区域探查治理技术在构造治理方面的应用及效果验证

郭晓帅

（中国煤炭地质总局 第一水文地质队，河北 邯郸 056004）

0 引 言

构造导致底板突水是常见的矿井水害形式之一[1]，由于断层等构造附近地层较破碎，井下钻进困难且受涌水的影响，井下注浆制浆受限且注浆压力较低[2]。因此，选取合适的钻进成孔工艺配合适宜的高压注浆方式，对断层带超前区域探查治理具有重要意义。地面定向区域探查治理技术施工难度小，相比井下治理施工风险小，注浆压力高，可实现区域超前探查、治理，适用于不同规模的断层带治理，效果良好。本文重点介绍基于地面超前区域探查治理技术对断层的治理技术及效果验证。其特点在于易于施工，可连续性高压注浆，实现超前区域治理，改造目的层隔水性能，阻断深部高压岩溶水与待采煤层间的水力联系，从而防止底板突水对生产的威胁[4]。

1 技术方案

（1） 通过前期地质勘探，确定构造发育情况。

（2） 确定治理目的层及目的层位的构造发育情况，预先选定距离煤层底板一定距离且治理后可满足采煤工作面突水系数不大于0.1 MPa/m 的空隙较发育具有注浆条件的含水层作为目的层。

（3） 根据前2 项手段获取的各项数据，确定平面治理范围。

（4） 根据治理范围确定地面井场位置、地面钻孔数量、分支孔数量、钻孔设计深度等，从而进行钻孔轨迹设计。分支孔宜与断层（或裂隙、构造破碎带） 走向垂直或大角度斜交。分支孔间距应根据目的层可注性、注浆材料的扩散性确定，不宜大于60 m，水垂比不宜大于1.5，分支孔仰角不宜大于5°，分支孔应控制整个探查治理范围。一般采取三开井身结构，分支孔的孔径152.4 mm[5]。

（5） 钻探探查施工，具体为：①首先施工直井段；②然后施工造斜段用于连通直井段与目的层水平井段，造斜段施工完毕应下入相应技术套管并固井，二开技术套管用于充当后期的注浆通道，需进行打压试验保证固井质量，直井段和造斜段合并计为主井；③进而在主井底部顺目的层为按照设计顺序依次施工近水平分支孔，直至完全覆盖平面治理范围。

（6） 注浆。依据设计注浆原则，钻探过程中若满足注浆条件时对已钻进孔段进行高压注浆，单个分支孔钻探过程中不需要分段注浆的，分支孔施工完毕后进行全孔段注浆，孔内浆液扩散凝固后形成设定厚度的隔水层。注浆方式采用分段下行式（前进式），孔口封闭静压注浆法进行注浆[6]。注浆浆液可选择单液水泥浆、水泥—黏土浆、水泥—粉煤灰浆等多种浆液形式，必要时可添加骨料。

（7） 验证治理效果，采掘活动进行之前于井下施工定向验证孔验证地面探查治理效果。

2 实施案例

2.1 井田及采区水文地质条件

2.1.1 地质构造特征

淮南顾北煤田东西长100 km，南北宽35 km，是华北型煤田最南端的整装煤田。该矿井位于陈桥背斜东翼与潘集背斜西部的衔接带，总体构造形态为走向南北，向东倾斜的单斜构造，地层倾斜平缓，倾角5°~15°，并有发育不均的次级宽缓褶曲和断层。根据次级褶曲和断层的发育特征，可以划分为3 个区，北部简单单斜区、中南部“X”共轭剪切区、南部单斜构造区[7]。其中中央1 煤采区总体为一单斜构造，采区中部发育一小型宽缓背斜，起伏不大。采区以断层构造为主，区内落差大于5 m 的断层发育9 条。

2.1.2 地层及水文地质特征

该煤田为全隐伏煤田。据钻探揭露，其地层自老至新有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、新近系、第四系[8]。主要可采煤为二叠系山西组和上、下石盒子组。含可采煤层8 层，平均可采总厚22.61 m[7]。煤系地层的顶部为古近系、新近系松散沉积地层，厚度0 ～500 m。矿区主要含水层由新生界松散砂层孔隙含水层（组）、二叠系砂岩裂隙含水层（组） 和1 煤底板灰岩岩溶裂隙含水层（组） 等组成[8]。奥陶系富水性为弱—中等富水性[9]。

根据该矿煤层底板灰岩水文地质条件地面补充勘探情况，底板灰岩水富水性弱—中等，富水性不均一，底板隔水层厚度小，灰岩水头压力大，局部断层具导水性，不能排除断层带是否导水。

2.2 钻孔设计

2.2.1 平面治理范围

采区工作面顺槽、切眼外扩30 m 为界，中央1 煤采区1.035 Km2。

2.2.2 钻孔平面轨迹设计

地面布置3 个井场，2 号井场2 个孔组，4 号井场1 个孔组，5 号井场2 个孔组，分别为N1 孔、N2 孔、N4 孔、N4-1 孔、N5 孔，分别施工多个分支水平孔对断层带治理范围进行无盲区全面覆盖。相邻分支孔间距不大于60 m，尽量布置下行孔，水平段与断层平面上呈大角度斜交。

2.2.3 钻孔剖面轨迹设计

水平分支段设计顺太原组Ⅱ组灰岩底部C39灰层位钻进，垂向上距1 煤底板间距78 m。

2.3 含水层改造技术

2.3.1 钻孔轨迹控制

采用三开钻孔结构，一开：孔径为311 mm，钻进至基岩下3 ~ 10 m 稳定地层，下入φ244.5 mm×8.94 mmJ55 石油套管，水泥固井，隔离松散地层，N1~N4 孔需在新生界造斜。二开：孔径为216 mm，钻进至9 灰或者9 灰顶板砂岩层位，下φ177.8 mm×8.05 mmJ55 石油套管，水泥固井并进行打压试验。三开：孔径152 mm，裸孔，沿目的层钻进直至终孔[10]。

钻具组合。一开段：φ311 mm 牙轮（PDC）钻头+φ216 mm 螺杆+φ216 mm 定向短接（MWD组合） +φ165 mm 钻铤+φ127 mm 钻杆+133×133四方立轴。二开段：φ216 mmPDC（或牙轮） 钻头+φ165 mm 螺杆钻具+φ165mm 定向短接（MWD组合） +φ165 mm 无磁钻铤+φ165 mm 钻铤+φ127 mm 钻杆柱+133×133 四方立轴。三开近水平段：φ152 mmPDC（或牙轮） 钻头+φ120 mm螺杆钻具+φ120 mm 定向短接（MWD 组合）+φ121 mm 无磁钻铤+φ89 mm 钻杆柱+φ89 mm加重钻杆柱+133×133 四方立轴。

2.3.2 定向钻孔轨迹控制

一开钻孔轨迹采用实时井斜监测，保证垂直度。造斜段及水平段钻孔轨迹采用MWD 正脉冲定向仪器（含伽玛探管） 进行随钻测量，测点间距不大于10 m。设计狗腿度8.5°~ 10 °/30 m。钻进过程中结合录井、随钻伽马等手段，准确判断地层变化，确保实测轨迹与设计轨迹平面投影偏差不超过2 m。

2.4 注浆工艺

2.4.1 一般原则

根据注前压水试验计算的含水层吸水率选择浆液比重[11]，遵循先稀后稠原则，注浆方式采用孔口止浆、高压注浆法。当连续注浆水泥超过钻孔预计注浆量，且孔口压力没有明显变化时，可采用间歇注浆，间歇时间不低于12 h。采用间歇、复注等措施无效时，采用添加细砂作为骨料对地层进行注浆充填。

2.4.2 注浆材料

注浆材料为32.5 硅酸盐水泥，不允许使用受潮、结块或过期的水泥，其质量应符合国家GB175-2007 标准。造浆用水水质须满足国家混凝土用水标准（JGJ 63-2006），其SO42-含量应＜2 700 mg/L，pH＞4。水泥单液浆中可加入0.03%～0.05%三乙醇胺和0.3%～0.5%食盐作为早强剂。浆液比重1.3～1.5，特殊情况可调高至1.6。泵量10～40 m3/h。

2.4.3 注浆结束标准

终压不小于奥陶系灰岩含水层静水压力的1.5倍，泵量不大于60 L/min，并持续30 min 以上。

2.4.4 完成工程量

完成43 个水平钻孔，钻探工程量33 092.96 m，50 次注前压水试验、47 次注后压水试验，累计注浆279 323.95 m3，用水泥155 389.92 t、砂173.86 t、工业盐14 350 kg、三乙醇胺1 435 kg。完成工程量平面布置如图1 所示。

2.5 治理效果检验

2.5.1 施工过程中自身验证

2.5.1.1 钻孔质量验证施工过程中采取分支孔间隔施工，钻孔质量、注浆过程及结束标准满足设计及相关规范要求。

2.5.1.2 钻探过程中简易水文观测验证

下一分支孔钻进时根据简易水文观测成果检验前期注浆效果。如N2-4 孔钻进至断层附近冲洗液最大漏失量14 m3/h。经分段注浆加固后后期二次钻进时钻探到同样裂隙区时，冲洗液未发现漏失现象反而地层涌水0.35 m3/h，说明前期加固注浆效果良好。

图1 完成工程量平面布置示意Fig.1 The plane layout of completed engineering quantity

2.5.1.3 浆液扩散半径检验

在钻探过程中，相邻分支孔观测到岩屑中混合水泥碎屑的最近距离为36 m，相邻分支孔部分孔段间距60 m 可观测到水泥碎屑，如N2-5 孔注浆施工完成后，在其相邻钻孔N2-4 孔钻进至1 548.00 m 返出含有水泥碎屑的岩屑。N5-8 孔注浆施工完成后，在其相邻钻孔N5-12 孔钻进至1 345.00 m 返出含有水泥碎屑的岩屑。二是N2-7在9 灰段注浆，浆液从同一采区4 号井场的N4-10孔9 灰水平井定向（孔深1 052 m） 孔口跑浆，浆液有效扩散距离169 m 以上。说明扩散半径大于设计值30 m，可以保证水泥浆液扩散至全区覆盖。

2.5.1.4 压水试验验证

注前压水试验，N2 孔组的分支孔相邻分支孔受注段单位吸水率大多随施工顺序呈减小趋势，说明前期的注浆对后续受注孔段产生影响，同时后续施工孔段的单位吸水率减小也验证了前期注浆充填效果。

注浆前后吸水率对比，各分支孔注后单位吸水率明显小于单孔注前单位吸水率，验证各分支孔的注浆效果，见表1。

表1 注浆前、后吸水率对比Table 1 Comparison of water absorption rate before and after grouting

2.5.1.5 单米注浆量验证

局部来看，间隔施工后，中间钻孔的单米注浆量呈现处明显降低现象，整体来看前期施工钻孔单米注浆量高于后期施工钻孔，说明前期施工区域注浆对后续施工区域起到一定的填充加固作用。

2.5.2 井下钻探验证

中央1 煤采区系统巷道掘进前及首采工作面煤、岩巷掘进前，井下施工了地面区域验证钻孔，钻孔间距不超过100 m，分别对治理目的层C39 灰和其上部C33 下灰层位进行了验证，经验证，未出现异常涌水现象，地面区域探查治理效果良好。

3 结 语

预先选定距离煤层底板一定距离且治理后可满足采煤工作面突水系数不大于0.1 MPa/m 的空隙较发育具有注浆条件的含水层作为目的层，在目的层采用定向多分支水平井均匀分布，改造目的层隔水性能，阻断深部高压岩溶水与待采煤层间的水力联系，防止底板突水的威胁。超前区域探查治理特点是“超前主动、源头预防、区域治理、治保结合”，治理原则为坚持奥陶系灰岩水与太原组灰岩水防治并重、区域超前探查治理。

采用地面定向钻进技术，于目的层施工多个水平分支孔均匀分布覆盖治理范围，注浆治理后将目的层改造为隔水层，对构造进行超前区域治理，满足安全开采的需要。此方法施工难度小，相比井下治理施工风险小，注浆压力高，可实现区域超前探查、治理，适用于不同规模的断层带治理，治理效果好。