两淮煤田煤层底板灰岩水害区域超前探查治理技术_郑士田.pdf

第 46 卷 第 4 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.4 2018 年 8 月COALGEOLOGY regional advanced detection and control; directional horizontal borehole; grouting 20 世纪 80 年代开始，国内首先以山东肥城矿 区为代表开展了煤层底板灰岩井下常规回旋钻探探 查治理，对煤层底板进行“纳鞋底”式的注浆改造， 将薄层灰岩含水层改造为相对隔水层[1-2]。近年来， 随着矿井采掘深度增加，煤层底板灰岩水害威胁越 来越大，常规回旋钻难以满足灰岩探查治理要求 [3-4]。 2013 年以淮北矿区朱庄煤矿为首例， 开始采用 近水平定向顺层钻探技术和注浆改造技术对煤层底 板进行区域探查与改造。近水平定向顺层钻探技术 能使钻孔近水平段在灰岩中顺层钻进，顺层段长度 大，可连续穿过灰岩，与灰岩充分接触，钻孔利用 率高，在工作面形成之前从区域上最大限度地超前 揭露岩溶裂隙[5-8]，增强注浆改造效果，是目前国内 煤层底板灰岩水害防治的新技术[9-10]。笔者根据两 ChaoXing 第 4 期郑士田 两淮煤田煤层底板灰岩水害区域超前探查治理技术143 淮煤田不同矿井水文地质条件和工程实践经验，研 究煤层底板不同类型灰岩水害区域超前治理工程的 钻探和注浆技术，这对其他矿井煤层底板灰岩水害 区域超前探查治理具有现实和借鉴意义。 1两淮煤田矿井水文地质条件 两淮煤田地处安徽省北部淮河两岸，为全国 13 个大型煤电基地之一，包含淮北煤田的濉萧、宿县、 临涣、涡阳和淮南煤田的定远、潘谢、新集 7 个矿 区[11]。 煤田位于华北二叠纪巨型聚煤坳陷的东南隅， 秦岭东西向构造带北缘，在地层区域上属于华北地 层区两淮分区，其中淮北煤田地层出露很少，多被 第四系冲、洪积平原所覆盖[12]，淮南煤田地层则出 露较全。煤田区发育的地层由老到新为青白口系、 震旦系、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗 系、古近系、新近系和第四系，主要含煤地层为二叠 系山西组至上石盒子组。煤系底板为石炭–二叠系太 原组和奥陶系马家沟组， 其灰岩含水层作为煤层底板 充水含水层对矿井安全生产构成了直接水害威胁。 a. 淮 北淮北煤田底板太原组灰岩简称太 灰岩溶裂隙含水层一般有 1214 层石灰岩，厚度 47135 m，单位涌水量为 0.003 411.4 L/s∙m，富 水性弱到强。该含水层距 10 煤层较近，在隔水层薄 弱地带，开采 10 煤层底板突水的可能性较大，是威 胁矿井安全生产的主要含水层。寒武系上统和奥陶 系中统灰岩岩溶裂隙含水层段，一般以奥陶系石 灰岩奥灰为主，该含水层厚度约 500 m，单位涌水 量 0.006 5 45.56 L/s∙m，富水性强，正常情况下距 主采煤层较远，对煤矿无直接充水影响，但若与太 灰、断层或导水陷落柱存在水力联系，会给矿井造 成极大危害。 b. 淮 南淮南矿区煤系底板太原组灰岩岩溶 裂隙含水层一般为 1113 层，局部可达 15 层，厚度 5070m，占3555，灰岩层数多，厚度大，比例高， 位居华北地台之首，单位涌水量0.01190.255L/s∙m， 富水性弱中等，含水层组在本区埋藏较深，地 下水处于径流不畅的封闭条件， 垂直循环条件极差， 中上部 C31C310灰岩岩溶裂隙不发育，下部 C311 C312灰岩岩溶裂隙较发育，局部见有水蚀现象及小 溶洞。奥陶系灰岩平均厚度 270 m，全区分布稳定， 岩溶十分发育，目前在淮南矿区的孔集、土现孜等， 潘谢矿区的潘三矿、顾桥等，均发现有或疑似岩溶 塌陷现象和岩溶陷落柱发育。 2两淮煤田煤层底板灰岩水害特征 两淮煤田位于中国煤矿的 6 大水害分区的 1 分 区东南隅， 属华北石炭–二叠纪煤田岩溶裂隙水水害 区。区内煤田均为深井开采，平均开采深度达 710 m， 随着开采向深部拓展， 底板灰岩水害威胁日益严峻。 依据充水水源性质不同， 分为石炭–二叠系太原组灰 岩裂隙水和奥陶系岩溶裂隙水。其中，太原组灰岩 裂隙水含水层作为矿井突水的直接含水层，对两淮 煤田水害威胁程度存在差异。淮北煤田太灰含水层 中三灰和四灰富水性强，对矿井威胁大，淮南煤田 太灰含水层富水性弱，对矿井威胁小。此处以淮北 矿区朱庄煤矿和淮南矿区潘二煤矿 2 个发生奥灰突 水的典型矿井为例来分析底板灰岩水害特征。 2.1淮北矿区煤层底板灰岩水害特征 淮北矿区煤层底板灰岩水害特征以朱庄煤矿 Ⅲ634/6 工作面为例说明，煤厚 2.9 m，底板充水水 源为山西组三灰、 四灰含水层和奥陶系灰岩含水层， 如图 1 所示。 图 1朱庄矿Ⅲ634/6 面煤层位置关系示意图 Fig.1Coal seam location of working face III634/6 in Zhuzhuang mine 三灰厚度8m，四灰厚度12m，富水性中等强， 岩溶裂隙发育， 两层灰岩顶界面距离6 煤底界7480 m， 两层灰岩水压为 4 MPa，突水系数 0.054 MPa/m，工作 面底板经常出现渗水，随时面临三灰、四灰突水危险。 奥灰距离 6 煤底界 230260 m，底板承受水压 67MPa， 富水性强极强， 突水系数0.0230.03MPa/m， 奥灰含水层与三灰、 四灰含水层存在一定水力联系， 当发育隐伏构造时，矿井水害威胁大。 在正常地层块段，煤层回采后，底板破坏深度 未发育至三灰或四灰，底板灰岩含水层对矿井威胁 相对较小。但由于淮北矿区断层裂隙发育，甚至发 育有岩溶陷落柱，奥灰含水层可补给太灰含水层， 然后通过煤层与太灰含水层之间的垂向导水通道， 对矿井构造水害威胁。 整体而言，淮北矿区煤层底板存在三灰、四灰 和奥灰 3 个高压强富水含水层，含水层之间存在水 力联系，各强富水含水层均可通过断层裂隙或陷落 ChaoXing 144煤田地质与勘探第 46 卷 柱等垂向导水通道对矿井生产构成水害威胁，矿井 水害属于“高水压复合灰岩水害”类矿井。 2.2淮南矿区煤层底板灰岩水害特征 淮南矿区煤层底板灰岩水害特征以潘二煤矿 12123 工作面为例说明，煤厚 4.5 m，底板主要充水 含水层包含太灰含水层和奥灰含水层，煤层与各含 水层相对关系如图 2。 图 2潘二矿 12123 面煤层位置关系示意图 Fig.2Coal seam location of working face 12123 in Pan’er mine 太原组灰岩包含三组， 分别为 C3Ⅰ、C3Ⅱ组含 五灰、六灰和 C3Ⅲ，富水性均较弱，C3Ⅱ组和 C3 Ⅲ组灰岩一般视为隔水层。整体而言，对于矿井存 在水害威胁的主要为 C3Ⅰ组灰岩。 奥灰与 3 煤距离约为 155 m，富水性中等强， 煤层底板承受水压4.5 MPa， 突水系数0.029 MPa/m， 没有构造危害时可以安全开采。2017 年 5 月 25 日， 12123 工作面底抽巷联络巷底板突水，最大突水量 约为 14 500 m3/h，矿井部分被淹。突水通道为非典 型的隐伏陷落柱裂隙带复合体， 上部为贯通型核心 裂隙区和影响区，下部为陷落柱，其顶界发育到太 灰底部。 淮南矿区 3 组太灰含水层富水性较弱， 对矿井威 胁较小，主要充水水源为奥灰含水层， 一般情况下奥 灰与煤层之间没有直接水力联系， 根据区域构造发育 情况， 陷落柱一般发育至十一灰， 导水通道为底部发 育隐伏陷落柱、 上部发育集中裂隙带， 奥灰含水层通 过隐伏陷落柱裂隙带复合体对矿井构造威胁。 整体而言，淮南矿区煤层底板奥灰含水层水害 威胁特征为煤层底板隔水层不完整，存在隐伏导水 构造垂向导水通道， 属于“厚层非完整隔水层灰岩水 害”类矿井。 3煤层底板灰岩水害区域超前探查治理技术 3.1高水压复合灰岩水害探查治理技术 淮北矿区矿井属“高水压复合灰岩水害”类矿 井，煤层底板存在多个高压强富水含水层，含水层 之间存在水力联系，其中三灰、四灰岩溶裂隙发育， 可直接形成垂向导水通道，对矿井构造直接威胁。 为消除底板各灰岩含水层水害隐患，须封堵三灰以 上导水通道。鉴于三灰突水系数小于 0.06 MPa/m， 发育稳定，含水层内部岩溶裂隙比上下层发育，有 利于在钻探和注浆过程中探查和封堵，因此利用定 向水平孔顺层探查改造三灰含水层，从区域上最大 限度地超前揭露岩溶裂隙，增强注浆改造效果，与 此同时，注浆改造后的三灰能有效阻隔其以下灰岩 水[13-14]。 以淮北朱庄煤矿Ⅲ634/6 工作面区域探查治理 工程为例，在地面共布置扇形定向水平主孔 4 个， 21 个分支孔，孔间距为 60 m，如图 3。选取与 6 煤 间距 7480 m 发育较为稳定的三灰作为目标治理 层，注浆改造三灰含水层的同时，也阻隔了其下部 含水层的导水构造。 图 3朱庄煤矿Ⅲ634/6 工作面钻探施工图 Fig.3Drilling plan of working face III634/6 in Zhuzhuang mine 朱庄煤矿工作面底板以三灰含水层作为目标探 查治理层，因厚度较薄，岩溶裂隙发育有限，注浆 腔体为相对封闭型空间[12]。当奥灰与三灰含水层存 在隐伏陷落柱等导水构造时，注浆腔体构造为半封 闭型。 针对半封闭封闭型注浆腔体，注浆过程中应 采用“高密度低压充填低密度高压劈裂式注浆”方 式，即钻探工程中当揭露大裂隙腔体时，先采用大 流量低压充填方式将半封闭空间底部加固，封堵奥 ChaoXing 第 4 期郑士田 两淮煤田煤层底板灰岩水害区域超前探查治理技术145 灰含水层与薄层灰岩之间的导水通道，形成注浆基 底，然后注浆逐渐起压，形成高压对薄层灰岩进行 高压劈裂，低压充填和高压劈裂可循环重复，使注 浆扩散半径达到分支孔孔间距要求，通过区域范围 内各分支孔探查治理施工， 最终完成封堵通道含水 层改造双重目的[15-16]。如朱庄煤矿Ⅲ634/6 工作面 D-2 分支孔注浆过程为低压充填、高压劈裂、低压 充填、高压劈裂和高压裂隙加固 5 个阶段，各阶段 可循环重复。如图 4。朱庄煤矿自 2013 年开始启动 “低压充填高压劈裂式注浆”方式改造复合灰岩水 害，至今已完成 8 个工作面区域治理，解放储量约 600 万 t，目前已安全回采 2 个工作面，采煤 121 万 t。 图 4朱庄煤矿Ⅲ634/6 工作面 D4-2 定向分支孔 注浆压力曲线 Fig.4Grouting pressure curve of directional branch borehole D4-2 in working face III634/6 of Zhuzhuang mine 3.2厚层非完整隔水层灰岩水害探查治理技术 淮南矿区矿井属“厚层非完整隔水层灰岩水害” 类矿井，煤层底板主要充水水源为奥灰含水层，奥 灰多以隐伏陷落柱裂隙带复合体对矿井构造威胁， 煤层底板灰岩水防治的主要任务为探查封堵垂向导 水通道[17]，由于导水通道的发育特征为底部构造裂 隙空间大，上部裂隙空间小，从探查治理角度而言， 上部裂隙空间易于封堵，但从钻探角度而言，增加 了钻孔揭露断层裂隙的难度，因此在淮南矿区选用 定向水平从平面上探查垂向导水通道，并且利用低 密度高压水泥浆液连续注浆的方式补充探查孔间距 之间的空白带，弥补钻探“一孔之见”的弊端，一方 面增加了揭露岩溶裂隙的概率，另外一方面当发现 导水通道时易于封堵。 以潘二煤矿 12123 和 12223 工作面区域探查治 理工程为例，在地面共布置 5 个扇形多分支定向水 平孔，32 个分支孔，如图 5，分支孔孔间距为 60 m。 由于五灰发育稳定，平均厚度为 4.6 m，与 3 煤距离 60 m，满足奥灰突水系数要求，故选取五灰作为目 标层，主要探查与治理隐伏裂隙导水通道。当注浆 封堵五灰垂向导水通道后，直接切断了奥灰含水层 与工作面之间的水力联系，保证工作面不受奥灰水 威胁。 图 5潘二煤矿 12123 工作面钻探施工图 Fig.5Drilling plan of working face 12123 in Pan’er mine 潘二煤矿太灰含水层构造裂隙多以隐伏陷落柱 裂隙带复合体形式存在，陷落柱发育高度低，太灰 含水层中裂隙空间小，裂隙连通性差，注浆腔体为 相对封闭独立型空间。 针对封闭独立型注浆腔体，必须结合高压注浆劈 裂地层原生裂隙方式综合查找隐伏导水通道，然后注 浆封堵，因此需采用“连续高压劈裂注浆”方式。利用 低密度高压水泥浆液代替钻探对裂隙通道进行探查。 以潘二煤矿 12123 工作面 8-6 定向分支孔注浆过程为 例，如图 6，该钻孔先期注浆压力上升极快，当达到 7.7 MPa 高压力之后，劈裂岩石裂隙通道，注浆压力 降为 0 MPa，表明探明较大的岩溶裂隙腔体，随后持 续注浆之后，压力发生 3 次小幅下跌，表明注浆探明 3 个较小裂隙腔体。潘二煤矿采用“低密度连续高压劈 裂注浆”方式探查治理了 12123 和 12223 工作面， 即将 回采，解放煤层资源储量 3 煤 200 万 t，1 煤 230 万 t。 ChaoXing 146煤田地质与勘探第 46 卷 图 6潘二煤矿 12123 工作面 8-6 定向分支孔注浆压力曲线 Fig.6Grouting pressure curve of directional branch borehole 8-6 in working face 12123 of Pan’er mine 综上所述，针对两淮煤田不同的煤层底板水害 特征，采用的区域超前探查治理技术各不相同，具 体如表 1。 4结 论 a. 依据两淮煤田煤层底板水害特征分析，淮北矿 区煤层底板灰岩水害主要是由于存在多个高压强富水 含水层， 属于“高水压复合灰岩水害”类矿井。 淮南矿区 煤层底板奥灰水害主要由于隔水层不完整，存在隐伏 导水构造，属于“厚层非完整隔水层灰岩水害”类矿井。 表 1注浆改造方法一览表 Table 1List of grouting reconstruction 类型典型矿区目标层目标层特征改造目的注浆腔体特征注浆方式 高水压复合灰岩 探查治理 淮北矿区三灰 高水压、复合富 水灰岩含水层 探查改造薄层灰岩，封堵垂 向导水通道 半封闭封闭型 空间 高密度低压充填低密 度高压劈裂式注浆 厚层非完整隔水层 奥灰探查治理 淮南矿区五灰 隔水层厚度大， 不完整 探查封堵垂向导水通道 封闭独立型 空间 连续高压劈裂充填式 注浆 b. 定向水平孔钻进技术在煤层底板灰岩水超 前区域探查治理中应用广泛，弥补了常规回旋钻覆 盖率低的特点。 c. 两淮煤田因水文地质条件差异，底板超期区 域探查治理技术各有特征，淮北煤田底板存在多个 高压强富水含水层， 应采用高密度低压充填低密度 高压劈裂式注浆方法； 淮南煤田底板隔水层不完整， 应采用低密度连续高压劈裂注浆方法。 参考文献 [1] 赵庆彪，赵兵文，付永刚，等. 大采深矿井地面区域治理奥灰 水害关键技术研究[J]. 煤炭科学技术，2016，44814–20. 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