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随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，国内许多矿井相继转入深部和下组煤的开采。据《BP世界能源统计年鉴(2018)》统计，我国1 000 m以下的煤炭资源占比超过50%[1]。从突水灾害方面来说，深部煤炭开采面临着较为复杂的水文地质条件，突水机理也较浅部复杂的多，水害问题直接威胁着人民的生命安全和矿井的正常发展[2-6]，如2018年9月10日，济宁矿业集团霄云煤矿在开采深部1313工作面时发生的透水事故，即为复杂条件下隐伏构造引发的突水灾害。成功解放深部及下组煤的煤炭资源，成为我国东部资源枯竭矿井亟待解决的问题。
目前我国水害治理方法主要有地面区域治理、留设安全煤岩柱、超前疏放水、注浆改造含水层、帷幕注浆、充填开采或者限制采高等[7-11]。近年来，在我国邢台、峰峰、淮北、焦作等矿区采用井下定向钻进技术对顶底板水害进行超前探测和注浆治理[12-15]，大幅减少了井下注浆对工作面准备的影响，实现了防治水工作由过程治理向源头预防、局部治理向区域治理、井下治理向井上下结合治理、措施防范向工程治理的转变。
含水层裂隙的有效探查和精准注浆封堵是水平定向钻进技术的关键，然而目前对这方面的研究文献和成果较少，特别是在黄河北煤田顶底板灰岩水害治理过程中，如何应用水平定向钻进技术实现对含水层裂隙和隐蔽导水通道的精准注浆，需要进行深入系统的研究。黄河北煤田位于华北地台山东地台背斜西缘，基本构造形态为一单斜构造。笔者以黄河北煤田邱集煤矿煤层开采面临的水害问题为背景，在分析11、13煤层水文地质特征和利用水平定向钻进技术治理黄河北煤田顶底板水害的基础上，通过定向钻孔的优化布设和井上下水文观测孔的实时监控，提出了一种可行有效的封堵含水层裂隙和控制浆液扩展范围的精准注浆技术，实现了对含水层裂隙的高质量全面封堵，同时也为我国黄河北煤田类似矿井水害问题的治理提供了科学的指导。
山东能源临沂矿业集团邱集煤矿位于德州市齐河县，是黄河北煤田的第一对生产矿井，可采煤层为7、10、11、13煤层，目前-395 m水平已基本开采完毕(7、10煤层)。为提高煤炭产量，保证矿井的稳定和发展，矿井即将开采-447 m水平的11、13煤层，而11、13煤层(总储量近2亿t)深受顶底板灰岩水害的影响，受水害威胁的煤炭资源占比高达87%。尽快解放受水害威胁的11、13煤层资源，成为邱集煤矿发展的首要问题。
11、13煤层赋存区域自上而下主要含水层有底砾岩、风氧化带、太原组一灰、二灰、三灰、四、五灰、徐灰和奥陶系灰岩。其中，底砾岩、风氧化带为弱富水性，对11、13煤层的开采无影响；一、二灰含水层已揭露，均可自然疏干；三灰含水层为10煤层基本底，厚度仅有1.62 m，富水性差，对11、13煤层的开采没有影响；11、13煤层主要受顶板四、五灰，底板徐灰和奥灰含水层的威胁，如图1所示。
图1 矿井主要煤岩层柱状图
Fig.1 Columnar section of main coal seam and strata of mine
1)四灰、五灰含水层。四灰、五灰为11煤层的直接顶板，厚7.85～9.65 m，岩溶裂隙发育，单位涌水量为0.193 7～0.886 5 L/(s·m)，富水性中等，最大涌水量为300 m3/h；四灰、五灰间夹薄层泥岩，厚度约1.42 m，故可视四、五灰为一个含水层。根据瞬变电磁探查结果(图2)，可知顶板富水性呈现局部聚集、区域连通的特点。所以，四灰、五灰含水层对11、13煤层的开采威胁较大，采前必须对四、五灰含水层进行治理。
图2 四灰、五灰富水异常区分布
Fig.2 Abnormal area distribution of abundant water in No.4,5 limestone
2)徐灰含水层。徐灰厚度6.5～9.4 m，平均厚度9.8 m，上距11煤层30.62～39.14 m，平均35.40 m，与奥灰相距5.67～17.99 m，平均11.74 m，是开采11、13煤层的间接充水含水层，岩溶裂隙发育，单位涌水量为0.012 1～1.182 7 L/(s·m)，富水性强，最大涌水量200 m3/h。-447 m水平首采区徐灰突水系数为0.11～0.15，对11、13煤层开采有较大影响。近年来矿井进行了3次四灰、五灰放水试验(共计10万m3)，查明四、五灰与底板徐灰、奥灰有密切的水力联系。根据瞬变电磁探查结果(图3)，可知徐灰富水性较强，区域连通，个别富水区域与顶板四、五灰发生覆合，有水力联系的可能。
3)奥灰含水层。奥灰厚约600 m，岩溶裂隙发育，单位涌水量0.005 62～4.141 L/(s·m)，富水性弱到强，-447 m水平首采区奥灰突水系数为0.06～0.12，部分区域对11、13煤层开采有较大影响。根据瞬变电磁探查结果，奥灰顶板下10 m切面富水性分区如图4所示，可知奥灰含水层水量比较丰富。
图3 徐灰富水异常区分布
Fig.3 Abnormal area distribution of abundant water in Xujiazhuang limestone
图4 奥灰富水异常区分布(顶板下10 m)
Fig.4 Abnormal area distribution of abundant water in Ordovician limestone (10 meters under roof)
放水试验表明：11、13煤层顶板四、五灰和底板徐灰、奥灰有密切的水力联系，煤层开采需要对顶底板水害进行治理。基于超前区域治水和水源-通道一体化治理的理念[16]，矿井提出了采用地面钻孔水平定向钻进技术对顶板四、五灰和底板徐灰注浆，封堵含水层中的裂隙和隐蔽导水通道，切断彼此间的垂向水力联系，同时对四、五灰含水层边界采用帷幕的方法治理水害问题。因此，隐蔽灾害区域含水层裂隙和导水通道的有效探查和有效注浆，成为11、13煤层水害治理的关键。经过2年多以来的治水经验，深入研究钻孔布设和井上、下水文观测孔水压的变化规律，利用梅花式和上、下穿层式的分支钻孔钻进方式和井上、下水文观测孔水压实时监控方法，实现了对含水层裂隙的有效探查和注浆范围的精准控制。
根据四、五灰的水文地质特征可知，四、五灰富水性呈现不均一、区域连通的特点，主要表现出四灰涌水量大、五灰无水，四灰无水、五灰涌水量大，四五灰同时有水，四五灰同时无水4种富水状态，而且四、五灰间的夹层泥岩隔水性不均一，见表1。因此，针对四、五灰富水性不均一、区域连通的特点，笔者提出了梅花式和上下穿层式的分支钻孔钻进模式，使得分支钻孔在含水层的不同层位中有效注浆，尽可能多地封堵含水裂隙及导水通道，实现隐蔽灾害区域导水裂隙的有效探查及精准注浆。
表1 四、五灰富水状态类型
Table 1 State characteristics of abundant water inNo.4,5 limestone
含水层平均厚度/m富水状态四灰5.24(有水,无水,有水,无水)五灰2.26(无水,有水,有水,无水)
梅花式注浆钻孔布置，首先是在含水层层位探查阶段，及时调整钻孔的目标层，使得相邻分支孔1个布置在四灰，2个布置在五灰，或2个布置在四灰，1个布置在五灰，如图5所示，实现含水层裂隙封堵的最大化。
图5 梅花式注浆钻孔布置示意
Fig.5 Layout schematic of plum blossoms grouting borehole
上、下穿层式注浆钻孔钻进方式，是指分支孔每次注浆后调整施工轨迹，在竖直面上相互错开，一次为四灰，一次为五灰，上下穿层钻进注浆，如图6所示。
图6 上、下穿层式注浆钻孔布置示意
Fig.6 Layout schematic of upper and lower strata pentration grouting borehole
梅花式和上、下穿层式的分支钻孔钻进方式，可以实现对含水层裂隙和隐蔽导水通道的全面探查，有效封堵钻进过程中遇到的导水通道，创新了隐蔽灾害区域含水裂隙的探查及注浆模式，达到了含水层水害的高质量注浆治理。
S1注浆孔是矿井-447 m水平一采区治理区域的第1个钻孔，含有7个分支孔，现场分支孔钻进期间采用梅花式和上、下穿层式的钻孔钻进方式，对一采区首个治理区域的四、五灰含水层裂隙和隐蔽导水通道进行有效探查和注浆。开始注浆前，四、五灰涌水量为40～260 m3/h，实施梅花式和上、下穿层式钻孔注浆后，治理区域四、五灰含水层水文观测孔(4、6、7、8、92号)的涌水量明显下降(表2)。成功封堵了四、五灰含水层的4个水文观测钻孔(S38、S39、S41、S37)。
表2 S1钻孔注浆前后水文观测孔涌水量变化情况
Table 2 Change of water flow in hydrological observationholes before and after grouting in No.S1 borehole
水文观测孔钻孔位置监测层位涌水量/(m3·h-1)注浆前注浆后4号11煤层轨道下山四灰、五灰1006号11煤层轨道下山四灰、五灰3007号11煤层输送带下山四灰、五灰4008号11煤层轨道下山四灰80092号11煤层轨道下山四灰1002
截至目前，四、五灰含水层已完成19个主孔，51个分支孔的注浆，使得二水平暗斜井顺利掘进，实现了11煤层的成功揭露，这说明梅花式和上、下穿层式的钻孔钻进方式，有效地填充了四、五灰含水裂隙及隐蔽导水通道，为11、13煤层的安全开采奠定了基础。
1)浆液扩展范围精准控制机理。实施注浆前，在四、五灰含水层治理区域的地面和上部采掘巷道中提前施工井上、下水文观测孔，每个注浆孔治理区域布置不少于3个水压观测孔，治理区域外沿煤层走向布置不少于2个水压观测孔，倾向不少于2个水压观测孔，地面布置不少于2个水压观测孔，如图7所示。注浆期间，四、五灰含水层裂隙水受到浆液挤压而向外围扩散，导致井上、下水文观测孔水压的增大或减小，通过对井上、下水文观测孔水压变化的实时监测，及时调整注浆压力和浆液浓度，实现对注浆范围的精准控制。
图7 定向水平钻孔和水文观测钻孔平面布置示意
Fig.7 Layout schematic of directional drilling of horizontal borehole and hydrological observation borehole
注浆开始后，先注1.3 g/mL的水泥浆，若发现注浆区域周围水文观测孔的水压迅速上升，说明注浆分支孔与水观测孔之间的裂隙比较发育，应持续注1.3 g/mL的水泥浆，直到注浆孔压力达到含水层水压的1.5倍，注浆期间若发现注浆区域周围水文观测孔的压力突然下降，说明含水层裂隙基本上被完全封堵，后期的放水试验也印证了这一点。注浆孔压力达到含水层水压的1.5倍后，及时调高浆液浓度为1.4～1.5 g/mL，待注浆孔压力达到含水层水压的2倍左右停止注浆。注浆开始后，若发现注浆区域周围水文观测孔的水压无明显变化(或升压不超过水文观测孔初始压力的1.2倍)，说明注浆分支孔与水文观测孔之间的裂隙联通性较差或浆液未向该观测孔方向扩散，应及时观察外围水文观测孔的水压变化，无异常后调高浆液浓度到1.5 g/mL，做好注浆孔的封堵工作。
2)浆液扩展范围的模拟计算。注浆前需要根据含水层的岩性、厚度、裂隙发育程度、漏失量等参数初步计算浆液扩展范围，然后通过压水试验确定单位时间的注浆量和浆液浓度等参数。根据四、五灰水文地质特征，分别模拟4、8、10和12 MPa四种注浆压力下四、五灰裂隙浆液的扩散过程，如图8所示。
图8 不同注浆压力下浆液扩散范围
Fig.8 Slurry diffusion range with different grouting pressure
模拟结果表明，当注浆压力为4 MPa时，主要充填含水层的天然裂隙，注浆段局部向灰岩顶板扩散，浆液扩散半径约13 m；当注浆压力升至8 MPa时，浆液扩散范围逐渐增大，软弱结构面开始扩张，浆液扩散半径约35 m；当注浆压力升至10 MPa时，浆液沿着垂直于主应力平面扩展，并使岩体发生劈裂形成充填裂缝，起裂方向与较大主应力方向大体一致，浆液扩散半径约40 m；当注浆压力升至12 MPa时，原生裂隙及劈裂形成的裂缝被浆液封堵的比较充分，浆液扩散半径约60 m。研究表明：注浆压力为含水层静水压力的2.0～2.5倍时，原生裂隙及压裂形成的裂缝被浆液填充到比较充分的程度，扩散半径达40～60 m。随着注浆压力的继续增加，裂隙充填得比较密实，但浆液扩散半径没有显著增加。因此。四、五灰注浆的最终压力设为含水层静水压力的2.0～2.5倍，浆液扩散半径为40～60 m。
3)注浆效果验证。下面以S1钻孔注浆封堵四、五灰含水层裂隙及隐蔽导水通道为例，说明通过井上、下水文观测孔水压的实时监控精准控制注浆范围的过程。S1注浆区域周围共布设9个井上、下水文观测孔，如图7所示。
未采取注浆范围精准控制前，S1主孔的分支孔S1-1的注浆压力与周围水文观测孔的水压变化如图9所示。从图9可知，S1-1分支孔开始以1.3 g/mL的浆液浓度对含水层裂隙进行充注，注浆压力于2017年1月21日8时开始逐渐上升，于21日14时瞬时增大至5 MPa，周围9个水文观测孔在S1-1分支孔注浆起压瞬间，因含水层裂隙水的挤压驱动导致水压小幅度上升，随后水压趋于稳定(此值基本上大于水文观测孔的初始水压值)。距离S1-1分支孔约600 m远的观测孔10，在S1-1分支孔注浆增压后水压持续上升，于22日1时达到最高7.8 MPa，说明没有对注浆范围实施精准控制时，S1-1分支孔的浆液扩散到了600 m远处的观测孔10处，造成了注浆浆液的很大浪费，同时S1-1分支孔的注浆压力也没有达到含水层水压(3.8 MPa)的1.5～2.0倍，注浆效果不理想。
图9 精准注浆前S1-1分支孔注浆压力与井上、下水文观测孔水压变化曲线
Fig.9 Change curves of water pressure in hydrological observation boreholes and grouting pressure in S1-1 before precise control
S1-6分支孔采取了注浆范围的精准控制，注浆期间S1-6分支孔的注浆压力与浆液浓度、周围水文观测孔水压的变化规律如图10、图11所示。从图10可以看出，S1-6分支孔于3日8时开始注浆，浆液浓度起先一直为1.2 g/mL，初始阶段S1-6分支孔注浆压力处于低压位，在20:00调整浆液浓度为1.3 g/mL，随后S1-6注浆压力于4日1时开始逐步上升，水文观测孔2、3、4、5、7、8、9的水压在S1-6注浆压力上升后也出现了小幅度的上升(图11)，说明这些水文观测孔与S1-6分支孔之间裂隙贯通，水文观测孔1、6因与S1-6分支孔之间无裂隙发育而没有发生水压变化。
图10 S1-6分支孔注浆压力与浆液浓度变化曲线
Fig.10 Change curve of slurry concentration and grouting pressure in S1-6 branch brehole
图11 精准注浆后S1-6分支孔与井上、下水文观测孔水压变化曲线
Fig.11 Change curves of water pressure in hydrological observation boreholes and grouting pressure in S1-6 after precise control
随着注浆的持续进行，S1-6分支孔治理区域外围的水文观测孔9(距注浆钻孔约200 m)于4日11:00水压开始增大，说明S1-6分支孔的浆液已经扩散到了观测孔9附近。为防止浆液的继续外流，及时将S1-6分支孔的浆液浓度调到1.4 g/mL，23:00增高到1.5 g/mL，使得S1-6分支孔的注浆压力上升至7.5 MPa，达到四、五灰含水层水压3.8 MPa的1.9倍，随后对S1-6分支孔进行了封堵，实现了S1-6分支孔注浆范围的精准控制。
截至2017年底，11煤层首采区首个治理区域共计施工S1、S3、S4、S6、S19、S20共6个主孔25个分支孔，累计进尺12 011 m，累计注浆量104 880 t。
治理结束后对四、五灰岩溶水进行音频电透视和瞬变电磁探查，发现四、五灰含水层的富水异常区基本消失，渗透系数降为0.010 4 m/d，实施的28个水文观测孔涌水量由注浆前的40～260 m3/h降到了5 m3/h以下，注浆效果非常显著，成功揭露了11煤层，为后期解放6 000万t的煤炭资源提供了安全保障和指导作用。
井下巷道掘进期间，清晰地发现注浆后四灰含水裂隙和水泥的结石体，裂隙最大宽度达5 cm，最大注浆体厚度>20 cm(图12)，这说明梅花式和上、下穿层式的钻孔钻进方式和井上、下水文观测水压的实时监控，有效封堵了四、五灰含水层的裂隙和隐蔽导水通道，实现了地面钻孔近水平定向钻进技术注浆范围的精准控制，为我国黄河北煤田类似矿井水害的治理和定向钻进技术的高质量注浆提供了科学的指导。
图12 11煤层顶板四灰裂隙和水泥结石体
Fig.12 Four lime fissures and cement stone in No.11 coal seam roof
1)对11、13煤层的顶底板水害影响进行了分析，提出采用地面钻孔水平定向钻进技术对顶板四、五灰和底板徐灰进行同时注浆，四、五灰含水层边界帷幕的水害治理方法。
2)提出了梅花式和上、下穿层式的钻孔钻进方式和井上、下水文观测孔水压实时监控的技术，实现了对含水层裂隙及隐蔽导水通道的有效探查封堵和注浆范围的精准控制。
3)11煤层顶板四、五灰含水层注浆治理结束后，含水层渗透系数降为0.010 4 m/d，28个水文观测孔的涌水量由注浆前的40～260 m3/h降到5 m3/h以下，实现了11煤层的成功揭露，解放煤炭资源近6 000万t。
4)梅花式和上、下穿层式的钻孔钻进方式和井上、下水文观测孔水压实时监控的技术，为我国黄河北煤田类似矿井水害的治理和定向钻进技术的高质量注浆提供了科学指导。
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