1. 引言
两淮矿区因其丰富的煤炭资源、优越的区位条件成为我国重要的煤炭生产基地。两淮矿区属华北型煤田，主采石炭–二叠系煤层，煤系地层底部普遍发育巨厚的石炭系太原组灰岩，因其高承压、强富水、岩溶较发育等特点，对上部煤层开采构成极大的威胁[1]-[3]。近年来，随着浅部煤炭资源日趋枯竭，两淮矿区采煤活动逐步转入深部开采，受到底部灰岩水害的威胁越来越大[4] [5]。
利用近水平定向顺层钻探技术和注浆工艺对煤层底板灰岩进行注浆改造是当前灰岩水害防治的主要技术[6] [7]。恒源煤矿II638工作面为−600 m水平以下第一个采区准备的第七个工作面，6煤底板承受太灰水压较大，为保障工作面安全回采、杜绝底板突水威胁，恒源煤矿对其开展了地面区域治理。本文基于钻探、物探等方法对II638工作面底板注浆改造效果进行研究，为II638工作面安全回采提供参考。
2. II638工作面基本情况
2.1. 采区概况
恒源煤矿位于安徽省淮北市濉溪县刘桥镇，地层区划属于华北地层区鲁西地层分区徐宿小区。矿井主采4煤、6煤，年生产能力200万吨，采用分水平上下山开拓方式，一水平标高−400 m、二水平标高−600 m。矿井为新生界松散层覆盖下的裂隙充水矿床，根据含水层赋存介质特征自上而下划分为第三、四系松散层孔隙含水层、二叠系煤系砂岩裂隙含水层、太原组石灰岩岩溶裂隙含水层、奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层。
II63采区为矿井−600 m水平以下的第一个采区，采区走向长2540~2700 m，平均2600 m，平均宽1351.1 m，面积约3,512,776 m2，采区范围及工作面布置参见图1。
Figure 1. Schematic diagram of mining area II63
图1. II63采区示意图
恒源煤矿进入二水平以后，主采6煤层距离下伏太原组灰岩强含水层36~57 m，大部分工作面太灰水压在4 MPa以上，煤炭开采处于大采深、高承压状态，尤其是II638工作面6煤底板承受太灰水压最大为5.30 MPa。为保障工作面安全回采、杜绝底板突水威胁，恒源煤矿采用地面水平定向、多分支顺层钻孔注浆技术进行区域治理，以实现增强煤层底板阻隔水性能的目标。
2.2. II638工作面特点
II638工作面位于II63采区下部，为采区内第七个工作面，工作面为近倾向长壁式布置，倾向长650 m，走向宽99~185 m。II638工作面主采6煤层，厚度2.0~3.5 m，平均2.89 m，无夹矸，煤层赋存稳定。工作面直接底为粉砂岩，层厚1.59~5.87 m，平均厚度3.27 m；老底为粉砂岩，层厚5.73~9.21 m，平均厚度6.99 m。
II638工作面周边无导水构造，也不受老空水影响。6煤层顶底板砂岩裂隙水是II638工作面回采主要充水水源，该含水层岩性以中、细砂岩为主，平均厚度21.46 m，裂隙发育不均，顶底板砂岩裂隙水以静储量为主，单位涌水量为0.0097 L/s∙m，富水性弱，对II638工作面回采影响较小。6煤底板至太原组一灰顶板平均间距46.35 m，太原组总厚115.55 m，由石灰岩、泥岩、粉砂岩及薄煤层组成，以石灰岩为主，有12~13层石灰岩，厚53.87 m，占全组总厚46.6%，岩溶裂隙较发育，单位涌水量0.09~0.30 L/s∙m，富水性弱~中等，是6煤开采的主要威胁水源。据水文观测资料，II638工作面范围内对应太灰水位约−400~−430 m左右。II638工作面太灰水位远低于奥灰水位，太灰水与奥灰水之间无明显水力联系。
3. II638工作面底板灰岩注浆改造工程
为保障II638工作面安全回采，对其实施了地面顺层钻探、注浆改造工程，改造层位为三灰，目的是改造后将其作为隔水层。地面顺层孔钻探注浆工程Z7和Z8单元、共施工17个分支孔(Z7-4~Z7-11、Z8-3~Z8-11)覆盖II638工作面，具体布置详见图2。
Figure 2. Schematic diagram of the layout of directional boreholes for ground surface treatment in the II638 working face
图2. II638工作面地面区域治理顺层孔布置示意图
本次II638工作面注浆改造工程累计注水泥27,730 t，单位注浆量0.192 t/m2。平均顺层率在90%以上，单孔顺层率和注浆技术标准符合设计要求；II638工作面回采范围外30 m范围内均被地面顺层孔注浆改造工程覆盖，满足工作面回采要求。顺层施工过程中有6个孔出现出层现象，结合地质条件分析主要原因为揭露断层或地层倾角变化造成。施工中大部分钻孔漏失量在正常范围内，仅Z8-6孔出现漏失，最大漏失量大于60 m3/h，失返段为1734~1772.13 m，起钻后观测水位埋深大于400 m。根据失返段平面位置，位于II638工作面机巷附近，据附近长观孔观测资料，孔内水位埋深远大于奥灰水位埋深，推测为裂隙发育段，且最后注浆终压满足要求，对工作面回采无影响。
4. 注浆改造效果探查与评价
4.1. II638工作面底板注浆效果钻探验证
为了验证区域治理注浆效果，在II638工作面风、机巷共施工井下验证孔26个，钻探总进尺2800.5 m，其中风巷总进尺998 m，机巷总进尺1802.5 m，分别对地面顺层钻孔漏失段、出层段、两孔中间进行钻探验证，工作面风巷单孔最大出水1 m3/h (一灰)，揭露三灰无出水；工作面机巷JZ38-3-3验证孔单孔最大出水量5 m3/h (三灰)。II638工作面机巷验证孔出水情况如表1所示。
4.2. 掘进工作面超前物探探查
为了查明II638工作面机联巷、机巷和机巷里段掘进过程中迎头前方赋水情况，采用瞬变电磁法探测巷道前方顶底板及周边赋水情况，对巷道前方120 m、顶底板60 m、巷道两侧30 m范围进行探测，并综合地质资料分析其富水、导水性。
机巷探测采用YCS360A矿用多通道瞬变电磁仪，按照U形观测系统布置，以巷道迎头立面中心为原点，沿巷道左帮、迎头和右帮实施Mtem数据采集，每个观测点采集5个方向数据，分别为顶板30˚方向、顶板15˚方向、迎头掘进方向、底板15˚方向和底板30˚方向，现场观测系统布置如图3所示。
Table 1. Water inflow conditions from the verification boreholes in the II638 working face roadway
表1. II638工作面机巷验证孔出水情况
序号 |
孔号 |
终孔(m) |
出水量(m3/h) |
水质 |
L1 |
L2 |
L3 |
1 |
JZ38-1-1 |
152 |
0 |
0 |
0 |
|
2 |
JZ38-1-2 |
109 |
0 |
0.5 |
0 |
灰岩水 |
3 |
JZ38-1-3 |
101.5 |
0 |
0.3 |
0 |
灰岩水 |
4 |
JZ38-1-4 |
104 |
0 |
0 |
0 |
|
5 |
JZ38-1-5 |
98 |
0 |
0 |
0 |
|
6 |
JZ38-1-6 |
92 |
0 |
0 |
0.2 |
灰岩水 |
7 |
JZ38-2-1 |
109 |
0.5 |
0 |
1 |
灰岩水 |
8 |
JZ38-2-2 |
111 |
0.5 |
0 |
0 |
灰岩水 |
9 |
JZ38-2-3 |
114 |
0.5 |
0 |
1 |
灰岩水 |
10 |
JZ38-2-4 |
79 |
0 |
1 |
0 |
灰岩水 |
11 |
JZ38-2-5 |
108 |
0.5 |
0 |
0 |
灰岩水 |
12 |
JZ38-3-1 |
95 |
0 |
0 |
0 |
|
13 |
JZ38-3-2 |
108 |
0 |
0 |
0 |
|
14 |
JZ38-3-3 |
132 |
0 |
0 |
5 |
灰岩水 |
15 |
JZ38-3-4 |
73 |
0 |
0 |
0 |
|
16 |
JZ38-4-1 |
123 |
0 |
2 |
0 |
灰岩水 |
17 |
JZ38-4-2 |
94 |
0 |
0.5 |
0 |
灰岩水 |
Figure 3. Schematic diagram of the field observation system layout
图3. 现场观测系统布置示意图
瞬变电磁剖面视电阻率成果参见图4。经过多次探测及掘进验证，瞬变电磁法探测结果与实际揭露情况基本一致，探测结果较可靠。从探测结果分析，机巷底板60 m范围内岩层赋水性较弱，表明区域治理注浆改造效果较好。
Figure 4. Transient electromagnetic sounding resistivity results at 27 m before point H5 in the connecting roadway of working face II638
图4. II638工作面机联巷H5点前27 m处瞬变电磁探测视电阻率成果图
4.3. 底板注浆改造效果物探验证
II638工作面注浆改造工程结束后，为了验证治理效果，采用网络并行电法对工作面底板进行探查，电法探测采用三维全空间电阻率反演技术来反映底板电性参数变化情况。对双巷采集的数据选取全空间层状模型，采用全空间三维电阻率进行反演，主要反映相对低阻区在工作面范围内底板连通情况。本次网络并行电法探查异常解释阈值为5 Ω·m，相对低阻区的圈定主要以底板下20 m切片5Ω·m等值线以下为主。本次电法探测低阻区域多分布于距风巷较近区域，最低电阻率值为3 Ω·m，本次探测在工作面底板下80 m范围内存在五处相对低阻异常区，即DYC1~DYC5，具体分布如图5所示。
Figure 5. Horizontal cross-section of the floor of working face II638 at Z = −20 m
图5. II638工作面底板Z = −20 m水平切片图
DYC1低阻异常区位于风巷J7测点前23~38 m以浅，发育深度为巷道底板下方20~40 m，根据探测环境可知，该异常位置处为1#水仓，分析可能受水仓积渗水及II637工作面机巷(II638风巷)底板岩层破坏影响所致。
DYC2位于风巷J9测点前34~43 m以浅，DYC3位于风巷J10测点前17~44 m以浅，DYC4位于风巷J11测点前4.5~79 m以浅，发育深度均为巷道底板下方20 m，根据地质资料分析可能受II637工作面机巷(II638风巷)底板岩层破坏影响所致。
DYC5位于II638里段切眼上口，发育深度为巷道底板下方10~30 m，根据现场探测环境可知，切眼上口大型铁器较多，底板积聚部分施工用水，应为受现场积水环境影响所致。
为进一步验证电法探测低阻异常区富水性，采用井下钻探对低阻异常区进行验证。根据5个验证钻孔揭露，仅1个孔在二灰出水0.2 m3/h，其余4个钻孔均未出现灰岩层涌水现象，无破碎现象，钻进过程中供水无异常消耗，揭露的6煤底板层位排列有序，与预想设计层位基本一致，排除了低阻异常区富水的可能。
4.4. II638工作面底板注浆改造效果评价
II638工作面针对三灰层位注浆改造地面顺层钻孔出层段有多处，出层原因主要为地层角度变化较大和断层影响，经井下钻孔验证，出层区域均无异常，单孔(JZ38-3-3)最大出水5 m3/h，表明II638工作面底板注浆改造效果较好。
利用瞬变电磁法对II638工作面机联巷、机巷和机巷里段掘进开展超前探查，由探测结果分析，机巷底板60 m范围内岩层赋水性较弱。采用网络并行电法探查II638工作面底板发现5处低阻异常区，结合探查环境分析，5处异常区可能受II637工作面机巷(II638风巷)底板岩层破坏影响或施工积水所致，通过井下钻探验证，除1个孔在二灰出水0.2 m3/h外，其余均未出现灰岩层涌水现象。
多种方法探查、验证结果表明，II638工作面区域治理注浆改造效果良好。
5. 讨论
淮北矿区随着开采深度不断加深，面临底板灰岩突水的威胁越来越大。地面区域治理作为当前降低灰岩突水危害的治理技术越来越受到重视。注浆改造效果是决定能否消除底板突水危害的关键，因此开展多种型式的注浆改造效果验证，科学合理地评价改造效果，对于安全开采至关重要，同时还要做好底板突水危险性评价工作。
6. 结论
恒源煤矿II638工作面作为二水平第一个采区最下部的工作面，主采煤层6煤底板承受太灰水压最大为5.30 MPa，最大突水系数为0.12 MPa/m，远超过构造区域临界值0.06 MPa/m，为保障工作面安全回采，对其实施了地面顺层钻探、注浆改造工程，改造层位为三灰。地面钻探注浆工程Z7和Z8单元、17个分支孔注浆改造II638工作面三灰层位，累计注水泥27,730 t，平均顺层率在90%以上。通过井下钻探验证、物探探查，II638工作面机巷底板60 m范围内岩层赋水性较弱；工作面底板下80 m范围内发现5处异常区，均受II637工作面机巷(II638风巷)底板岩层破坏或人为积水影响，对异常区井下验证孔也表明除1个孔在二灰出水0.2 m3/h外，其余均未出现灰岩层涌水现象，表明II638工作面区域治理注浆改造效果良好。