陳四樓煤礦地面定向鉆孔超前區域治理底板巖溶水害技術

趙偉，劉洲，王琦，李文江

摘要：為了進一步提高極復雜地質構造下礦井底板巖溶水害區域治理技術的有效性，降低底板突水的危險性，解決礦井區域水害治理過程中面臨的太原組上段灰巖含水層巖溶裂隙發育、水壓高、富水性強、井下鉆孔工程量大、施工工期長等安全技術難題，通過分析礦井近年來區域治理后工作面底板出水案例及特征，提出了地面定向鉆孔超前區域治理底板巖溶水害技術。以陳四樓煤礦南翼九采區2901、2903試驗工作面開采為背景，選取了L8灰巖含水層作為目標層位，設計了地面定向孔組的技術參數，并通過現場試驗測試分析了治理前后的二2煤底板水壓和各鉆孔的吸水率。結果表明：注漿后各鉆孔的吸水率呈現明顯的下降趨勢，Z2和Z3孔組鉆孔平均吸水率分別下降97%和94%，經過定向鉆孔超前注漿加固底板太原組上段灰巖后，巖溶裂隙得到了有效充填；治理后區內太原組上段L8灰巖內水壓下降至1.2～4.2 MPa，且水壓分布不再與地層埋深吻合，多呈孤島狀，太原組上段L8灰被改造為等效隔水層，底板突水系數下降至0023～0.057 MPa/m。技術成功應用實現了極復雜地質構造下強突水危險性工作面的安全高效回采，為同類礦井相似型綜采面的底板巖溶水害防治，探索出了一套新的方法。

關鍵詞：地面定向鉆孔；超前鉆探；高承壓水；隔水層；注漿加固

中圖分類號：TD 745文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2024）01-0084-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0109開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Advance regional control of karst water hazard in floor with?ground directional drilling in Chensilou coal mine

ZHAO Wei1，LIU Zhou1，WANG Qi2，LI Wenjiang2

（1.Chensilou Coal Mine，Henan Longyu Energy Co.，Ltd.，Yongcheng 476600，China；2.Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard，CCTEG Xian? Research Institute （Group） Co.，Ltd.，Xian? 710077，China）

Abstract：In order to further improve the effectiveness of regional treatment technology for karst water damage in mine floor under extremely complex geological structure，reduce the risk of water inrush from floor，and solve the safety technical problems such as karst fissure development，high water pressure，strong water richness，large amount of underground drilling engineering and long construction period in the upper limestone aquifer of Taiyuan Formation in the process of regional water damage treatment in mine，the technology of advanced regional treatment of karst water damage in floor by surface directional drilling is put forward through the analysis of the cases and characteristics of water inrush from working face floor after regional treatment in recent years.Based on the mining of 2901 and 2903 test working faces in No.9 mining area of the south wing of the Chensilou coal mine，the L8 limestone aquifer was selected as the target horizon，and the technical parameters of the ground directional hole group were designed.Through the field test，the water pressure of the coal floor and the water absorption rate of each borehole before and after the treatment were analyzed.The results show that the water absorption rate of each borehole decreases obviously after grouting，and the average water absorption rate of boreholes in Z2 and Z3 borehole groups decreases by 97% and 94% respectively；karst fissures? are effectively filled after the limestone in the upper section of Taiyuan Formation is reinforced by directional drilling and advanced grouting.After treatment，the water pressure in the L8 limestone of the upper Taiyuan Formation in the area decreases to 1.2～4.2 MPa，and the water pressure distribution is no longer consistent with the buried depth of the stratum，mostly in an isolated island shape；the L8 limestone of the upper Taiyuan Formation is transformed into an equivalent aquifuge，and the floor water inrush coefficient decreases to 0.023～0.057 MPa/m.The successful application of the technology has realized a safe and efficient mining of working face with strong water inrush risk in extremely complex geological structure，and explored a new set of water disaster prevention and control technology for floor karst water disaster in similar fully mechanized mining face of similar mines.

Key words：ground directional drilling；advanced drilling；high pressure water；water-resisting layer；grouting reinforcement

0引言

中國華中地區煤炭資源開采受承壓含水層威脅嚴重，采場底板突水事故已成為僅次于瓦斯事故的礦井重大災害[1-2]。隨煤礦開采深度的不斷增大，在采動裂隙和底板承壓水的耦合作用下，采場底板灰巖突水事故頻率進一步增加，高承壓水已對華中煤田深部開采正常接替和安全生產構成了嚴重威脅[3-4]。為了防止煤礦巷道開掘或煤層開采過程中底板發生突水事故，確保礦井安全生產，選擇合理有效的煤層底板水害防治技術至關重要，工程實踐證明，通過煤層底板注漿防治水害技術是解決此類事故最為有效的方法之一[5-7]。以往煤層底板含水層注漿改造一直采用常規直孔注漿，但由于鉆孔遇含水層孔段較短，需要布置較為密集的鉆孔來達到改造目的，并且需要依托井巷工程實施[8-10]。同時，注漿工藝也面臨注漿盲區大、目標位置不準確、注漿效果差等問題，使巷道掘進過程中水害難以高效探查與治理。而地面定向近水平鉆孔鉆進[11-12]是采用先進的定向鉆孔鉆進技術和常規鉆孔鉆進注漿技術相結合，在地面布置定向鉆機，利用鉆機進行直孔段和造斜段的施工，使鉆孔達到底板水害治理目標層位并最終變為沿目標巖層走向順層鉆進，同時在井下形成多個分支孔，增加了鉆孔在目標層的有效孔段長并實現了區域超前底板加固治理。

董書寧等首次提出利用水平定向鉆孔進行煤層底板注漿加固的理念，提出煤層底板注漿加固水平定向鉆孔的施工方法，大幅增加有效注漿孔段長度，提高鉆孔揭露裂隙帶、含水體面積，減小注漿盲區，提高注漿改造效率[13-15]。隨后，超前區域治理理念在河北邯邢礦區、安徽淮北礦區煤層底板水害治理中大面積推廣應用[16-17]，并迅速發展到斷層、陷落柱等導水構造治理，形成了集超前區域探查與面狀治理于一體的煤層底板水害超前區域治理技術。該技術先后在河北峰峰礦區九龍、陜西焦坪礦區桑樹坪、安徽淮北礦區朱莊等煤礦成功應用[18-19]，并進一步推廣至安徽皖北和淮南、山東黃河北、河北邯邢、河南焦作等礦區[20-24]，地質條件復雜，取得了良好的治理效果，使水平定向鉆孔技術廣泛應用于礦井水害防治工程[25-28]。但在工程實踐中，地質條件復雜，水平定向鉆孔底板存在注漿設計缺乏依據、注漿改造工藝缺乏檢驗、注漿效果檢驗技術不可靠等問題，區域治理成本較高，治理效果難以準確評價。

永城煤電控股集團陳四樓煤礦區域水害治理過程中面臨太原組上段灰巖含水層巖溶裂隙發育、水壓高、富水性強、井下鉆孔工程量大、施工工期長等技術難題，礦井以往采用常規井下底板注漿加固治理，治理鉆孔反復、多次出水、治理效果不佳等問題，導致治理成本和工期增加，嚴重影響礦井生產接替計劃和安全高效生產。針對以上問題，以礦井南翼九采區2901、2903工作面為背景，引入地面定向鉆孔超前區域治理新技術，選取了L8灰巖含水層作為目標層位，設計了地面定向鉆孔超前區域底板水害治理技術參數，通過現場試驗測試對比分析了治理前后的二2煤底板水壓和各鉆孔的吸水率，對區域底板水害治理效果進行了驗證及評價。通過對試驗工作面底板太原組上段巖溶裂隙和構造情況的全面探查和注漿加固，保障了礦井生產接替計劃及安全高效生產。

1工程概況

1.1試驗工作面概況

陳四樓煤礦隸屬永城煤電控股集團，2020年核定生產能力為450萬t/a，該礦主采煤層共5層，目前正開采二2煤層，三1、三22、三4和三5煤層尚未開采。經鑒定陳四樓煤礦具有煤與瓦斯突出危險性，目前開采的二2煤屬于Ⅲ類不易自燃煤層，煤塵無爆炸危險性，煤層以及煤層頂底板無沖擊傾向性。該礦地質類型為極復雜，水文地質類型為中等，礦井涌水量正常為562 m3/h，涌水量峰值達1 034 m3/h。2901、2903試驗工作面為九采區的首采工作面，對應地面標高+33.91～+32.81 m，二2煤層底板標高-720～-850 m，工作面平均煤厚2.4 m，資源儲量211萬t。試驗工作面底板巖溶水害治理面積62.5萬m2，治理區里段發育一寬緩的向斜褶皺，地層傾角3°～24°，平均15°，走向北北東-南南東，傾向南南東-北西西。該區域二2煤底板距太原組上段L11灰巖（厚約2 m）約48.49 m，下距L10灰巖（厚約4 m）約59.61 m，下距L8灰巖（厚約11.18 m）約78.57 m，如圖1所示。

1.2治理區水文地質特征

陳四樓煤礦北翼水文地質條件簡單，南翼屬深部采區水文地質條件極為復雜。該礦歷史上共發生5次較大工作面底板出水，其中4次發生在南翼采區，南翼三采區2301工作面，出水量峰值200 m3/h；南翼五采區2501、2507工作面，出水量峰值分別為40 m3/h和175 m3/h；南翼十三采區21301工作面，出水量峰值190 m3/h。九采區同樣位于陳四樓煤礦南翼，并且地層埋深最大，地質和水文地質條件較其他采區更復雜，為整個礦井水害的重點治理區域。通過對治理區地質及水文地質條件進行分析，水害具有如下特點。

1.2.1區內構造復雜，煤層底板破碎

治理區位于陳四樓向斜起始端，發育有斷層16條，其中DF33和DF20落差分別達22 m和19 m，據物探顯示，這2條斷層均切割至太原組上段灰巖含水層，成為二2煤底板的直接導水通道。F901S3、DNF20和D5F19均為落差大于5 m的實揭斷層，掘進期間雖不導水，但回采過程中受地應力和高水壓影響，難以確保斷層不發生活化。陳四樓向斜為南翼主要控水構造，尤其是靠近2901工作面切眼的次級褶曲軸部，二2煤底板極為破碎（井下鉆孔多次發生塌孔），大大降低底板隔水層的有效厚度，安全回采風險增高。

1.2.2治理區內地層埋深大、水壓高

治理區煤層埋深-720～-850 m，太原組上段水壓最高可達7 MPa。沿-720 m大巷向治理區施工的觀5、觀6等鉆孔均揭露了太原組上段灰巖，其鉆孔涌水量在60～80 m3/h，水壓大于5 MPa，表明2901、2903試驗工作面水害威脅程度大、水壓高，存在較大的安全回采風險隱患。

2治理層位選擇

通過對該礦南翼其他相鄰采區開采實踐和九采區資料分析，此次治理區選擇二2煤底板太原組上段L8灰巖含水層作為水害治理目的層，其主要原因如下。

1）礦井歷史出水水源均為L8灰，水害威脅程度大。陳四樓煤礦南翼共發生4次工作面回采期間的出水，根據礦井的水量、水位觀測和水質化驗結果表明，4次突水水源均為太原組上段的L8灰含水層。

2）L8灰出水點多，注漿量大。通過對南翼九采區相鄰的十七采區21702工作面井下常規底板注漿改造揭露鉆孔的統計，該工作面共計施工199個鉆孔，鉆孔揭露出水層位主要位于太原組上段L8灰和L9灰，且L8灰和L9灰井下注漿量也相較其他層位注漿量大（分別占36.21%和25.16%），如圖2、圖3所示。因此，選擇L8灰為治理目標層一方面有利于最大揭露巖溶裂隙，另一方面注漿效果也可以得到保障。

3）L8灰巖溶最發育、厚度最大，順層難度小。依據礦方取芯資料，通過對太原組上段灰巖巖溶發育規律的分析，認為其巖溶發育程度由強至弱排序：L8>L9>L10>L11，以L8中段前、后2期巖溶最強烈，L11巖溶發育程度最低，呈現出“上弱下強”的特點。其中L8灰相較L9～L11灰巖溶發育規模和數量大且多，如圖4所示，開放性好，有明顯的流水痕跡。此外L8平均厚度11.18 m地面區域治理鉆孔順層難度小，質量有保證。

4）L8灰為治理目的層，滿足突水系數要求。九采區2901、2903試驗工作面二2煤底板主要充水含水層為太原組上段灰巖（L11～L8），其水壓5～7 MPa，L8灰巖是治理區內最厚且穩定的灰巖含水層，平均厚度11.18 m，上距二2煤層底板平均約78.57 m。若選擇L8灰巖作為治理目的層，經治理改造后，有效隔水層厚度可達到L8灰巖底部，即其二2煤底板有效隔水層厚度為90 m，突水系數滿足《煤礦防治水細則》相關要求。

綜上分析，選擇L8灰作為治理目的層，不僅可保證鉆探治理和注漿效果，在裂隙和構造發育部位，通過劈裂擴散注漿，還可實現對上部L9灰、L10灰和L11灰含水層及導水通道兼顧治理。

3地面超前區域水害治理方案設計

3.1技術原理

地面定向鉆孔超前區域治理底板巖溶水害技術是將地面注漿技術與隨鉆導向測量技術相結合，利用地面定向鉆孔實現區域水害超前注漿治理。地面導向鉆孔依次施工直孔段、造斜段及順層分支孔段。在礦井南翼九采區治理區域內的L8灰巖層中、上部順層鉆進，區域性超前探查煤層底板L8灰地層的溶洞裂隙及隱伏構造，并對L8灰及其上覆薄層灰巖（L9～L11灰）的巖溶裂隙和隱伏導水構造進行高壓充填注漿封堵，通過分段探注結合施工，有效封堵二2煤底板L8灰地層的溶洞裂隙及微裂隙通道，在煤層底板形成一個水平的“止水帷幕”，阻隔來自L8灰及下部含水層中的災害水源，以消除底板高壓灰巖水突水威脅。

該技術能在地表依次序施工地面多分支近水平順層鉆孔群，并呈扇狀發散分布，以便對治理區域二2煤層底板L8灰含水層的各類儲、含水空間和導水通道進行探查及注漿封堵，徹底切斷突水通道，阻斷L8灰及以下奧陶系灰巖水涌入工作面，實現超前治理底板突水災害的目標。

3.2鉆孔設計

底板含水層注漿治理的關鍵在于將注漿孔的漿料擴散面積盡可能地均勻布置在工作面回采區域內，2901、2903工作面探查治理區域長1 250 m，寬310 m，按照“全面覆蓋，不留遺漏”的設計原則[29-32]，結合井上下對照圖，設計在九采區2901、2903試驗治理區布置2個地面定向孔組Z2和Z3，孔組采取一個主孔與多個一級、二級分支孔的扇狀發散布置。目前普遍采用的漿液擴散半徑計算公式為何修仁提出的杜達克注漿充填模型[29-32]，計算公式為

R=Rck+K×ΔP×γBb×γn×μB×b0×mT（1）

式中b為試驗系數，水灰比為1∶1、1∶3和1∶8時，b分別為8.5，5.1和3.1，中間濃度用內插法確定b；Rck為注漿孔半徑，m；b0為裂隙平均開度，m；mT為巖層裂隙率；μB為水泥漿動力粘滯系數；γn，γB分別為巖層裂隙中漿液和水的容重，103 kg/m3；ΔP為沿液流方向的壓差，N/m2；K為巖層的滲透系數，m/d。

注漿孔半徑Rck為0.076 m。水灰比控制在1∶1.28～1∶3，b取5.14，注漿終壓控制在12 MPa左右，ΔP取1.2×106 N/m2。根據現場勘探陳四樓南翼L8灰巖溶裂隙極發育，b0取0.002 m，mT取1.3%，K取1.03 m/d，γn取1.3×103 kg/m3，γB取1×103 kg/m3，μB取1.27×107 N/m2。據此計算得出漿液擴散半徑為25.1 m，結合現場實際設計兩分支孔間距控制在50 m范圍內，覆蓋治理區及其外擴30 m范圍?？卓谖恢玫拇_定，需要考慮采空區、地面道路、水源和村莊等條件限制。重點針對注漿改造前物探結果中的工作面L8灰水量異常區，以及巷道切眼、停采位置和構造處等關鍵區域。具體鉆孔軌跡見平面布置如圖5所示。

治理區域共設計2個地面孔組Z2和Z3孔組，合計2個主孔，29個分支孔，設計總鉆探量21 230 m。Z2孔組主要治理九采區2901、2903試驗工作面外段，共設計1個主孔及13個分支孔，預計鉆探總工程量10 770 m，其中一開進尺200 m，二開進尺745 m，三開進尺9 825 m。Z3孔組主要治理九采區2901、2903試驗工作面里段，共設計1個主孔及16個分支孔，預計鉆探總工程量10 460 m，其中一開進尺200 m，二開進尺785 m，三開進尺9 475 m。

鉆孔一開孔徑為311 mm，下入表層套管（直徑為244.5 mm、厚度8.94 mm）至基巖，水泥固井，對第四系表土地層進行隔離；二開孔徑為216 mm，定向導斜，下入套管（直徑為200.3 mm、厚度1092 mm）至L8灰巖，水泥固井；三開孔徑為152 mm，沿治理目的層L8灰巖順層鉆進。兩級套管（一開直孔段和二開斜孔段）均使用水泥永久性止水處理。鉆孔結構示意如圖6所示。

3.3注漿設計

注漿工程主要目的：①充填揭露的地層中的溶隙和裂隙，趕走其內貯存的水；②充填加固治理鉆孔揭露的垂向導水構造，切斷治理區深部高承壓含水層與煤系地層的水力聯系。判斷鉆孔注漿效果好壞，以及巖層裂隙的發育程度，觀測鉆孔的注漿量是最直觀的方法，也叫孔內裂隙容漿量，區域注漿總量計算方法[29-32]為

Q=A×η×α×β（2）

式中Q為區域注漿總量，m3；A為漿液區域體積，m3；η為孔隙率，取0.5%～3%；α為地層充填有效系數，取0.8～0.9；β為漿液消耗系數，取1.1～13。

根據九采區2901、2903工作面地質條件和注漿鉆孔設計參數，A取4.162 5×106 m3，η取13%，α取0.8，β取1.1，代入式（2）計算得到區域注漿總量約為47 619 m3。選用注漿材料密度取1 300 kg/m3，合計注漿量預計約61 905 t。

在地面建設一座臨時注漿站，要求具備300 t儲灰能力，配備TBW-390泵9臺套，設計最大注漿能力達到1 000 L/min，用于滿足底板灰巖區域治理的注漿需求。注漿站位置距Z2和Z3的距離分別為400 m和1.1 km，其最大漿液傳輸壓降≯2 MPa。注漿材料為普通硅酸鹽水泥，要求標號32.5及以上，水灰比控制在1∶1.28～1∶3。采用單液水泥漿注漿，連續攪拌法制漿工藝，并采用孔口密閉分段下行注漿方式，采取先稀后濃、能注盡注原則。進入目標治理L8灰巖層位水平段后，如果鉆遇漏失層段要詳細記錄深度、漏失量、液位等數據。漿液漏失大于10 m3/h，就立即停止鉆進開始注漿。

鉆孔在三開段施工時若出現鉆井液漏失情況，當漏失量<10 m3/h時，通過調整鉆井液配比強制鉆進；當漏失量≥10 m3/h時，采取向前鉆進5～10 m。充分揭露待注漿漏失層段即起鉆進行水位觀測及壓（注）水試驗，詳細記錄水位觀測結果及壓（注）水試驗過程，之后進行高壓注漿。鉆孔終孔后，起鉆進行水位觀測和壓（注）水試驗，詳細記錄水位觀測結果和壓（注）水試驗過程，以備計算含水層的單位吸水率。最后對鉆孔進行全段高壓注漿。

4地面區域水害治理工程施工情況

4.1注漿工程施工情況

2901、2903試驗工作面治理區于2020年3月2日開始第1次注漿，2021年7月5日最后一次注漿結束，累計注漿92次，注漿共用水泥59 692.5 t，其中Z2孔組注水泥31 915 t，Z3孔組注水泥27 777.5 t，其注漿量分布情況如圖7所示。

從圖7可以看出，Z2孔組的注漿量主要集中在2901上順槽和DNF20、F901S3和DF20斷層區域，Z3孔組的注漿量主要集中于2903工作面和2901切眼褶曲軸部，區內構造是影響該區域注漿量大小的主要因素之一。從Z2和Z3孔組注漿施工情況分析，其中Z2孔組注漿45次，Z3孔組注漿47次。Z2孔組最大注漿量發生在Z2-5第Ⅲ次注漿期間，注漿量為7 367 t；Z3孔組最大注漿量發生在Z2-14第Ⅲ次注漿期間，注漿量為4 288 t。

4.2工程探查及施工質量分析

Z2孔組和Z3孔組累計注漿92次，累計發生漏失62次，其中發生23次漏失量大于60 m3/h情況，發生15次漏失量介于10～60 m3/h情況，發生24次漏失量小于10 m3/h情況，見表1。

從圖8可以看出，整個治理區內漏失點分布廣泛，表明治理區巖溶普遍發育。較大漏失點主要集中在2處，分別是2903工作面前100 m和2901工作面上順槽附近。通過對比注漿量和漏失量的分布，可以看出其在平面上的位置分布無直接關系。

從圖7、圖8可以看出，注漿量、漏失量和漏失段長三者的相關性并不明顯。在施工中漏失量的分布通常與工程施工的順序有關，前期施工的孔組在地層剛被揭露，往往發生較大漏失。后期施工的孔組，由于地層已被多次注漿充填，進而不易發生漏失。而注漿量的大小不僅與施工順序有關，還與注漿濃度、壓力和地層的可注性有關。

5水害治理效果驗證及評價

通過現場壓水試驗結果，對比九采區2901、2903試驗工作面區域水害治理前后各鉆孔吸水率q前和q后，如圖9、圖10所示。從圖9、圖10可以看出，經注漿后底板各鉆孔的吸水率呈現明顯的下降，分別由0.012 L/min.m.m和0.006 3 L/min.m.m降至0.000 36 L/min.m.m和0.000 44 L/min.m.m，Z2和Z3孔組鉆孔平均吸水率分別下降97%和94%，反映經過地面定向鉆孔超前注漿加固治理區底板太原組上段灰巖后，有效充填了巖溶裂隙。

通過現場底板水壓測試結果，對比九采區2901、2903試驗工作面區域水害治理前后二2煤底板水壓，如圖11所示。從圖11可以看出，治理前區太原組上段L8灰巖內水壓為5～7 MPa，且水壓分布與地層埋深情況較為吻合；治理后區內太原組上段L8灰巖內水壓下降至0.8～4.2 MPa，且水壓分布不再與地層埋深吻合，多呈孤島狀，治理區太原組上段L8灰巖溶含水層被注漿充填分割為許多獨立的塊段、水力聯系基本被切斷。

經地面超前定向鉆孔區域底板巖溶水害治理后，太原組上段L8灰被改造為等效隔水層，因此底板有效隔水層厚度可計算至L8灰底板，根據實際揭露其隔水層最小有效厚為90 m，由此計算底板突水系數為0.023～0.057 MPa/m，符合“實施地面區域治理后的工作面突水系數按0.1 MPa/m計算”規定要求，具備安全回采條件，實現了治理區底板注漿加固的預期效果。

6結論

1）Z2孔組的注漿量主要集中在2901上順槽和DNF20、F901S3和DF20斷層區域，Z3孔組的注漿量主要集中于2903工作面和2901切眼褶曲軸部，由此可知區內構造是影響該區域注漿量大小的主要因素。

2）底板各鉆孔的吸水率均有明顯下降，分別由0.012 L/min.m.m和0.006 3 L/min.m.m降至0.000 36 L/min.m.m和0.000 44 L/min.m.m，Z2和Z3孔組鉆孔平均吸水率分別下降97%和94%，說明經過定向鉆孔超前注漿加固后，治理區底板太原組上段灰巖巖溶裂隙得到了有效充填。

3）治理區內太原組上段L8灰巖內水壓下降至1.2～4.2 MPa，且水壓分布不再與地層埋深吻合，多呈孤島狀，底板突水系數為0.023～0.057 MPa/m，符合規定要求，具備安全回采條件。

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（責任編輯：劉潔）