定向构筑阻水塞在陷落柱治理中的应用

张晓楠，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

岩溶陷落柱严重威胁矿井安全开采，其治理也是重点关注的对象，通常采用截、堵及留设保护煤柱等形式进行治理。从根本上对陷落柱进行治理一直是人们探索的方向，本文介绍了淮南矿区顾北煤矿采用地面定向技术，在前期勘探成果的基础上，对陷落柱采取上下双层交圈超前精准区域探查治理的模式进行彻底防治。地面施工2 个孔组19 个地面定向水平钻孔，分为上下2 个目的层对陷落柱影响区形态进行探查，并进行高压注浆治理，于陷落柱影响区顶部形成阻水塞，切断深部岩溶水与煤层间的水力联系[1]。

1 矿井地质及水文地质条件概况

1.1 井田地质

矿区钻孔揭露地层自上而下依次为新生界（第四系、第三系） 松散层、二叠系煤系、石炭系（上统） 和奥陶系海相地层[2]。可采煤层8 层，平均可采总厚22.61 m[3]。

1.2 井田水文地质

井田含水层（组） 自上而下主要有4 部分组成，分别为新生界松散砂层孔隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层、石炭系太原组及奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层[4]。其中石炭系太原组岩溶裂隙含水层分成3 个含水组：C3Ⅰ灰岩含水组（1～3下灰）、C3Ⅱ灰岩含水组（4～9 灰）、C3Ⅲ灰岩含水组（10～12 灰）[5]。太原组灰岩岩溶裂隙发育不均一。奥陶系岩溶裂隙含水层为弱—中等富水性。

1 煤层底板承受的灰岩水头压力约6.7 MPa，底部奥灰水可沿构造裂隙直接与太灰含水层组发生水力联系。

2 陷落柱治理方案

2.1 陷落柱特征分析

三维地震解释发现了疑似岩溶陷落柱后，2014—2015 年，对2 号疑似陷落柱进行了地面钻探探查，完成地面探查钻孔7 个、钻探进尺5 754.18 m，二叠、太灰、奥灰、寒灰混合或单层（组） 抽水试验27 次，以及声波测井和井温测试等，实施拟流场测漏7 孔12 次。

经探查，确定2 号疑似陷落柱为顶界发育在C312 层位、基底在寒灰中的充水、导水型岩溶陷落柱，推测其在-850 m 长轴103 m，短轴84 m，面积6 252 m2。其富水性及导水性极强，水文地质条件复杂。陷落柱影响到4 煤底板骆驼钵砂岩，4煤以上地层与陷落柱无水力联系，对一水平北一1煤采区回采有较大影响。

2.2 陷落柱治理理念

采用地面定向钻进技术，地面布置2 个地面主井，在陷落柱影响区治理范围内实施上下交叉探查、双层注浆治理的模式，探查可能存在的隐伏导水构造、深部奥灰导水通道和岩溶发育区，并对钻进过程中揭露的灰岩溶隙、裂隙以及垂向导水构造进行高压注浆封堵[6]，消除可能存在的垂向导水通道，隔断奥灰与太灰间水力联系。

2.3 工程施工情况

钻孔结构采用三开结构，一开孔径为311 mm，下入φ244.5 mm×8.94 mmJ55 石油套管，水泥固井，隔离松散地层。二开孔径为φ216 mm，采取定向钻井，钻进至目的层位斜深5 m，下φ177.8 mm×8.05 mmJ55 石油套管，水泥固井并进行套管耐压试验。三开孔径φ152 mm，裸孔，全部在目的层位钻进，直至终孔位置。钻进过程中配合岩屑录井、伽马录井、钻时录井、钻井液录井、简易水文观测、井温、跟层率等参数综合分析地层发育情况[7]。注浆遵循先稀后稠原则，注浆方式采用孔口止浆、静压下行高压注浆法，连续注浆与间歇注浆相结合。注浆材料采用32.5 矿渣硅酸盐水泥，特殊情况时添加早强剂及骨料。注浆终压不小于钻孔水平段所在位置奥灰含水层静水压力的1.5 倍，钻孔吸浆量不大于60 L/min，并持续不少于30 min。

投入2 台石油ZJ30 钻机及相应配套的附属设备，施工2 个地面孔组，N9 孔组选择上层治理目的层位太原组C33下灰层位，共施工8 个分支孔，累计注入水泥90 425.9 t，砂118.2 t，工业盐5 104 kg，三乙醇胺510.4 kg。；N8 孔组选择下层治理目的层位太原组C39灰对应深度层位上，共施工11个分支孔，累计注水泥88 998.22 t，粉煤灰597.76 t，砂410.6 t，工业盐900 kg，三乙醇胺90 kg。每个孔组各选择1 个分支孔进行注浆后效果验证孔。完成工程量平面布置及施工顺序如图1 所示。

图1 完成工程量平面布置及施工顺序Fig.1 The plane layout and construction sequence of completed engineering quantity

2.4 工程质量评述

对施工钻孔的工程质量按照表1 进行评述，均达标。

3 陷落柱治理效果分析

3.1 探查成果分析

2 个孔组同时施工，遵循分支孔间隔施工的原则，N8 孔组由陷落柱中心向外侧施工，N9 孔组由陷落柱外侧向中心施工。位于陷落柱正中心的下层钻孔N8-4 孔于孔深1 212.00 m 钻井液失返，N8-5 孔钻井液未出现明显漏失，但终孔压水试验压力为0，其余各孔压水试验吸水率为0.000 7 ~ 0.008 3（L/min.m.m)。上层目的层钻孔N9 孔组各分支为发现钻井液异常漏失现象。各分支孔采用间隔施工的方式，分支孔之间互相检校注浆效果，通过岩屑中发现水泥位置分析注浆扩散半径大于40 m。施工过程中未发现上下两层目的层钻孔串浆现象。

表1 工程质量评述标准Table 1 Standard for engineering quality evaluation

3.2 注浆成果分析

各分支孔注浆结束压力均不小于为奥灰静水压力的1.5 倍，最大的达到了1.75 倍，注浆初压为0~8.9 MPa，注浆终压为7.7~11 MPa，实际注浆量是预期的2.02 倍。注浆量由施工先后顺序基本呈减少趋势，下层陷落柱影响带中心的N8-4、N8-5分支孔单位吸浆量分别达到了24.62 t/m、38.80 t/m，而该孔组最后施工的N8-9 单位吸浆量只有7.80 t/m；同样N9 孔组先施工的N9 主孔、N9-1、N9-2 分支孔吸浆量分别达到了21.70、53.97、31.39 t/m，后期施工而且是位于陷落柱影响带中心的N9-4 分支孔单位吸浆量仅仅只有8.37 t/m，说明后期施工的钻孔很好的验证了前期施工的注浆效果，其治理区裂隙已得到较好充填。

3.3 治理效果验证

3.3.1 返出岩屑验证

自第二个施工的分支孔均在钻进时返出岩屑中一直夹杂着大量水泥碎屑，而且钻进速度同比相对较慢。

3.3.2 注后压水试验验证

注后压水单位吸水率比注前压水单位吸水率明显大幅减少，变化幅度最大的是N8-4 和N8-5 分支孔，从注前压水的没有压力，注后压水单位吸水率分别减少到了0.0005 和0.000 6 L/ min.m.m，其余钻孔大部分也有60%的缩减，甚至有的达到了86%的缩减。N8 孔组注前、后吸水（浆） 率对比图如图2 所示，N9 孔组注前、后吸水（浆） 率对比图如图3 所示。

3.3.3 验证孔验证

为了进一步的对前期注浆治理效果进行验证和巩固注浆效果，特别对N8-5 分支孔和N9 主孔进行透孔复注兼作验证孔。

透孔后注浆前压水试验数据显示，单位吸水率分别是0.001 3 L/min·m·m 和0.001 L/min·m·m，明显比其余分支孔注前压水单位吸水率要小的多，说明前期注浆治理效果明显，地层裂隙已得到充填。

图2 N8 孔组注前、后吸水（浆） 率对比Fig.2 Comparison chart of water(grout)absorption rate before and after injection in No.N8 hole group

图3 N9 孔组注前、后吸水（浆） 率对比Fig.3 Comparison chart of water(grout)absorption rate before and after injection in No.N9 hole group

4 结 论

（1） 此次治理累计注浆179 424.13 t 水泥，是设计注浆量（8.9 万t） 的2.02 倍。

（2） 各分支孔注浆终压均不小于为奥灰静水压力的1.5 倍，最大的达到了1.75 倍（N8-1 分支孔），注浆初压为0 ~ 8.9 MPa，注浆终压为7.7 ~11 MPa；注浆结束泵量均控制60 L/min；各分支孔注后单位吸水率后单位吸水率为0.000 9 ～0.001 6 L/min·m·m，远小于设计要求的0.01 L/min·m·m。各分支孔均达到设计注浆结束标准。

（3） 注浆期间未发生串浆情况，说明C33 下灰与C39 灰之间垂向裂隙不发育地层完整或者垂向裂隙已经被浆液充填，阻断了上下两层水力联系。

（4） 后期施工的注浆钻孔比先期施工的注浆钻孔注浆量、单位吸浆量均大幅度减少，说明前期注浆充填了治理区域内大部分地层裂隙。

（5） 后期注浆钻孔返出的岩屑中能看到大量已经凝固的水泥块，钻孔吸浆量明显下降，并且整体呈现涌水状态，表明浆液扩散半径达到并超过孔间距，浆液扩散范围有效覆盖治理区域。

（6） 对N8-5 分支孔和N9 主孔进行透孔复注兼作验证孔，注前压水单位吸水率比前期大幅减少，说明该区域注浆治理后地层渗透性差，地层裂隙已得到较好的充填，注浆效果良好。

（7） 2 号陷落柱有效治理面积为107 591 m2，是设计治理面积（74 667 m2） 的1.44 倍，且做到无盲区全覆盖。

（8） 从现有的验证手段来看，陷落柱治理效果良好，但是在该区域采掘活动前，须从井下对2号陷落柱影响带治理区范围采取物探和钻探等手段，进行进一步验证[11]。