华北型煤田底板灰岩含水层超前区域治理模式与选择准则_董书宁.pdf

煤田地质与勘探 MEITIAN DIZHI YU KANTAN 2020 年第 4 期 双月刊 1973 年创刊 第 48 卷 总 280 期 目 次 “煤炭安全高效绿色智能开采地质保障”会议论文 华北型煤田底板灰岩含水层超前区域治理模式与选择准则 董书宁，郭小铭，刘其声，王 皓，南生辉，郑士田，王宇航1 应力干扰下煤层顶板水平井穿层分段压裂规律许耀波11 煤层底板突水综合监测技术及其应用段建华19 基于分段波形互相关的井下随采地震数据成像张唤兰，王保利29 综采工作面薄煤区无线电波多频率透视精细探测吴荣新，沈国庆，王汉卿，肖玉林34 钻孔瞬变电磁探测在水力压裂效果检测中的应用赵 睿，范 涛，李宇腾，王继矿，马 媛，王冰纯，刘 磊，房 哲41 轻量化坑道钻机的研制及应用凡 东，王瑞泽，田宏亮，常江华46 露天煤矿截水帷幕关键技术及效果检验 我国露天煤矿水害特征与防治水技术黄选明，张 雁，李文嵩，田增林53 基于低强度抗渗混凝土的露天煤矿帷幕截水技术曹海东，苗贺朝，迟 赞，高思华61 露天煤矿截水帷幕防渗膜垂向隐蔽铺设施工工艺李文嵩，党亚堃，朱明诚，高 雅68 卵砾石含水层高压旋喷注浆止水帷幕技术朱明诚，韩 强，赵贵斌，刘玉柱74 深厚砂卵石层低温动水条件下咬合桩帷幕材料研发彭 巍，王 海，王仲全，卜桂玲80 露天煤矿截水帷幕效果检验方法及截水效果分析王 海，彭 巍，曹海东，王 丽87 露天煤矿草原区植被指数与气象水文要素关系张 雁，黄选明，陈 实，石炳兴94 煤田地质 矿井地质 华北型淮南煤田大构造成因分析及构造控水研究 丁同福，汪敏华，赵俊峰102 兰坪盆地古近系云龙组元素地球化学特征及其古环境的恢复 刘小康，张治波，朱志军，吴川福，魏星星，刘海燕，金腾瑞，白玛曲宗109 压汞实验对低阶煤表征的适用性分析及校正方法 刘一楠，刘 勇，辛福东，魏宏宇118 煤层气 页岩气 渝东北地区龙马溪组页岩吸水特性及对其力学性质的影响 刘 洪，徐烽淋，陈 乔，朱洪林，苏德桂，冯柯来126 褐煤高温水萃物生物产气及化学组成变化 任恒星，何 环，柳方景，王美林，赵 娜，郭 鑫，陈林勇，赵 晗，元雪芳，关嘉栋，岳利娇132 可控电脉冲波增透技术在低透气性煤层中的应用 安世岗，陈殿赋，张永民，孔德磊，李 阳，张 迪，王 洋138 筠连地区煤层气低产低效井成因及增产改造措施 李 莹，郑 瑞，罗 凯，朱延茗，张毅敏146 鄂尔多斯盆地兴县地区煤层气地球化学特征及成因 王相业，孙保平156 水文地质 工程地质 环境地质 长石砂岩对酸性环境的腐蚀劣化响应 周 斌，张东明，许 江，程 亮，李嘉欣165 滨海软土冻结温度场发展规律 陈军浩，庄 言，陈笔尖，赵振伟，王启云174 陕北某矿双煤层开采对覆岩影响的模拟对比 孙学阳，张 齐，李 成，张 磊183 贵州省开阳县斜坡地质灾害孕灾因子敏感性分析 覃乙根，杨根兰，谢 金，刘榜余190 基于地形分区 IDW 的复垦排土场土壤养分空间分布 赵艳玲，赵彬程，王 鑫，肖 武，刘慧芳199 煤田物探 倾斜检波器与地表双自由度耦合效应 孙 超，孙 亮，何登科，田思清206 基于地震波形指示反演的陷落柱识别方法及应用 万照飞，郭增虎，王 鹏，唐美珍，韩天宝，刘良琼212 矿井超浅层高分辨率瞬变电磁探测技术 张 军219 煤体复电性频散响应实验研究 孟 慧，李 健，雷东记，王亚娟226 探矿工程 煤矿用钻杆螺纹的研究现状及展望 田东庄，陈彦宇，李 晴，董萌萌，牟培英233 基于压电效应的随钻式能量回收装置设计吴天予，郑 君，张 博，陈 宇，田 红，窦 斌240 期刊基本参数CN 61-1155/P*1973*b*A4*246*zh*P*40.00*3200*33*2020-08 本期执行编辑范章群 2020 年 08 月 25 日出版 公开发行 邮发代号52-14 国内定价40.00 元 ChaoXing 第 48 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.4 2020 年 8 月 COAL GEOLOGY 2. Xian Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xian 710077, China; 3. Shaanxi Key Laboratory of Coal Mine Water Hazard Prevention and Control Technology, Xian 710077, China Abstract In order to promote the development of zonal preact grouting technology and establish a system of the technology to prevent mine water disasters of coal floor aquifer, the authors analyze and summarize the coal seam occurrence and hydrogeological conditions of the Carboniferous-Permian coalfields in China, starting from the en- gineering systematicity, focusing on the three main factors of drilling conditions, grouting layer selection and drilling technology in the engineering of zonal preact grouting to prevent mine water disasters of coal floor aquifer. ChaoXing 2 煤田地质与勘探 第 48 卷 The model of zonal preact grouting to prevent mine water disasters of coal floor aquifer is established, which can be applied in the geological and hydrogeological conditions of the North China type coalfields. Combined with the identification of coal seam depth, water pressure on coal seam floor and structural combination of floor rock for- mation, the selection criteria of various governance modes are determined; Further combined with the two addi- tional indicators of drilling pattern and grouting material, the sub-class model of advanced zonal governance is further divided. Taking the practice of three major zonal preact grouting projects in the Huaibei mining area and the Hancheng mining area as examples, the selection principle and engineering application effects are analyzed. The results show that the model classification can cover all zonal preact grouting engineering in China. The re- search provides guidance for the selection of the zonal preact grouting engineering model of coal seam floor aquifer and the implementation of the grouting project. Keywords North China type coalfield; Ordovician limestone; Taiyuan ation limestone; the floor water hazard; model of zonal preact grouting; grouting transation 我国华北型煤田主采石炭-二叠纪煤层， 开采过 程中普遍受到底板灰岩含水层水害威胁，水害事故 时有发生，底板注浆加固一直是煤层带压开采的主 要工程技术手段[1]。20 世纪 50 年代，随着煤层底板 含水层突水系数及水害危险性评价指标的提出，我 国石炭-二叠纪主要产煤区开始了针对断裂构造的 注浆技术研究。肥城矿区、焦作矿区利用井下巷道 施工注浆钻孔，实现断裂构造注浆加固与工作面底 板全面部分改造[2]。随着注浆技术与工艺发展，许 多学者对注浆材料、改造工艺等进行专项研究，并 研究了注浆浆液运移规律。邯邢矿区在我国首先引 入地面径向射流技术与压裂注浆工艺对底板含水层 进行改造，实现未采掘区域底板含水层水害的超前 治理；赵固一矿率先采用井下定向钻进技术结合压 裂注浆工艺，实现了注浆长钻孔施工与顺层钻孔注 浆，开创了国内采用定向长钻孔进行超前区域治理 的工程先例；之后，利用顺层定向钻孔进行超前区 域治理的理念在邯邢矿区、淮北矿区煤层底板水害 治理中大面积推广应用，迅速发展并应用于底板断 层、陷落柱等导水构造治理，形成了集超前区域探 查与面状区域治理于一体的超前区域治理技术。 2018 年煤矿防治水细则修编过程中，该技术作为 近年来形成的水害治理新技术推广应用[3]，得到了较 快发展。目前，国内外学者与工程技术人员针对特定 条件开展了超前区域治理工程实施与研究，但是针对 施工条件选择、各施工方案的优缺点对比等方面的系 统研究成果较少，使得施工方案制定多为经验指导， 缺乏系统的理论支撑。其技术体系尚不健全，制约了 该项技术在全国水害威胁矿区的推广。 通过分析总结我国华北石炭-二叠纪煤田煤层 底板主要充水因素与地层结构，分析影响超前区域 治理工程实施的施工条件、钻进技术与层位选取指 标，对各因素优化组合，形成系统的超前区域治理 模式。进一步根据钻孔布设方式、注浆材料，建立 各模式的亚类并结合工程实践进行论证，以期为我 国煤层底板水害治理工程方案选取提供指导。 1 煤层底板充水因素与地层结构 我国华北型煤田普遍缺失上奥陶统、志留系、 泥盆系及下石炭统， 石炭-二叠纪地层直接覆盖在中 奥陶统巨厚灰岩之上。煤层底板主要地层包括太原 组灰岩、泥岩互层，本溪组铝土质泥岩，奥陶系峰 峰组、马家沟组灰岩地层图 1。 图 1 我国华北型煤田典型地层结构柱状 Fig.1 Typical stratigraphic column in North China type coal field 1.1 煤层底板充水因素 根据华北型煤田地层结构，煤层回采后产生底 板扰动破坏带，在隔水层较薄时裂隙带易直接导通 底板含水层；同时，潜在的断层、陷落柱等垂向导 水构造，易直接或间接导通底板太原组薄层灰岩、 奥陶系厚层灰岩含水层， 造成底板突水事故[4]图 2。 ChaoXing 第 4 期 董书宁等 华北型煤田底板灰岩含水层超前区域治理模式与选择准则 3 图 2 煤层底板灰岩含水层充水结构 Fig.2 Water-filling structure of the bottom limestone aquifer in North China type coalfield 由此可知，华北型煤田煤层开采过程中，底板突 水威胁主要来自奥陶系灰岩以下简称奥灰含水层和 太原组灰岩以下简称太灰含水层，需增加底板隔水 层厚度或治理导水通道，达到底板水害治理的目的。 超前区域治理需在稳定硬岩中施工钻孔并进行 注浆改造，常选择底板太原组灰岩，部分条件下需 选择奥陶系灰岩。对华北型煤田 2 组灰岩地层展布 规律进行分析，有助于把握不同地区底板含水层充 水威胁程度， 并为超前区域治理模式划分提供依据。 1.2 奥陶纪地层平面展布与垂向分带特征 华北型煤田奥陶系中下统发育较全，而中统上 部和上统在大部分地区缺失。奥陶系总厚度约 300～ 1 600 m不包括平凉组、背锅山组，为一套稳定的 碳酸盐岩建造。华北型煤田奥陶纪地层总厚度变化 规律如图 3 所示。 图 3 华北型煤田奥陶系厚度等值线 Fig.3 Thickness contours of Ordovician in North China type coalfield 由此可知，在整个华北型煤田区，奥陶系灰岩地 层全区发育且厚度大， 是超前区域治理主要可选地层。 中奥陶纪以后，受加里东运动影响，华北地块 上升成为陆地，中奥陶统灰岩裸露地表并遭受风化 剥蚀与溶蚀，形成古岩溶和裂隙并同时被红色含钙 质土层充填[5]，最终使得奥灰顶部形成具有一定隔 水性能的风化充填带[6]。 在对河北邢台、陕西韩城等矿区奥灰富水性探 查的基础上，结合奥灰岩溶发育特征，概括出奥灰 顶部岩溶垂向“三带”特征奥灰顶部自上而下可划 分为风化充填阻水带、垂向导升侵水带及岩溶裂隙 富水带，各矿区分带厚度均不相同。其中，风化充 填阻水带在完整条件下可作为隔水层进行利用，垂 向导升侵水带富水性相对较弱，是主要的注浆改造 层位。在此基础上，董书宁等[7]提出突水系数和构 造发育情况是奥灰顶部改造层位选择的标准，并建 立了奥灰顶部利用与改造判别准则。厚层奥陶系灰 岩地层上部是超前区域治理的主要层位之一。 1.3 太原组灰岩分布特征 华北型煤田晚古生代石炭-二叠纪地层广泛发 育，自中石炭世形成广阔的聚煤坳陷，形成上石炭 统-下二叠统太原组、 下二叠统山西组和下石盒子组 3 个主要含煤地层[8]。 尤其是太原组和山西组煤层开 采过程中，距离底板含水层较近，水害威胁严重。 太原组岩相除局部为陆相外，其余为海陆交互相 沉积，岩性为砂岩、粉砂岩、泥岩、灰岩、煤层和少 量砾岩。定向钻进施工与注浆改造层位需具备可成孔 和浆液能扩散的特点，对于太原组地层改造需在脆性 灰岩和砂岩地层中。 煤层底板地层结构分析表明图 1， 山西组和太原组下组煤底板脆性岩以薄层灰岩为主， 在华北煤田由西北向东南层数由 2～3 层增加到 14 层以 上，总厚度也由 5 m 增加到 60 m 以上[9]。 我国不同矿区煤层底板灰岩层数、厚度均有一 定差异，需综合考虑矿区水文地质条件、煤层底板 灰岩层数与位置等，合理选取改造层位，采用科学 注浆工艺开展煤层底板超前区域治理。因此，太原 组薄层灰岩也是超前区域治理主要改造层位。 2 超前区域治理模式划分 煤层底板水害超前区域治理是通过施工钻孔对 含水层水文地质条件进行超前探查，采用注浆设备将 可凝浆液通过钻孔注入目标地层，加固隔水层薄弱区 或改造含水层成为隔水地层，最终实现煤层带压开采 的一种底板水害防治技术[10]。我国多数矿区开展了煤 层底板水害超前区域治理工程，并取得一定成果，现 阶段已经形成了地面[11]、 井下施工[12]， 定向钻进为主， 常规钻进结合径向射流的钻进方式[13]，针对薄层太原 ChaoXing 4 煤田地质与勘探 第 48 卷 组灰岩和厚层奥陶系灰岩的含水层治理模式。 根据国内治理工程与相关研究，总结提出煤层底 板灰岩含水层超前区域治理模式，综合考虑治理区施 工条件、治理层位和钻进方式，构建技术可靠、经济 合理的治理体系。结合钻孔布设方法、注浆材料等工 程设计指标，详细划分出超前区域治理模式的亚类。 2.1 分类指标 超前区域治理工程是煤层底板水害防治的系统 工程，包含水文地质条件分析、探查和注浆改造。 根据水文地质条件分析结果对水害现状进行评价， 结合煤层底板岩层结构、突水系数、水压和埋深等 水文地质参数与煤层赋存条件，最终确定超前区域 治理工程施工模式。其模式的制定有 3 个指标施 工位置、层位选择和钻进方式。 a. 施工位置 注浆工程受拟施工区条件影响 较大，首先要制定治理方案。一般而言，施工位置 可选取地面钻孔施工结合地面浆液配置、井下钻孔 施工结合地面浆液配置、井下钻孔施工结合井下浆 液配置 3 种方案。由于井下制浆能力低，大规模超 前区域治理一般不采用该制浆方案， 均为地面制浆。 施工位置的确定主要以钻孔施工位置为标准， 分为地面钻进和井下钻进 2 种方案，根据地面和井 下条件确定。地面条件包括施工场地地形、水电条 件、交通状况、环保要求、浆液运输、民事协调、 采空区分布、钻探技术、地质条件等，任何一个条 件受限时均认为无地面施工条件。井下条件主要为 采掘工程布设情况和施工安全，需考虑是否已有井 巷系统或可新增井巷系统进行钻探工程施工，同时 需考虑含水层水压满足井下安全钻进需求。 b. 层位选择 超前区域治理层位选择是钻探与 注浆工程施工的先决条件。我国华北型石炭-二叠纪 煤层底板以太原组薄层灰岩、 泥岩、 砂岩互层结构为 主， 基底为巨厚奥陶系或寒武系灰岩。 多数区域奥陶 系灰岩顶部存在风化充填带，具备一定的隔水性能。 由于泥岩地层钻孔施工难度高， 浆液扩散性能差， 超 前区域治理钻孔施工层位需选择合适位置的薄层灰 岩或厚层奥陶系灰岩顶部相对隔水段， 利用钻孔注浆 实现地层改造。 因此， 超前区域治理工程改造层位包 含薄层灰岩和厚层灰岩 2 种选择方案。 薄层灰岩顶底板均为泥岩隔水地层，注浆时属 于全封闭顶底有界结构， 浆液在顶底界内顺层扩散， 注浆效果好，是优先选择层位[14]。但是，对于煤层 底板到奥灰间距较小的矿井，改造薄层灰岩难以满 足防治水的要求，需选择奥灰顶部相对隔水的风化 充填带、垂向导升侵水带层位进行改造[15]。其具体 层位选择方法可参考图 4。 注T 为突水系数，MPa/m；p 为水压，MPa。 图 4 注浆改造层位选择准则 Fig.4 Horizon selection criteria for grouting transation ChaoXing 第 4 期 董书宁等 华北型煤田底板灰岩含水层超前区域治理模式与选择准则 5 c. 钻进方式 超前区域治理过程中有定向钻 进和径向射流 2 种钻进方式[16]。钻进方式是钻孔布 设的前提，直接影响钻孔探查、注浆改造的全面性。 定向钻孔可沿顺层方向钻进并侧向开分支，进行面 状探查与底板水害治理。部分煤层埋深较浅、构造 发育地区，定向钻孔难以造斜，轨迹设计困难，可 通过地面常规钻孔中径向射流工艺实现区域治理。 2.2 模式分类 根据确定的模式分类指标，结合现场钻探工程 和注浆工程施工情况，对各可利用指标进行组合， 如图 5 所示。 图 5 超前区域治理模式分类指标组合 Fig.5 Combination of classification factors for zonal preact grouting model 由图 5 可知，超前区域治理工程分类过程中， 优先考虑施工位置和改造层位选择，并由此确定钻 进方式。地面施工可进行定向钻进和径向射流，井 下施工仅可开展定向钻进；针对厚层灰岩可利用定 向钻进和径向射流改造方式，薄层灰岩中仅可进行 定向钻进。 采用交叉分类原则对各指标进行交叉组合 分类，仅在 3 个指标可连接形成闭合环路模式 时才能成立，最终提炼形成 5 种超前区域治理 模式表 1。 针对煤层底板灰岩含水层水害，主要采用地 面、井下定向钻进改造薄层、厚层灰岩含水层。 同时，在部分区域选取地面厚层灰岩并采取径向 射流技术开展含水层改造。对于华北型煤田而言， 最主流的改造模式为 M1、M3，同时在部分地面 条件较差区域采用 M2 和 M4 模式， 埋深浅处采用 M5 模式。 2.3 选择准则 不同模式有其特定的适用条件，在工程开展前 需充分考虑地面施工条件、煤层埋深、煤层底板承 受水压，综合确定施工位置和钻进方式；结合煤层 与奥灰含水层之间薄层灰岩、突水系数初始值和改 造后值确定改造层位，从而综合确定超前区域治理 模式。 表 1 超前区域治理模式 Table 1 Model of zonal preact grouting 施工位置 C 层位选取 L 钻进方式 D 治理模式 M 地面施工 C1 厚层灰岩 L1 定向钻进 D1 C1L1D1地面厚层灰岩定向钻孔改造模式 M1 井下施工 C2 厚层灰岩 L1 定向钻进 D1 C2L1D1井下厚层灰岩定向钻孔改造模式 M2 地面施工 C1 薄层灰岩 L2 定向钻进 D1 C1L2D1地面薄层灰岩定向钻孔改造模式 M3 井下施工 C2 薄层灰岩 L2 定向钻进 D1 C2L2D1井下薄层灰岩定向钻孔改造模式 M4 地面施工 C1 厚层灰岩 L1 径向射流 D2 C1L1D2地面厚层灰岩径向射流改造模式 M5 2.3.1 模式选择核心参数 根据工程施工条件的便利性，地面施工条件一 般优于井下条件，但是需根据经济性、技术可行性 进行综合确定，核心参数为煤层埋深、含水层水压。 定向注浆钻孔施工需通过曲率造斜使其形成顺 层钻孔，且后续需反复起钻扫孔。通过对国内大量 注浆钻孔统计分析，区域治理的钻孔全角变化率应 控制在 30/hm 范围内， 保障频繁起钻时钻具能够顺 利进出。考虑煤层厚度和改造层与煤层距离，一般 而言，具备地面定向钻孔施工条件的煤层埋深需大 于 240 m，才能确保定向钻孔顺利造斜和后续起、 下钻顺利实施。 若煤层埋深过大， 市场按进尺结算经济性较差， 需优先考虑采用井下钻孔施工，以 800 m 埋深为经 济可行与否的分界线。但是，井下钻孔施工时面临 含水层高水压致使孔口失控威胁，以国内先进的孔 口防喷装置和钻具内逆止阀为保障，可抵抗 6 MPa 的含水层水压。因此，水压大于 6 MPa 时井下施工 存在较大的孔口失控风险。 2.3.2 判识指标选择标准 根据主要因素分析结果，确定超前区域治理各 判识指标的选择标准 ① 地面有施工条件优先考虑 地面施工； ② 煤层埋深大于 800 m 时优先考虑井下 施工；③ 煤层底板所承受水压大于 6 MPa 时必须 ChaoXing 6 煤田地质与勘探 第 48 卷 选用地面施工；④ 煤层埋深小于 240 m 时优先 考虑径向射流；⑤ 煤层底板有薄层灰岩地层结 构的优先考虑改造薄层灰岩，且薄层灰岩改造后 需满足突水系数要求。依据该准则，建立煤层 底板灰岩含水层超前区域探查改造模式流程， 如图 6 所示。 图 6 超前区域治理模式选择流程 Fig.6 Selection process of zonal preact grouting mode 3 超前区域治理模式亚类 钻孔布设和注浆材料是超前区域治理工程施工 的核心设计参数，据此，将我国主要治理模式划分 亚类，更加有利于指导煤层底板灰岩含水层超前区 域治理工程施工。 3.1 布孔形状 首先施工定向超前钻孔，通过钻液漏失、岩屑 录井、钻时录井、压水试验等判识地层中裂隙、岩 溶、导水构造等发育情况，实现煤层底板含水层超 前区域探查的目的。布孔形状决定了选用各治理模 式施工过程中钻孔在治理区域内的覆盖方式，影响 浆液运移规律和注浆改造效果，取决于钻进方式的 选取。现钻井工艺试验结果表明，定向钻进过程中 利用侧向分支孔，形成多种钻孔布设形状，根据最 终钻孔分布形状，利用比拟命名方法，分为 4 种布 孔形态扇骨状 S1、鱼骨状 S2、梳状 S3、叉状 S4； 径向射流是依托常规回转钻进的直孔，在治理层位 利用射流工艺梅花状 S5 布设多个射流主孔。 a. 扇骨状 S1 在主孔同一深度位置不同方向 侧向开分支，形成以主孔轴线为中心，两侧弧形布 设分支孔，整体外形似扇骨形状。该布孔方式施工 难度低、钻效高、周期短，钻注协同配合施工灵活， 是一种高效的钻进方式。但是该布孔方式存在重复 工程量大的缺点，施工费用较高。 b. 鱼骨状 S2 在主孔不同深度两侧交叉施工 分支孔，形成以主孔为中心两侧不同位置斜交布设 分支钻孔，整体外形似鱼骨形状。该布孔形状钻孔 分布均匀，盲区少，重复工程量小，但施工难度较 高，钻注协同配合不灵活。 c. 梳状 S3 在主孔不同深度向同一侧施工分 支孔，形成以主孔为中心，单侧弧形分支钻孔布设 形态，整体外形似梳子形状。该布孔形状钻孔间距 均匀，覆盖全面，但是分支孔拐弯角度大，施工难 度高。 d. 叉状 S4 在主孔同一深度向两侧施工分支 孔平行延伸，形成以主孔为中心，双侧平行分支钻 孔布设形态，整体外形似叉子形状。该布孔形状无 重复工程量，孔间距均匀基本无盲区，但是施工难 度大，且钻注协同配合难度高。 e. 梅花状 S5 采用径向射流造孔工艺， 在常规 直孔中侧向射流形成的钻孔部分形态，常规治理过 程中形成 3 个射流孔，也可根据需求有目标性地布 设多个射流孔。 分析可知，厚层灰岩中定向钻孔垂直方向角度 调整灵活， 钻孔形态较为丰富，可施工 S1S4 的任 意形态；薄层灰岩中垂直方向角度调整空间小，分 支孔施工受角度影响，以施工难度低的扇骨状 S1 分布形态为主， 配套采用 S2S4 形态钻孔。 径向射 流钻孔分布形态归为同一类型，在平面不同方向侧 向开不同数量的射流分支注浆孔，一般在浅埋、边 角区域补充使用。在同一区域治理工程中常采用多 种布孔形态组合方式进行综合布孔。 3.2 注浆材料 根据钻孔超前探查获得的地层裂隙、孔隙和构 造发育情况，灌注水泥浆或骨料进行改造[17]。常见 的注浆材料编号 G包含 4 种碎石骨料 G1、河沙 骨料 G2、水泥-粉煤灰 G3、纯水泥浆液 G4。 a. 碎石骨料 G1 以粒径介于 5～10 mm 的碎石 子为主，常用于治理地层中大型裂隙、断层、溶洞 ChaoXing 第 4 期 董书宁等 华北型煤田底板灰岩含水层超前区域治理模式与选择准则 7 和陷落柱等有较大空间的构造。 b. 河沙骨料 G2 根据粒径不同，可分为细 沙0.25～0.35 mm、中沙0.35～0.5 mm和粗沙粒径 大于 0.5 mm，主要用于封堵大空间构造和小型裂 隙、岩溶。 c. 水泥-粉煤灰 G3 利用地面制浆系统，按照 一定水固比配备形成水泥-粉煤灰浆液， 有助于提高 结石体强度并调整浆液的凝结时间。 d. 纯水泥浆液 G4 水泥浆液是注浆最常用材 料，是其他注浆材料的黏合剂。 超前区域治理中钻遇明显漏水、大型构造发育 区段可利用碎石骨料或河沙骨料进行灌注，之后通 过水泥浆液使其胶结。 在常规注浆段通常利用水泥- 粉煤灰浆液进行灌注，也可利用纯水泥浆液对中小 裂隙进行注浆改造。 3.3 模式亚类划分 将本次划分得出的超前区域探查改造模式结合 施工设计中钻孔形态、注浆材料分类，综合确定治 理模式亚类表 2。 由于钻孔形态主要依据采掘工程布设、工作面 形态、构造发育情况等，本次亚类划分将可施工的 钻孔形态均列出，在实际应用过程中可根据具体情 况选取一种或多种进行组合，主要通过不同的注浆 材料组合进行亚类划分。 亚类组合分析得出，C1L1D1 地面厚层灰岩定 向钻孔改造模式共分出 6 组亚类，C2L1D1 井下厚 层灰岩定向钻孔改造模式划分 2 组亚类，C1L2D1 地面薄层灰岩定向钻孔改造模式划分 6 组亚类， C2L2D1井下薄层灰岩定向钻孔改造模式划分 2 组亚 类，C1L1D2 地面厚层灰岩径向射流改造模式划分 2 个亚类，综合划分为 18 组亚类，在现场实际应用 中结合现场实际条件综合考虑。 鉴于不同区域注浆材 料就地取材的灵活性选择，部分矿区采用黄土-水泥 浆浆液进行注浆，也可以作为局部区域的亚类补充。 表 2 超前区域治理亚类模式 Table 2 Subclass model of zonal preact grouting 治理模式 M 钻孔形态 S 注浆材料 G 亚类分类 C1L1D1地面厚层灰岩 定向钻孔改造模式 扇骨状 S1 鱼骨状 S2 梳状 S3 叉状 S4 碎石骨料 G1 河沙骨料 G2 水泥-粉煤灰 G3 纯水泥浆液 G4 C1L1D1-S1/S2/S3/S4G1/G2/G3 C1L1D1-S1/S2/S3/S4G1/G2/G3/G4 C1L1D1-S1/S2/S3/S4G2/G3 C1L1D1-S1/S2/S3/S4G2/G4 C1L1D1-S1/S2/S3/S4G3 C1L1D1-S1/S2/S3/S4G4 C2L1D1井下厚层灰岩 定向钻孔改造模式 扇骨状 S1 鱼骨状 S2 梳状 S3 叉状 S4 水泥-粉煤灰 G3 纯水泥浆液 G4 C2L1D1-S1/S2/S3/S4G3 C2L1D1-S1/S2/S3/S4G4 C1L2D1地面薄层灰岩 定向钻孔改造模式 扇骨状 S1 梳状 S3 叉状 S4 碎石骨料 G1 河沙骨料 G2 水泥-粉煤灰 G3 纯水泥浆液 G4 C1L2D1-S1/S3/S4G1/G2/G3 C1L2D1-S1/S3/S4G1/G2/G4 C1L2D1-S1/S3/S4G2/G3 C1L2D1-S1/S3/S4G2/G4 C1L2D1-S1/S3/S4G3 C1L2D1-S1/S3/S4G4 C2L2D1井下薄层灰岩 定向钻孔改造模式 扇骨状 S1 鱼骨状 S2 梳状 S3 叉状 S4 水泥-粉煤灰 G3 纯水泥浆液 G4 C2L2D1-S1/S2/S3/S4G3 C2L2D1-S1/S2/S3/S4G4 C1L1D2地面厚层灰岩 径向射流改造模式 梅花状 S5 水泥-粉煤灰 G3 纯水泥浆液 G4 C1L1D2-S5G3 C1L1D2-S5G3 4 超前区域治理工程实践 4.1 朱庄煤矿地面薄层灰岩定向钻孔改造模式 C1L2D1 4.1.1 工程背景 朱庄煤矿位于安徽省淮北市，主采二叠系山 西组 6 号煤层，底板太灰和奥灰含水层有一定水 力联系，煤层回采受到底板太原组薄层灰岩含水 层直接充水和奥灰含水层间接充水威胁。本案例 以矿