陈悦亨

（广东煤炭地质二〇二勘探队，广东 广州 510800）

0 引言

帷幕截流技术是利用高压喷射注浆或压力注浆等方法，使破碎的岩层或岩溶发育的岩层固结成整体，封堵岩层中的溶洞和裂隙，从而达到隔水的效果。

随着科学技术的发展，帷幕截流技术在煤矿防治水工程中得到了推广。近年来，朱仙庄煤矿应用帷幕截流疏干技术对“五含”水害进行防治，取得了良好的效果。

1 煤矿水文地质特征

1.1 矿井地质概况

朱仙庄煤矿位于安徽省宿州市朱仙庄镇境内，距宿州市约10 km，交通较为便利。某公司2009 年核定生产能力为245 万t/a。

井田煤系地层全部为第四系、新近系松散层覆盖，松散层与基岩呈不整合接触。煤系地层为石炭系、二叠系，井田四周为石炭系、奥陶系地层，北部煤系地层上覆侏罗系地层。

侏罗系砾岩含水层（即“五含”）的产状与煤层大体相同，与太灰、奥灰地层呈不整合接触。“五含”为侏罗系下段的一层紫红色砾岩段。其沉积环境为山麓相堆积，砾石成分为灰岩碎块，分选性差，砾径2 mm～70 mm，胶结物为钙质，岩溶发育，富水性好。矿井总体为中间厚四周薄，厚度变化较大，且有往深部和东部逐渐变薄、尖灭的趋势。“五含”的剥蚀面与8 煤层平行，倾向为北东，倾角为15°～25°，厚度在0 m～102 m，平均厚度为50 m～65 m。

1.2 “五含”水文地质特征

井田北部受塔桥断层影响，“五含”覆盖面积约为9 km2，井田范围内面积为2.8 km2。“五含”地层大面积压覆于8 煤、10 煤等煤系地层、太灰及奥灰含水层上，呈角度不整合接触关系。“五含”上部为1 层侏罗系砂岩。隔水性较好，“四含”呈角度不整合压覆在侏罗系地层上，局部“五含”剥蚀条带与“四含”直接接触。“五含”的岩溶发育具有明显的垂向分带性。标高-350 m 以上，岩溶率为8.82%～13.2%；标高-350 m 以下，岩溶率小于1%。浅部“五含”富水性好，导水性好。1993 年放水试验显示，由于“五含”与“四含”、太灰和奥灰的特殊接触关系，“五含”与以上3 个主要含水层之间存在明显的水力联系。

2015 年1 月30 日，“五含”压覆下的866-1 工作面发生突水水害，造成重大损失。水源为顶板“五含”水，突水牵动太灰、奥灰水位下降。该次出水显示，随着采动影响造成顶板破坏裂隙沟通“五含”，“五含”作为主要的储水含水层和径流通道，“五含”水快速涌入工作面，同时牵动“四含”、太灰及奥灰水位联动，其他主要含水层形成对“五含”补给的趋势。

2 水害防治思路

由于“五含”水量大，与其他含水层的水力联系明显，补给充足，因此采取帷幕截流的防治策略。

通过对水文地质参数进行综合的分析及计算，确定沿8煤外侧“五含”覆盖区为帷幕墙位置。

在预设帷幕墙沿线，通过合理布置地面探注钻孔，对墙体位置进行钻探探查，查明帷幕线上的“五含”储水空间或径流通道，然后利用地面注浆系统进行反复的注浆和压水试验检查，最终在预设位置建造1 条具有“上顶下底隔水”且满足8 煤安全开采截流要求的“连续截流防渗墙体”，阻隔来自帷幕墙外侧“五含”及奥灰水对矿井的侧向补给[1]。

通过帷幕墙截流，达到截流率85%以上的目标。具体指标包括以下2 点。1） 工程质量符合《矿山帷幕注浆规范》（DZ/T 0285—2015）要求，其中帷幕墙体内“五含”压水试验，透水率≯1.0Lu。2） 帷幕截流后“五含”疏水水位降至-350 m以下，残余补给水量≯300 m3/h；帷幕截流后“五含”疏水水位降至-430 m 以下，残余补给水量≯350 m3/h。

帷幕墙建成后，在帷幕墙内侧和外侧分别设置观测系统，在帷幕墙内侧进行疏放水，观测并计算帷幕墙的透水率及水位降到-350 m 以下的残余补给水量，评价帷幕截流效果。

3 帷幕墙设计

3.1 帷幕墙设计参数

根据8 煤开采边界，将帷幕墙设计在8 煤隐伏露头线外侧约120 m 的位置。既满足帷幕墙建墙阶段注浆向墙内采区顶板大量扩散的要求，又满足帷幕墙建成后墙体远离开采影响范围的安全要求，并兼顾墙内“五含”疏干范围等因素。

帷幕墙沿线需要“上顶下底隔水”。8 煤露头外侧约120 m沿线底板均为煤系地层，作为“底隔”；大部分区段顶板为侏罗系上段砂泥岩互层隔水层，视为“顶隔”。北侧西段“四含”与“五含”直接接触带，埋深浅，岩溶发育强，将其视作同一含水层，顶板三隔作为该区段帷幕墙的“顶隔”[2]。

“五含”西侧为剥蚀边界，帷幕墙北线尤其是北线起点应尽量远离太灰边界；“五含”东侧为F21 断层边界，则东线终点应落在F21 断层上盘与煤系地层的接触带。东线终点在空间上是圈合的，北线起点在空间上“五含”是圈合的，“四含”厚度仅3 m～5 m，“四含”与“五含”接触带富水性较强，但其他地段富水性不均，且侧向补给弱，视为相对隔水圈闭。

帷幕墙北线起点为“五含”剥蚀边界，终点也即转折点位于补勘DZ2 钻孔位置。东线起点自DZ2 钻孔，中间靠近DZ3、DZ4 钻孔，穿过DZ7、DZ5 钻孔位置，延伸至“五含”交F21 断层边界。

帷幕墙长度为3.13 km，帷幕墙的有效厚度为40 m（可承受4 MPa 的水压），帷幕墙建设空间位置为预设帷幕线“五含”顶底上下外扩15 m 所圈闭的厚度范围，平均60 m～70 m。 “四含”与“五含”直接接触地段，当含水层厚度小于30 m 时，厚度控制为“四含”顶5 m、“五含”底15 m。

3.2 帷幕钻探工程设计

3.2.1 设计原则

帷幕墙钻孔设计遵循以下5 个原则。1） 帷幕墙各类钻孔排距均为20 m（有效扩散范围10 m，墙体有效厚度40 m）。2） 根据“五含”赋存的高度及厚度设计钻孔。“五含”赋存的高程在-350 m 以上，定向钻孔的施工难度极高，存在大量不可控因素，设计常规直孔；“五含”赋存的高程在-350 m～-400 m，采用顺层钻孔；“五含”赋存的高程在-400 m以下，以下采用水平孔。3） 直孔的孔间距为20 m，两排交错布孔。每80 m 设计1 个检查加固孔。4） 顺层孔落底孔间距为30 m，钻孔并排布置，有效段交错布孔，每组定向孔各布置1 个延伸到对侧末端的检查加固孔。5） 水平孔并排布置，水平段交错布置。每个水平孔的分支孔上下间距为20 m，每组孔各布置1 个延伸到对侧末端的检查加固孔。

3.2.2 设计依据

帷幕墙可分为北线和东线2 个部分。北线长1 011.74 m，东线长2 118.36 m，合计3.13 km。

3.2.2.1 北线

北线均位于浅部段（“五含”底板基本上位于-350 m 以上），按钻孔类型可分为常规直孔（长约819.9 m）和浅部顺层孔（长约191.84 m）。1） 直孔段位于“四含”与“五含”直接接触带及五含底板约-340 m 标高以上。可分为“四含”与“五含”接触（厚度＜30 m）、“四含”与“五含”接触（厚度＞30 m）和“四含”与“五含”不接触。2） 浅部顺层孔段位于北线终点附近。“四含”与“五含”之间存在隔水层，“五含”顶底板位于-350 m～-380 m。

3.2.2.2 东线

东线可分为浅部段和深部段。浅部段（埋深-380 m 以上）约419.47 m，位于东线南侧，采用浅部顺层孔；深部段（埋深-380 m 以下）约1 626.89 m，位于DZ5 钻孔以里至DZ2 钻孔，采用水平孔。

3.3 钻孔设计

该工程钻孔设计分为4 个部分，分别为北线直孔、北线顺层孔、东线浅部顺层孔和东线水平孔。钻孔剖面布置如图1 所示。

图1 朱仙庄煤矿“五含”帷幕截流疏干开采综合治理剖面图

3.3.1 北线直孔

直孔帷幕总长共计819.9 m，设计94 个直孔，其中内墙42个，外墙41 个，检查加固钻孔11 个，钻探总进尺为30 124 m，下入套管总重720 t。

3.3.1.1“四含”与“五含”接触（厚度＜30 m）

共设计钻孔20 个，钻探总长5 253 m。钻孔结构包括以下2 个。1）一开。孔径Φ215.9 mm，孔深0 m～215 m，至“四含”顶部5 m，下入Φ177.8 m×6.91 m 孔口管，水泥固井至孔口返浆。2） 二开。裸孔段，孔径Φ131 mm，分段延伸至“五含”底界面下15 m。

3.3.1.2“四含”与“五含”接触（厚度＞30 m）

共设计钻孔74 个，钻探总长为24 871 m。钻孔结构包括以下3 个。1） 一开。孔径Φ215.9 mm，孔深0 ～215 m，至“四含”顶部5 m，下入Φ177.8 mm×6.91 mm 孔口管，水泥固井至孔口返浆。2） 二开。孔径Φ152 mm，至“五含”顶界面下10 m，下入Φ139.7 mm×6.2 mm 套管，隔离“五含”风氧化带，套管为飞管，与一开套管重叠段为30 m，水泥固井。3） 三开。裸孔段，孔径Φ110 mm，分段延伸至“五含”底界面下15 m。

3.3.2 北线浅部顺层孔

北线共设计2 组顺层孔。分别为LS1 和WS1 孔组、LS2和WS2 孔组，共4 个钻孔。落底孔间距为30 m，交错布孔。井斜控制在10°～60°，五含目标层内钻孔长度控制在100 m～150 m。钻孔结构包括以下3 个。1） 一开。孔径Φ311 mm，0 m～30 m，下入Φ244.5 mm×8.94 mm 孔口管，水泥固井至孔口返浆，隔离流砂层，护壁。2） 二开。孔径Φ215.9 mm，自50 m 开始定向，钻进至“四含”下侏罗系稳定地层，下入Φ177.8 mm×8.05 mm 通天套管，隔离“四含”及其以上地层。水泥固井至孔口返浆。3） 三开。裸孔段，孔径Φ152 mm，分段延伸至“五含”底界面下15 m。

3.3.3 东线浅部顺层孔

东线两端“五含”赋存较高，分别布置LS3 和WS3、LS10 和WS10 孔组。共4 个钻孔。落底孔间距为30 m，交错布孔。井斜控制在10°～60°，“五含”目标层内钻孔长度控制在100 m～150 m。钻孔结构同上。

3.3.4 东线水平孔

东线中部“五含”赋存低于-400 m，可以布置水平孔。共设计了6 组水平孔。分别为LS4 和WS4～LS9 和LS9，共计12 个钻孔。1） 其中LS4 和WS4、LS8 和WS8、LS9 和WS9 钻孔覆盖范围，“五含”厚度较薄，每个钻孔布置3 个水平分支孔，分别位于“五含”上部、中部和下部，垂向孔间距20 m，墙内外两侧钻孔有效段交错布置。同时，内外墙钻孔各设计1个检查加固分支孔自本侧延伸至对侧末端。由此，每组钻孔8 个分支孔，合计24 个分支孔。2） 东线中部五含埋深较大，厚度约为60 m，相对稳定，设计LS5 和WS5、LS6 和WS6、LS7 和WS7 钻孔。每个钻孔布置4 个水平分支孔，分别位于“五含”上部、中部和下部，垂向孔间距为20 m，墙内外两侧钻孔有效段交错布置。同时内外墙钻孔各设计1 个检查加固分支孔自本侧延伸至对侧末端。每组钻孔10 个分支孔，合计30 个分支孔。

4 帷幕墙施工

4.1 钻探施工

4.1.1 直孔段施工技术

帷幕墙直孔段投入T685WS 型车载钻机、TSJ-600 型车载钻机各1 台，并投入足够的配套设备。

4.1.1.1 一开技术措施

按设计组合钻具Φ215.9 mm 钻头下钻。开眼时，采取吊打方式，轻压钻进，每钻完1 个单根洗井2 min～3 min，划眼2 次，修整井壁。钻达设计井深，或钻至基岩稳定地层后，增加泥浆维持井壁稳定。下套管前大排量循环洗井，通井1次，确保下套管顺利。下入Φ177.8 mm×6.91 mm 套管，水泥固井至孔中返浆。

一开钻井液采用坂土聚合物泥浆，主要防止上部地层漏失及坍塌，钻进过程中根据地层变化及时调整钻井液性能，防止地层漏失。

4.1.1.2 二开技术措施

采用Φ152 mm 钻头钻进至设计深度。对于“四含”与“五含”接触（厚度≤30 m）或“四含”与“五含”不接触，隔水层厚度＞15 m 地段，采用清水钻进，并洗孔。对于“四含”与“五含”接触（厚度＞30 m）或“四含”与“五含”不接触，侏罗系隔水层厚度≤15 m 的钻孔，下入Φ139.7 mm×6.2 mm 套管，与一开套管重叠段为30 m，水泥固井，并做止水效果检查。

二开钻进钻井液配制以防塌和防漏为目的。加入絮凝剂以提升岩屑上返能力，同时严格控制钻井液密度及钻井液中固相颗粒的含量，达到安全钻井的目的。对于“四含”与“五含”接触（厚度≤30 m）或“四含”与“五含”不接触，水层厚度＞15 m 地段，应采用清水钻进。

4.1.1.3 三开技术措施

采用Φ110 mm 钻头，清水钻进至设计深度（“五含”下15 m），清水洗孔。

钻进过程中，每50 m～100 m 进行1 次测斜，保证孔斜率，确保各钻孔终孔偏斜距≤2 m。钻孔固井后通过止水效果来检验固井效果。注浆段采用清水钻进。每注浆段钻探完成后，洗孔10 min～20 min，孔底沉渣厚度控制在20 cm 内。

4.1.2 定向、水平段施工技术

帷幕墙水平孔采用T200XD 型、ZJ20 型、ZJ30 型车载石油钻进无线测斜定向施工，确保跟层率。该次定向施工所用仪器为北京海蓝YST-48R MWD 系统，将传感器测得的井下参数按照一定的方式进行编码，产生脉冲信号，由脉冲器产生压力变化，使信号传送到地面。再由地面设备解码得出井下参数。

4.2 注浆施工

设计注浆材料包括水泥、粉煤灰及骨料等3类。在制作浆液时，根据浆液类型选择合适的制浆设备。所选择的设备性能应该与注浆量、浆液密度和注浆方式相适应，能安全、稳定、均匀、连续地制浆。

选用专用注浆泵、泥浆泵等注浆设备，性能应该满足流量和压力可调、耐磨和抗腐蚀等要求。注浆达到结束指标后，先孔内浆液自行卸压至井口压力为零，然后止浆塞松压，待凝一定时间段后进行钻孔扫孔，扫孔到底并通过段次简易压水试验检验该段洼浆效果。段次压水试验结果符合设计要求，即可结束该段次注浆。

5 结语

综上所述，结合煤矿水害防治的实践，发现帷幕截流疏干技术具有良好的应用效果，尤其表现在溶洞及裂隙封堵和隔水这2 个方面。工作人员应该结合技术应用原理与要求，制定煤矿水害防治方案，明确技术应用思路后结合地质和现场施工条件等实施作业。这样一方面体现出帷幕截流疏干技术的作用，另一方面也有利于提高水害防治技术的应用水平，经过最后的疏放水试验，肯定该技术的应用效果。建议在今后煤矿水害防治的各项工作中加以运用，保证煤矿开采的安全性。