煤岩层产状变化较大，其附近煤层产状将出现一些变化并伴有小断层发育。

2.3 水文地质概况

该工作面主要含水层有奥陶系灰岩含水层、大青灰岩含水层、伏青灰岩含水层、野青灰岩含水层、2 号煤顶板砂岩含水层、石盒子砂岩含水层、石千峰组一段砂岩含水层、第四系卵砾石含水层。其对开采有影响的含水层如下。

（1） 野青灰岩含水层及伏青灰岩含水层以静储量为主，补给源不足，水量小，随采掘延伸和揭露逐渐疏干。

（2） 大青灰岩含水层以灰色及深灰色石灰岩为主，平均厚度5.5 m。该含水层是煤系地层薄层灰岩含水层中最厚、距奥灰含水层最近的1 个含水层，裂隙发育，富水性中等但不均一，部分有溶蚀现象，在构造发育部位接受奥灰水补给时，富水性较强，目前水位标高+10—-380 m。

（3） 奥灰含水层在该区埋深861 ～1 042 m，奥灰顶面标高-725—-906 m，奥灰水位+136 m，该含水层属深埋型岩溶充水矿床，裂隙发育较差，相对浅部水循环较慢，奥灰地下水静储量较大，该含水层与大青灰岩含水层间距25 ～30 m。

3 工程施工概况

3.1 施工设备

此次施工投入的主要钻探设备有ZJ-40 钻机，配备3NB-1300 型泥浆泵2 台，800 kW 电动机1套；注浆设备有ZJ-2000 型高速涡流制浆机1 台，NBB-390/5-15 型注浆泵2 台；TBW-850/5A 注浆泵1 台，注浆环保工作间1 套等，见表1。

表1 投入主要施工设备表Table 1 The table of invested main construction equipment

3.2 钻孔结构

8472 工作面注6 孔采用三开钻孔结构，一开表套开孔孔径450 mm，套管口径377 mm，隔离第四系松散层；二开开孔孔径215.9 mm，套管口径177.8 mm，进入大青灰岩；三开开孔孔径152 mm，裸孔，沿大青灰岩顺层钻进（表2）。

表2 钻孔结构表Table 2 The drilling hole structure

3.3 钻探完成工程量

该工程共施工完成1 个造斜段，5 个水平分支孔，平面投影图如2、图3 所示，总计完成钻探工程量2 796 m，包括造斜段1 031 m，水平段1 765 m，其中最长水平段为6-补4 分支736 m，具体各分支工程量见表3。

表3 完成工程量表Table 3 The completed engineering amount

图3 8472 工作面与8470 工作面已完成工程量平面关系图Fig.3 The plane relationship diagram of completed engineering amount in No.8472 face and No.8470 face

4 分项工程质量评述

4.1 钻孔质量评述

（1） 该工作面此次施工6-补3、6-补4、6-补5 分支相互间距50 m，且与上下注2 孔、注5孔分支成平行状，6-补6、6- 补7 分支填补该3个分支左端空白区，成射线状，并且保持间距不超过50 m，施工轨迹严格按照设计轨迹进行，最大轨迹误差上下小于2.5 m，满足设计要求。

（2） 水平段施工目的层为大青灰岩含水层，地层主要为灰色灰岩及深灰色灰岩，施工过程中按照岩粉与伽马测井严格控制层位，大青灰岩钻遇率均大于90%，达到设计要求。

（3） 岩屑录井均按照1/m 岩粉进行捞取，岩粉采取率100%。

（4） 第一层套管隔离冲积层，第二层套管进入大青灰岩2 m；各级套管要求用水泥浆进行正循环固管，并固结牢固。

（5） 所有探查治理分支钻孔穿过含水层时均要求进行简易水文地质观测，观测率100%。

（6） 进入水平段大青灰岩后各分支均进行压水试验，共计压水24 次，每次压水时长不少于4 h，计算吸水率均小于0.01 L/min·m·m。

（7） 钻孔轨迹数据见表1。

4.2 套管固井质量评述

第一层套管开孔孔径450 mm，钻进至47 m，进入基岩27 m 左右，起钻通井，下入377 mm 技术套管，壁厚8.94 mm，隔离第四系松散层。采用上止水法封闭，至固井水泥返出井口，候凝72 h，固井质量合格。

第二层套管采用215.9 mmPDC 钻头加螺杆定向钻进至1 007.42 m，进入大青灰岩垂深2 m，起钻通井，下入φ177.8 mm 技术套管，套管型号N80,壁厚8.05 mm。固井水泥返至套管底角上150 m，候凝72 h 后扫至套管底角下0.5 m 做压水试验，憋压至10 MPa，维持压力30 min，观察压力降为0.15 MPa，固井质量合格。

4.3 录井质量评述

工程施工采用的测斜仪器为WMD 型无线随钻测斜仪，该仪器含有随钻伽马，能实时分辨地层，综合井口返出岩粉对地层岩性进行判别，确定地层岩性。

在钻进过程中钻遇地层为：第四系冲积层、上石盒子、下石盒子、山西组、太原组。现分述如下。

造斜段钻遇地层：

（1） 冲击层：由黄土、粘土、砂土、砂砾岩及半胶结状砂岩及砾岩组成。地层松散，易坍塌掉块，泥浆漏失量一般在1.5 ～5 m3/h，未见构造发育。

（2） 上下石盒子组：岩性主要有砂岩和砂质泥岩组成，含部分砾岩，地层较稳定，泥浆漏失量一般在0.5 ～5 m3/h，未见构造发育。

（3） 山西组：岩性主要以粉砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩、2 号煤层、石灰岩组成，地层稳定，泥浆漏失量一般在0.7 ～1.3 m3/h，未见构造发育。

（4） 太原组：钻遇岩性主要以粉砂岩、4、6、7 煤、山青、伏青等灰岩、中粒砂岩、细粒砂岩、粗砂岩组成，地层稳定，在钻进过程中探查在4 煤与6 煤之间存在断层，且未发生漏失。

水平段目的层。

大青灰岩含水层，稳定，厚度为5.5 m 左右，顶板为灰黑色砂质泥岩，底板为8 号煤层，泥浆漏失量一般在0.2 ～2.91 m3/h，在钻进过程中未见构造发育。

4.4 测井质量评述

各分支实钻轨严格按照设计轨迹、方位施工，造斜段与水平段实际施工轨迹与设计轨迹最大误差上下小于2.5 m，达到设计要求。

在地质录井过程中，通过随钻伽马测井与实际岩粉相结合，相互验证，确保准确判定岩性及地层，不同岩石所含的放射性物质的种类和数量不同，反应出不同伽马值范围，其单位为计数率或标准单位API，测井值越大，说明岩层的放射性越强。

此次施工钻遇岩性主要为砂岩、泥岩、煤层、灰岩等，其中目的层大青灰岩伽马值较小，相比其顶板及底板地层伽马值均较小，具有明显的可区分性（表4）。

表4 目的层及上下岩层伽马测井值范围Table 4 The gamma logging value range of target layer and upper and lower strata

4.5 压水试验质量评述

8472 工作面注6 孔在水平段钻进过程按照设计要求不超过80 m 时进行一次压水试验，共计压水试验24 次，其中6-补3 分支水平段长303 m，压水4 次；6-补4 分支水平段长736 m，压水10次；6- 补5 分支水平段长443 m，压水6 次；6-补6 分支水平段长147 m，压水2 次；6-补7 分支水平段长136 m，压水2 次，每次压水时长均不小于4 h，且计算吸水率均小于0.01 L/min·m·m，说明该工作面探查区域内大青灰岩含水层裂隙不发育。

5 治理成果

5.1 目的层地层及构造

8472 工作面注6 孔分支收集的地层及构造资料如下。

（1） 大青灰岩颜色越靠底板颜色逐渐加深。

大青灰岩厚度约5.5 m，灰岩岩性从上往下变化为，0 ～2 m 为灰色灰岩，2 ～5.2 m 段颜色由灰逐渐变成深灰色，泥质及炭质含量向下逐渐增加，从5.2 ～5.5 m 段岩性逐渐接近煤层伪顶。一般纯灰岩段伽马值小于40 API，接近底板时伽马值为40～60 API。

大青灰岩上部为灰黑色砂岩，伽马值为100 ～150 API；大青灰岩底板为8 号煤层，伽马值为80～100 API，顶底板与大青灰岩相比较钻时明显加快，具有可区分性。

（2） 造斜段钻遇断层。

6- 补4 分支在施工造斜段时892 m 见4 煤，垂深797.75 m；钻进至909 m 处见6 煤，垂深809.6 m；钻进至998 m 处见大青灰岩顶板，垂深860 m，4 煤距离6 煤垂深间距11.85 m，间距变小，其他标志层间距均正常，因此推断造斜段4 煤与6 煤之间存在断层，且断距为12 m 左右。

此次施工5 个水平分支在钻遇大青灰岩时岩粉及地层顺序正常，未见断层等构造发育。

5.2 目的层水文地质特性

根据《羊东井田精查勘探地质报告》的水文资料和相临工作面及巷道实际揭露的水文资料，该工作面主要含水层有奥陶系灰岩含水层、大青灰岩含水层、伏青灰岩含水层、野青灰岩含水层、2 号煤顶板砂岩含水层、石盒子砂岩含水层、石千峰组一段砂岩含水层、第四系卵砾石含水层。

此次所施工的造斜段来看，在钻进至第四系卵砾石含水层、石千峰组一段砂岩含水层、石盒子砂岩含水层、大煤顶板砂岩含水层、野青灰岩含水层、伏青灰岩含水层时均未发生漏失现象，在造斜段钻遇断层时也未发生漏失。

水平段在大青灰岩钻进过程中未发生漏失现象，钻井液消耗量较小，最大消耗量2.91 m3/h，在钻进不超过80 m 时进行一次压水试验，共压水24次，压水过程中均产生一定泵压，计算吸水率为0.002 4 ～0.009 6 L/min·m·m，小于0.01 L/min·m·m，压水后测量水位在-300 m 左右，水位较深。说明该工作面钻遇大青灰含水层裂隙不发育，且静水储量较小。

5.3 钻孔探查成果

羊东矿8472 工作面区域治理工程注6 孔原设计钻探工程量3 680 m，实际共施工完成1 个造斜段，5 个水平分支孔。该工作面施工的6-补3 分支、6-补4 分支、6-补5 分支间距注2 孔与注5孔分支间距50 m，与其已施工分支成平行条带状，6-补6、6-补7 分支位于这3 个分支左端空白区域，成放射状，间距不超过50 m，在施工过程中5个分支均未发生漏失，经过多次压水试验验证，吸水率均小于0.01 L/min·m·m，且水平段钻进过程中未发现断层或其他能够形成导水通道构造，由此综合说明，此次治理工作面大青灰岩含水层静水储量较小，构造简单，裂隙不发育，且与奥灰含水层未联通，达到区域探查治理目的，使该工作面内4 号煤层（野青煤） 及以上煤层开采不受下伏大青及奥灰灰岩含水层承压水的威胁。

综上所述，8472 工作面钻探区域，构造发育简单，大青灰含水层水文地质条件简单。

6 结 语

通过对羊东矿8472 工作面区域治理的全过程进行论述和分析总结，可以看到在工程设计中孔位选择和水平分支孔、分支孔间距的设计是钻探工程总量的关键。而对各分支钻孔方位、倾角、孔深、探测层位、入窗及靶点等的技术要求是保证施工质量的关键。分支钻孔施工过程层位控制技术是依靠岩粉岩性和伽马值大小确认。水平段钻进过程中进行压水试验，并根据压水流量和产生的泵压，计算透水率大小是判断含水层裂隙是否发育的重要依据，以上这些均可在类似条件下受底板强含水层水威胁煤层的区域治理工程设计、施工及技术质量评判进行推广应用。