2024-06-27
（1）首次通过现场示踪工程试验，实测煤层底板区域注浆浆液扩散范围（半径）。（2）首次采用荧光剂示踪浆液扩散范围，其有效性得到了现场岩屑快速鉴别与室内岩屑精准鉴别一致性结果的验证。（3）利用示踪试验过程中的压水试验及注浆参数、钻遇构造及水文地质响应等数据，通过非线性拟合，首次构建了超深、超长定向钻注浆浆液扩散范围计算公式，可在类似条件下的矿区推广应用。煤层底板含水层区域注浆改造浆液扩散范围现场示踪试验
作者：郭 艳1, 4，桂和荣1，洪 荒2，陈永青2，孙晓宇3，胡荣杰2，郭祥东1，赵 群2，戴亚男3，余 浩1，李 俊1, 4，孙 亮2，高 川2单位：1.国家煤矿水害防治工程技术研究中心 (宿州学院)；2.安徽省皖北煤电集团有限责任公司；3.天地科技股份有限公司；4.中国科学技术大学地球与空间学院我国煤矿水文地质条件复杂，煤炭资源开发受水害威胁严重。随着矿井开采水平的延伸、开采强度的增大，煤层底板灰岩水害威胁更加严重，安全形势严峻。淮北煤田位于华北聚煤区南缘，是全国大水矿区之一，水害事故频发，如任楼煤矿1996 年“3·4”、桃园煤矿2013年“2·3”奥灰突水淹井事故，峰值突水量分别为 34571、29000m3/h。淮北煤田下组煤 (6号或10号) 开采，主要威胁水源是底板灰岩水，包括石炭系太原组灰岩水 (简称“太灰水”，一般12层) 及奥陶系灰岩水 (简称“奥灰水”)。为防治底板灰岩水害，解放高承压水上煤炭资源，近年来华北煤田普遍采用地面定向钻技术，在煤层底板太原组薄层灰岩中选择合适的“目的层”(多为第 3 层或第 4 层灰岩)，利用“直孔+多个水平分支孔”，对“目的层”实施区域注浆加固改造，在增加底板隔水层厚度的同时，全面封堵垂向导水通道，该技术习称“底板区域治理”。底板区域治理技术具有探查治理时间超前、探查治理空间范围大、水害隐患整体消除效果好等特点。该技术涉及的关键技术较多，其中与浆液扩散半径密切相关的“水平分支孔”孔间距设计问题，一直受到学界和业界的普遍关注。孔间距设计过大，可能出现治理“盲区”，达不到治理效果，潜在的底板水害威胁不能彻底消除；若孔间距设计过小，会增加治理成本。显然，合理设计水平分支孔孔间距，与浆液扩散半径的精准度密切相关。目前，底板区域治理工程方案设计中，水平分支孔孔间距设计多依赖于经验，有一定的盲目性，制约了治水效果及治水成本。受注地层 (即“目的层”) 地质及水文地质条件复杂多变，高压注浆过程中浆液性质、地层结构构造等不确定性较大，浆液扩散过程极具隐蔽性，浆液扩散机理及范围难以预测。关于注浆浆液扩散，学者已经进行大量研究，并取得丰富成果。王东亮、韩磊、刘光军等基于数值模拟技术，分别建立单一裂隙注浆、大坝灌浆、地层土体劈裂注浆模型，分析了注浆压力、浆液密度、渗透系数、孔隙度等因素对浆液扩散的影响。谷拴成、张二蒙、李建等分别设计了裂隙动水 (在注浆前就存在水流流动) 注浆、覆岩隔离注浆室内相似材料试验，探讨了浆液在裂隙中或无压段 (关键层下方裂隙形成的初始阶段) 的扩散、充填规律，分析了参数之间的联系。余永强、潘东东等分别研制了一套高温富水环境下破碎岩体注浆试验装置、复杂岩溶裂隙－管道介质注浆相似材料模拟试验系统，揭示了隧道工程高温裂隙岩体注浆浆液的扩散规律，并基于相似材料试验进行了室内验证。翟明磊等自主研制了可视化变开度裂隙注浆模拟试验系统，研究裂隙岩体注浆过程中的浆液渗流–岩体变形耦合作用。翟明磊和白海波建立了考虑浆液流动与岩体变形耦合作用的裂隙注浆扩散理论模型，模型参数取值参照工程实例，开展了浆液扩散机制研究及影响因素分析。然而，上述研究体现在数值模拟或室内相似材料试验层面，参数设置、条件假设等，与实际工况差距较大。虽然矿山帷幕注浆行业标准中已建立有传统的竖直注浆孔孔距近似计算法公式，可以计算出浆液扩散范围，但该公式是否适用于华北矿区大规模底板区域治理工程中的水平分支孔孔间距设计，有待进一步实践检验。现有的注浆理论多适用于各向同性、均质等非常理想的条件，无法表证复杂多变的地质、水文地质条件，因而所计算的浆液扩散半径失真在所难免。尤其是超深超长钻、直孔加水平分支孔注浆技术，是近10a来引进煤矿深部开采防治水工程中，关于浆液扩散半径的注浆理论较少。从技术需求侧看，基于实际工况的浆液扩散现场实测与机理研究受到企业和学界的广泛期待。皖北煤电恒源煤矿底板区域治理工程量大，特别是深部资源开采，将有数十亿元的注浆工程，因而有必要查清浆液扩散范围真实数据。为此，笔者以淮北煤田恒源煤矿为研究基地，利用Ⅱ63等采区底板区域治理工程，设计煤层底板区域注浆浆液扩散范围 (半径) 的现场示踪试验方案，通过向一个注浆孔水泥浆液中投加示踪剂，在其他钻孔岩屑中鉴别含示踪剂水泥的方法，确定浆液扩散范围，并结合浆液扩散影响因素分析，建立恒源煤矿地质及水文地质条件下的浆液扩散半径计算公式，为类似条件下的底板区域治理工程中水平分支孔合理设计提供参考依据。
近年来，为解放底板高承压灰岩水上煤炭资源，华北煤田普遍采用地面定向钻技术，对太原组薄层灰岩进行区域性注浆加固改造(习称“底板区域治理”)，以全面封堵灰岩岩溶裂隙并阻断垂向导水通道。该技术中，与浆液扩散范围(半径)密切相关的“水平分支孔”孔间距设计问题，一直备受学界和业界的广泛关注。皖北矿区底板区域注浆工程量大，特别是深部资源开采，将有数十亿元的注浆工程，有必要查清浆液扩散范围真实数据。为此，以皖北矿区恒源煤矿为研究基地，依托Ⅱ63采区底板区域治理工程，设计并实施浆液扩散范围示踪试验，在中间的水平分支孔(Z8-7)投放荧光剂(示踪剂)，在两侧的水平分支孔(Z8-6、Z8-8)以及交叉分支检测孔(Z8JC)取岩屑样鉴别荧光水泥，以获得浆液扩散范围，进而在浆液扩散影响因素分析基础上，构建恒源煤矿底板区域注浆治理浆液扩散范围计算公式。
结果表明：①综合岩屑现场及室内鉴别结果分析，获得恒源煤矿Ⅱ63采区底板区域注浆浆液扩散范围为38.3～44.0 m，且水泥分布密集区在水平分支孔浆液扩散范围30 m以内，该区域内注浆效果最佳。②通过现场岩屑快速鉴别与室内岩屑精准鉴别，取得的浆液扩散范围基本一致，证明了荧光示踪浆液扩散范围的有效性。③通过对比分析，认为在计算参数、边界约束等符合实际注浆工况条件下，浆液扩散范围理论计算和数值模拟结果，与现场示踪试验实测结果较为接近。④利用示踪试验过程中的压水试验及注浆参数、钻遇构造及水文地质响应等数据，考虑重力、构造、地下水径流等因素影响，借助SPSS非线性拟合软件，得到恒源煤矿Ⅱ63采区底板区域注浆浆液扩散范围计算公式。⑤基于恒源煤矿受注层实际地质、水文地质条件，利用拟合的浆液扩散范围计算公式得出Ⅱ63采区Z8场地浆液扩散范围为37.8～42.9 m，与浆液扩散范围示踪试验实测结果相近，计算公式可在类似条件下推广应用。
本次煤矿底板区域注浆浆液扩散范围现场示踪工程试验，不仅取得了浆液扩散范围的真实数据，而且阐明了浆液扩散与多种地质、水文地质因素之间的内在联系，揭示了超深、超长定向钻注浆浆液扩散机理，构建了浆液扩散范围计算公式，为类似条件下底板区域治理工程水平分支孔孔间距的合理设计提供了参考依据。
图 1 恒源煤矿构造略图及Z8场地水平分支孔平面分布
图 2 恒源煤矿下组煤顶底板综合水文地质柱状图
图3 荧光水泥室内鉴别
图 4 Z8-7 孔注入浆液结石荧光情况
图 5 浆液扩散范围示踪试验工程示意
图 6 Z8-6 孔岩屑现场鉴别及其距 Z8-7、Z8-5 孔的距离
图 7 Z8JC孔岩屑现场鉴别及至Z8-7孔的距离
图 8 Z8-6孔1084m处岩屑含荧光水泥情况
图 9 三孔岩屑室内鉴别及至 Z8-7 孔的距离
图10 Z8-6孔岩屑室内鉴别及至Z8-7、Z8-5的距离
图 11 Z8-8 孔岩屑鉴别及至 Z8JC 孔的距离
图 12 Z8场地浆液驱水概念模型
图 14 Z8 钻场区域治理范围内局部断层构造及灰岩水流场
郭艳，女，1985年12月6日生，安徽宿州人，中共党员，博士，高级实验师，硕士生导师。现为中国科学技术大学在站博士后，安徽省高校优秀科研创新团队及“资源与环境”高峰培育学科骨干成员。研究方向
煤矿水害防治与矿井水资源化技术、“煤热共采”基础理论与关键技术研究主要成果
围绕煤矿水害防治与矿井热害资源化方向，主持安徽省高校自然科学重点项目、陕西省煤矿水害防治技术重点实验室青年基金、宿州学院博士（后）科研启动基金、企业委托项目等8项，作为课题组主要成员参与国家自然科学基金、安徽省教育厅重点项目、安徽省公益地质项目、企业委托研发项目等10余项；获2022年安徽省科技进步奖三等奖1项（排名第四），获2023年安徽省教学成果特等奖1项（排名第二）；取得授权发明专利6项（第一发明人3项），发表高水平学术论文20余篇（第一作者10余篇）。
来源：
郭艳，桂和荣，洪荒，等. 煤层底板含水层区域注浆改造浆液扩散范围现场示踪试验[J]. 煤炭学报，2024，49(4)：2045−2056.
责任编辑：宫在芹
