1. 引言

煤炭在我国能源结构中仍然占据主要地位，煤炭的开采需求一直居高不下，煤炭的开采深度也在不断增加，而灰岩水害对矿井的危害也日益增长。根据淮南潘二煤矿的生产接替规划，急需解放部分A组煤资源储量来保障矿井生产需要。随着A组煤的开采，煤层底板的隔水层厚度也在不断减小，加之开采时对地层的扰动破坏，极易发生突水事故，严重影响煤矿的安全生产。为保障工作面的安全开采，需要对底板进行探查治理。地面水平分支钻孔注浆技术是灰岩水害治理的重要手段之一[1][2]。

2. 地质概况

潘二矿位于安徽省淮南市潘集区境内，28123工作面位于西四采区深部，陶王背斜北翼，根据历次地质勘探和采掘巷道实见资料综合分析，预计治理区范围内共发育断层21条，其中落差大于5 m共有7条，落差小于5 m的有14条；主要充水水源为3煤层顶板砂岩水和1煤底板灰岩水。3煤底板至太原组C₃¹灰间距14.21~32.2 m，平均21.18 m，岩性为1煤、泥岩、砂泥岩互层，夹薄层粉砂岩及细砂岩。因C₃¹、C₃²层灰岩不含水，自C₃¹灰岩顶至C₃³层段可作为相对隔水层看待，3煤底板至C₃³灰岩顶的层间隔水层厚18.89~60.63 m，平均33.l5 m。

3. 区域探查治理方案

为完成井下安全开采的目的，需要对灰岩水害进行超前治理，以往使用的底板注浆改造技术局限性较大，需要采探治相结合，会造成施工周期的延长，治理深度和面积都难以满足持续采煤的需求，受井下环境影响，不仅施工难度大，还具有一定的风险性[3]。本次治理采用多分支水平井注浆技术，就很好的避免了以上问题。根据治理区域的水文地质情况选择合适的施工层位，从地面施工一个水平孔作为主孔，再从主孔施工分支孔辐射至整个治理区域，对治理区域水平方向进行全面探查，揭露可能存在的导水构造并通过注浆来进行改造，使A组煤达到安全的开采环境[4]。

3.1. 钻探施工工艺

3.1.1. 工程布置

综合考虑潘二矿地面治理区域的水文地质条件、突水系数要求水动力条件含水层水力联系、导水结构、灰岩间距等影响因素分析，选择C₃⁹作为地面区域治理目的层，共布置3个主孔和28个分支。

3.1.2. 钻孔结构

1) 一开段：0~327.00 m，孔径φ311 mm，至基岩面以下30 m左右的稳定地层，下人φ244.5 × 8.94 mm J55石油套管；

2) 二开段：327.00~804.79 m，孔径φ216 mm，钻进至目标层，接近顺层，下人φ177.8 × 8.05 mmJ55石油套管；

3) 三开定向顺层段：钻孔间距最大为54.99 m。

3.2. 注浆施工工艺

3.2.1. 注浆工艺和材科

1) 注浆原则和止浆方式：遵循先稀后稠、复注稠浆原则，孔口止浆，水平分支孔分段下行或者是前进式方式，连续注浆。

注浆目的层位C₃⁹灰。

2) 注浆材料：主要为M32.5砌筑水泥。

3.2.2. 注浆流程

钻孔揭露目标层位并在灰岩层内顺层钻进时，如不漏失、塌孔或孔口溢流，直接钻进至终孔位置或设定分段位置。若钻探过程中钻井液漏失量大于15 m³/h时，向前钻进5~10 m后起钻进行高压注浆。终孔注浆过程中控制注浆压力，避免高压下跑浆至工作面巷道。每次注浆前均进行受注层位的简易水文观测，并记录存档[5]-[7]。

3.2.3. 注浆结束标准

注浆终压：达到设计压力；

注浆终量：当注浆终压达到结束标准后，应逐次换档降低泵量，直至泵量不大于60 L/min，并维持30 min。注浆结束注浆终压为孔口压力加上孔口至孔底的浆液与水比重的压力差不小于钻孔水平段最大垂深处奥灰含水层静水压力的1.5倍[8]。

4. 现场应用

以W3孔为例，在治理区域范围内共布1个主孔和7个分支。水平段采用岩屑录井、伽玛数据、钻时录井联合判层，采用无线随钻测量系统监测钻孔轨迹，跟层率达100%，平面上最大偏差1.61 m，详见表1。

Table 1.Statistical table of layer following (depth following) and maximum deviation in horizontal sections of each hole

表1.各孔水平段跟层(跟深)情况和最大偏移统计表

W₃地面区域探查治理工程完成7个分支钻孔后对钻探揭露的灰岩溶隙、裂隙、断层及其破碎带进行了注浆加固治理，各钻孔注浆量大小、注浆效果见下表2。

Table 2.Injection situation of each branch

表2.各分支注浆情况表

从注浆压力来看，注浆中压力持续升高，终压达到注浆结束标准，未发现与奥灰导通的垂向导水通道。

从注浆量大小来看，大部受注段注浆量较小，局部受注段注浆量相对较大。说明探查区域内局部C₃⁹灰岩及顶底板可注性一般。

从单位注浆量大小来看，总体反映本次工程探查区域内1煤层底板C₃⁹灰岩顶底板裂隙(除W3-2第1段外)较不发育。

各分支孔达到注浆结束标准后均进行注后压水，据此算出了各分支孔的注后单位吸水率，详见表3。小于单孔注前单位吸水率，验证了各分支孔的注浆效果。

Table 3.Statistical table of unit water absorption before and after grouting for each branch drilling hole

表3.各分支钻孔注浆前、后单位吸水率统计表

对钻孔注前、注后单位吸水率进行对比统计分析后认为：大多钻孔在注浆结束后，受注段的单位吸水率出现明显大幅减小，变化幅度最大的W3-5第2段单位吸水率由注浆前的0.00237 (L/min·m·m)到注浆后的0.00012 (L/min·m·m)，减小量达到94%，说明受注段地层在经过高压注浆后，裂隙充填效果显著。

由于治理区内底板的断层、垂向导水构造裂隙等已通过注入水泥浆液充填加固，即已将受构造破坏块段改造成了正常块段。通过绘制底板相对隔水层承受的水压等值线图和底板相对隔水层等厚图将其叠合计算突水系数，根据突水系数公式计算，本区突水系数为0.054~0.081 Mpa/m，小于0.1 Mpa/m。

5. 结语

通过对潘二煤矿西四−530 m以深A组煤采区28123工作面及系统巷道A组煤地面区域治理工程研究分析，采用地面水平定向钻探技术，探查A组煤底板80 m左右的C₃⁹灰岩顶板底板地层中垂直导水构造，对施工过程中钻井液消耗、注浆压力、钻时录井、卡钻、井下巷道跑浆等进行综合分析，未发现与奥灰导通的垂向导水通道。针对该地区地质概况总结了施工难点以及应对措施，为后续的地面区域治理工程提供参考借鉴。

本工程通过高压注浆治理，目的层吸水率明显减小，A组煤底板目的层附近地层裂隙已被水泥充填加固，增加了安全隔水层厚度，阻断了奥灰水和工作面的水力联系，注浆效果良好，达到了治理目标。治理后突水系数小于0.1 Mpa/m，达到安全回采要求，治理区域可以由缓采区转化为可采区。

参考文献