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岩溶陷落柱是我国华北石炭-二叠系煤田广泛发育的不明地质异常体,属于隐伏构造;具有突水的隐蔽性、突发性,是煤矿水害的重大威胁,一旦突水将造成矿井灾难性后果。国内学者对岩溶陷落柱成因进行大量研究,牛磊等[1]提出了岩溶陷落柱的内部结构概化模型;赵金贵等[2]通过野外观测、井下编录、叠置对比和统计分析、归纳了岩溶陷落柱柱体形态特征;尹尚先等[3-4]系统总结了陷落柱基本特征、分布规律、成因机制、突水模式机理及探查和治理方法等;据不完全统计,华北煤田发现的岩溶陷落柱超10 000个,其中山西约占85%、太行山东麓的河北和河南占12%;其他省份合计约占3%。
岩溶陷落柱的治理有很多成功案例,南生辉等[5]针对河北东庞矿特大陷落柱突水淹井,采用了快速截流恢复生产和注浆封堵根治水患两个阶段的治理方案;郑士田等[6-7]通过实例论述了特大型垂向导水通道——陷落柱中建立人工“止水塞”的技术与途径;并通过地面定向钻孔技术在安徽淮南潘二矿实现了“截流+堵源”;邵红旗等[8]针对内蒙古骆驼山矿突水淹井,采用地面定向钻孔灌注双液浆快速建造阻水墙封堵突水巷道;赵苏启等[9]论述了不同条件下陷落柱突水淹井采用巷道截流、“止水塞”“三段式”、直接封堵、返流注浆、引流注浆等治理技术。这些陷落柱治理方案,通行的做法是利用地面垂直钻孔或者垂向大倾角定向斜孔(便于骨料重力投送),快速投注大量骨料,再分孔分段灌(注)入双液浆或单液水泥浆,先“截流”,后“堵源”;这些应急治理都是在矿井发生突水事故后进行,作为抢险救援方案,尽快封堵突水、尽快恢复矿井生产,取得很好的效果。但是无法弥补突水淹井造成的巨大损失,采用这些治理技术施工,往往造成骨料和浆液投注量巨大,即便是骨料也扩散很远,甚至造成主要大巷、井底车场等被充填,后期矿井恢复处置工程费时费力。若岩溶陷落柱基底发育进入奥灰深部或者寒武灰岩,陷落柱腔体空间大、很难实现“堵源”。对岩溶陷落柱进行超前治理,消除了高压奥陶(寒武)灰岩强含水层突水威胁,避免矿井重特大安全事故发生,具有极大安全和经济效益,面临很多迫切需要解决的技术难题;目前国内鲜有报道华北岩溶陷落柱超前治理的类似案例。笔者基于淮南某矿大型垂向导水陷落柱水文地质条件分析,选定岩溶陷落柱裂隙区,在高压岩溶充水水源与待回采煤层之间,采用叠层多分支水平井定向造孔技术、充填注浆+压裂注浆等,精准建造足够范围和足够厚度的 “堵水塞”,阻断高压岩溶水与回采煤层的联系,为华北型煤田岩溶陷落柱超前治理提供经验参考。
淮南煤田东西长100 km,南北宽35 km,是华北型煤田最南端的整装煤田。煤田内有延展超100 km 的推覆体造山带,有延展30~60 km、由西向东倾伏的多个(向)背斜构造,有斜切多井田、延展近8 km的地堑式断裂构造带,有基底发育在寒武灰岩的多个岩溶陷落柱(其中最大椭圆长轴超1 km),有呈岩柱和岩床产出的岩浆岩构造等;南部老矿区基岩直露区发育构造型式更为多样,主要有“330°”构造线、“X型”断裂带(组)、羽状平行断裂带(组)等[10]。
淮南煤田含煤地层为石炭~二叠系,为连续沉积地层。其中石炭系太原组厚度110~125 m、含薄煤线7~9层、不可采;二叠系煤系厚度近1 000 m,含煤32~40层,主采煤系地层厚度290~340 m、含煤厚度29.5~32.6 m[11]。煤系地层的底部为奥陶系灰岩地层,奥灰厚度数十米至530 m,与石炭系地层呈角度不整合;其中的志留系、泥盆系、下石炭统地层沉缺;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。
1.2.1 陷落柱的三维地震探查
三维地震解释陷落柱形态是一项新的技术手段[12]。某矿2号陷落柱是三维地震勘探成果进行二次精细解释发现的,陷落柱在三维地震曲线的剖面上同相轴出现明显的错断、下拉,平面上呈现近圆形的特征,在地震属性切片上也可以看到近圆形的异常分布。图1为2号疑似陷落柱(黄线圈定)在十字地震剖面上的反映,图2为疑似陷落柱在方差体属性切片上的反映。
图1 陷落柱在十字地震剖面上的反映
Fig.1 Reflection of the fall column on cross seismic profile
图2 陷落柱在方差属性切片上的反映
Fig.2 Reflection of falling columns on variance property slices
1.2.2 陷落柱地面钻探验证
在陷落柱中心和四周区域,布置7个地面垂直勘探钻孔、陷落柱探查钻孔布置图如图3所示;自基岩面上100 m开始取心至终孔,基岩段简易水文观测;7个钻孔(六T-1~六T-7)终孔层位有6个进入寒武灰岩、1个进入奥灰;完成钻探进尺5 754.18 m,常规测井孔深5 722.75 m,声波测井孔深2 475.85 m,钻孔简易测温7次;抽水试验27次,其中4煤下骆驼钵砂岩3次、1煤顶板砂岩3次、C3I组灰岩7次、太灰组地层7次、太灰+奥灰地层混合7次;岩样测试112组、水质分析27个、同位素分析7个、微量元素分析9个;进行了灰岩与煤系地层、灰岩与灰岩之间拟流场测漏12次,勘探工程量统计见表1,太原组灰岩柱状如图4所示。
图3 陷落柱探查钻孔布置
Fig.3 Fall column probe drilling layout
表1 勘探工程量统计
Table 1 Survey of exploration engineering quantities
孔号终孔深度/m终孔层位常规测井/m声波测井/m简易井温测量/次抽水试验/次岩样测试/组水质分析/个同位素分析/个微量元素分析/个六T-1830.01寒灰822.00357.001333335六T-2845.56寒灰844.80383.0015145六T-3795.53奥灰788.45323.651512522六T-4826.31寒灰822.00357.00156522六T-5821.48寒灰819.50357.5013173六T-6828.61寒灰824.00361.2013173六T-7806.68寒灰802.00336.5013133合计5 754.185 722.752 475.857271122779
图4 太原组灰岩柱状
Fig.4 Taiyuan groupashstone column
1.2.3 陷落柱的水文地质特征
通过三维地震发现、地面勘探验证、综合资料对比研究[13-16],进一步控制了陷落柱平面形态,剖面形态;查清了其顶界位置及导水裂隙带发育高度,并对其导水性进行了定量评述。
陷落柱平面形态近似椭圆形,长轴走向为NE向;其断裂带在1煤底板上长轴95 m,短轴74 m,面积5 215 m2(较三维地震圈定范围变小);垂向空间形态为“上小下大”的椎体陷落柱中心(六T-1)孔,在4煤底板的骆驼钵砂岩中,钻探冲洗液全漏,漏水量大于15 m3/h,为陷落柱导水裂隙区顶界;在此后二叠系及太原组灰岩钻进过程中,冲洗液一直全漏,但取心及测井岩层层位对比正常;进入太原组灰岩后,钻孔垮孔、憋钻及掉钻,捞取岩粉中含新生界地层中的松散黄沙,判定灰岩为陷落柱腔体顶界;探查了陷落柱基底、发育在寒武系灰岩中。
陷落柱裂隙区六T-1太原群C3Ⅰ组中抽水试验,单位涌水量最大为6.03 L/(s·m),富水性及导水性极强。
以待开采的1煤(又称A组煤)陷落柱外导水裂隙带范围为目标边界,沿其长轴、短轴方向(95 m×74 m)分别外扩100 m,形成320 m×290 m陷落柱平面治理范围,治理面积74 666 m2;治理范围面积是1煤导水裂隙带范围的14.3倍,如图5所示。
布置两口地面钻井N8孔、N9孔,分别通过多分支水平井对陷落柱治理范围进行全面覆盖。其中N8孔设计8个分支井,N9孔设计8个分支井,同一层位相邻水平井间距≤40 m,N8、N9孔的水平段平面上呈60°以上大角度斜交,确保水平孔在陷落柱治理范围均匀展布和对构造的交叉控制;钻孔平面轨迹设计如图5所示。
图5 钻孔平面轨迹设计
Fig.5 Drilling plane track design
N8、N9孔水平段剖面轨迹设计分别沿太原群C3Ⅱ组9灰层位、C3Ⅰ组3灰层位设计;垂向距离1煤底板层间距分别为81.8、53.3 m。钻孔剖面轨迹设计如图6所示。
图6 钻孔剖面轨迹设计
Fig.6 Drillingsection track design
1)钻孔结构、钻具组合。采用三开钻孔结构,一开ø311 mm孔径,下入ø244.5 mm×8.94 mm J55石油套管,水泥固井封闭新生界地层;二开ø216 mm孔径,导斜至目的层、井斜与地层近似平行,下入ø177.8 mm×8.05 mm J55石油套管、水泥固井;三开水平段ø152 mm、裸孔至目的层终孔位置。
一开ø311 mm钻头+ø203 mm加重钻铤+ø89 mm钻杆;二开采用ø197 mm的1.5°螺杆;三开采用ø120 mm的1.5°螺杆。
2)定向造孔施工轨迹控制。一开钻孔轨迹采用数字测井技术测量,测点间距20 m。二开及三开定向导斜钻进轨迹采用MWD正脉冲定向仪器(含伽马探管)[17]进行随钻测量,测点间距10 m。定向造孔曲率半径不小于200 m,全角变化率不大于10°/30 m。导斜定向钻进后采用复合钻进重新扫(滑)孔,利于轨迹顺滑。采用伽马探管实时监测地层伽马数值,结合岩屑录井,确保实测轨迹不超过设计轨迹2 m。
1)一般原则。注浆前进行压水试验,计算含水层吸水率[18];遵循先稀后稠原则;采用前进式注浆方式、地面孔口止浆;复注间歇时间不小于12 h。
2)注浆材料。材料选用32.5矿渣硅酸盐水泥,原则上选用单液水泥浆,特殊漏失层段添加粉煤灰;浆液密度1.2~1.5 kg/m3。
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,并持续30 min以上。
4)陷落柱导水裂隙区注浆工艺。裂隙区裂隙特别发育,钻进中冲洗液全漏失,起注压力为0;原则是首先采用大泵量(50 m3/h以上)、大密度(不小于1.5 kg/m3)浆液来进行高强度连续充填注浆,封堵裂隙区大的空间、同时控制浆液扩散距离;待孔口注浆压力升高到3~5 MPa以上,改用小泵量(10~15 m3/h)、较小密度(1.2~1.4 kg/m3)来连续进行压(劈)裂注浆,扩大浆液扩散半径、充填微小裂隙,直至达到注浆标准[19-20]。
5)几种特殊情况处理。① 浆液短路问题:分支水平井的水平段很长,最长超1 200 m,要确保浆液在水平段能够输送到末端,避免前端非注浆段大量进浆,造成末(后)端没有浆液注入的“空白带”。总的原则是钻进时随漏随注,封堵漏浆通道,有利于浆液在水平段远距离输送,“堵后路、开前路”。② 特殊层段:断层、破碎带、三维地震异常区、广域电磁低阻区等特殊层段等,作为区域治理注浆重点层段对待。技术原则是把这些层段单独作为一个注浆段,缩短水平井段长,提高注浆针对性。再根据注浆过程中动态分析、不断调整注浆工艺参数。
1)钻探过程中简易水文检验。后续水平井钻探造孔施工,可以对前期已经完成水平井注浆质量检验。如N8-5井在裂隙区水平段造孔时冲洗液全漏失,最大漏失量65 m3/h。后期的N8-3孔钻探到同样裂隙区时,冲洗液不但不漏失,还发生相应地层涌水0.5 m3/h现象,证明裂隙区前序孔注浆效果。
2)注浆过程动态变化检验。后续分支孔起注压力高、升压快、注浆量大幅减少,验证了前序孔的注浆效果。如表2中后续N8-2、N8-3分支孔相对前序N8-4、N8-5、N8-6分支孔,起始注浆压力明显升高,吸水率、单位吸浆量明显降低。其中后期N8-2孔水平段吸浆量仅为N8-5孔的15%,见表2。
表2 钻孔注浆参数统计
Table 2 Drilling slurry parameters statistics
孔号水平段长/m吸水率(L/min·m·m)注浆初压/MPa注浆终压/MPa水泥用量/t单位吸浆量/(t·m-1)N8-46160.008 309.815 181.8024.62N8-5404全漏08.715 724.6838.80N8-63560.001 93.510.08 030.2722.50N8-34690.002 15.09.87 097.7915.13N8-23560.001 86.09.82 081.255.83
依据起注压力、注浆量、注浆时间等注浆动态过程分析,检验注浆效果,也同样验证了前序孔的注浆效果;如N8-4孔在裂隙区注浆,前10 d压力为0,第11~13天压力1~2 MPa,第14~25天压力又降为零,随后间歇注浆才缓慢回升并有反复,一个孔注浆近2.5个月,如图7所示;同样位于裂隙区后期施工的N8-2孔,起始压力6 MPa,第8~9天注浆就合格,时间大幅缩短,如图8所示。
图7 N8-4孔注浆压力历时曲线
Fig.7 N8-4 hole slurry pressure graph
图8 N8-2孔注浆压力历时曲线
Fig.8 N8-2 hole slurry pressure graph
3)浆液扩散半径检验。浆液扩散半径是分支孔间距设计的关键参数,在实际注浆过程中可用多种方法进行检验。① 在陷落柱裂隙区的水平井钻探和注浆采用间隔施工,间隔1个水平井、水平间距80 m情况下,能够随时从回返的钻探冲洗液,明显见到前序孔水泥注浆中一些成分,进一步捞取的岩屑见到小的水泥块,证明水泥浆有效扩散半径已达80 m以上。② 在陷落柱治理的同一个采区内,同时施工的1号、2号井场,正在进行A组煤地面区域治理,注浆目的层也是C3Ⅱ组9灰层位;1号井场N2-7在9灰段注浆,浆液从2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。
1)陷落柱注浆治理范围是1煤导水裂隙带范围的14.3倍,设计浆液扩散半径20 m,实际浆液有效扩散在陷落柱裂隙区80 m以上;在同一采区的地面区域治理中浆液有效扩散169 m以上;远大于设计要求,构建的“堵水塞”注浆平面覆盖范围远超设计。
2)N8孔多分支水平井位于C3Ⅱ组9灰层位、距离1煤底板层间距为81.8 m;1煤底板埋深约615 m、其底板充水含水层奥陶系高压含水层的静止水位小于6.15 MPa(实际测量);N8孔多分支水平井建造的1煤底板隔水层岩柱厚度超过81.8 m;按照《煤矿防治水细则》中关于“突水系数不大于0.1 MPa/m”的技术要求,“堵水塞”建造的隔水岩层厚度远大于奥灰高压含水层防水煤岩厚度的要求。
3)沿C3Ⅱ组9灰层位、C3Ⅰ组3灰层位,采用MWD无线随钻测斜仪和螺杆钻具,实现了多分支水平井造孔轨迹精准控制;通过钻探验证、注浆过程验证、浆液扩散半径验证等多种方法对注浆质量进行了检验,确保 “堵水塞”的注浆质量。
4)采用叠层多分支水平井,立体地精准建造 “堵水塞”对陷落柱进行超前治理,是陷落柱水害治理由被动向主动转变的一次有益尝试,为打造煤矿防治水本安型矿井提供技术支撑。
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