趙春虎，王 皓，靳德武

（1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077）

鄂爾多斯煤田近地表富水性好的松散孔隙介質(zhì)含水層是具有重要生態(tài)價(jià)值的含水層[1]，為礦區(qū)保水采煤的目標(biāo)保護(hù)層[2]。由于煤層開(kāi)采形成的采動(dòng)裂隙發(fā)育至近地表的松散層，導(dǎo)致地下水沿采動(dòng)裂隙進(jìn)入采煤工作面，可能形成嚴(yán)重的頂板水害[3-4]問(wèn)題，也加劇礦區(qū)水資源短缺及生態(tài)環(huán)境的負(fù)效應(yīng)程度[5-6]，如陜西黃隴煤田煤層頂板巨厚砂巖含水層涌水防治問(wèn)題，陜北與神東能源基地榆神礦區(qū)三四期規(guī)劃區(qū)、呼吉爾特礦區(qū)和臺(tái)格廟礦區(qū)面臨水源地保護(hù)與生態(tài)紅線劃定問(wèn)題，因此，西部礦區(qū)煤層開(kāi)采過(guò)程中頂板水害高效防治與地下水資源協(xié)同保護(hù)是煤炭可持續(xù)開(kāi)發(fā)面臨的現(xiàn)實(shí)需求[7]。

針對(duì)保水采煤?jiǎn)栴}，專家學(xué)者已開(kāi)展了大量的生態(tài)水位保護(hù)、保水開(kāi)采分區(qū)、綠色開(kāi)采、煤地下水庫(kù)等理論與技術(shù)方面的研究，已形成采煤工藝優(yōu)化為主、抑制導(dǎo)水裂隙發(fā)育為目標(biāo)的“分層[8]、限高[9]、條帶[10]、充填[11-12]、并行[13]”等保水采煤工藝。行業(yè)學(xué)者開(kāi)展“地下水庫(kù)、轉(zhuǎn)移存儲(chǔ)”[14]等礦井水保護(hù)的工程實(shí)踐。地下水沿煤層開(kāi)采形成的導(dǎo)水裂隙進(jìn)入采掘空間，是引起頂板含水層失水和形成水害的主要原因，采前調(diào)整采煤方法(如分層、限高、條帶開(kāi)采等)，可以控制采動(dòng)導(dǎo)水裂隙的發(fā)育高度，以保障隔水層的采動(dòng)隔水能力[15]，但將犧牲大量煤炭資源，采后調(diào)整采煤方法轉(zhuǎn)移儲(chǔ)存地下水資源(如修建地下水庫(kù)等)無(wú)法實(shí)現(xiàn)覆巖含水層的原位保護(hù)。如何在提高煤層開(kāi)采效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)水資源協(xié)同保護(hù)是礦區(qū)煤炭資源安全、高效、綠色開(kāi)發(fā)面臨的重大技術(shù)難題。

近年來(lái)，基于地面長(zhǎng)距離定向鉆孔進(jìn)行的超前區(qū)域注漿加固和改造及帷幕工程等已大量應(yīng)用于華北型煤田底板巖溶水水害防治[16]和水資源保護(hù)[17]的工程實(shí)踐中，長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂技術(shù)也在煤層瓦斯增透高效抽采[18]、沖擊地壓卸壓防治[19]及增強(qiáng)型地?zé)豳Y源開(kāi)發(fā)[20-21]等領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用效果，曹志國(guó)等[15]通過(guò)分析煤層開(kāi)采形成的集中主導(dǎo)水裂隙區(qū)分布特征，提出工作面開(kāi)采后采取局部人工注漿封堵主導(dǎo)水裂隙區(qū)，以限制工作面開(kāi)采后頂板含水層水大量流失的保水開(kāi)采技術(shù)思路。筆者針對(duì)西部煤礦區(qū)煤層開(kāi)采面臨的頂板水害防治與水資源協(xié)同保護(hù)技術(shù)需求，充分借鑒前人的保水采煤[22]、長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂、地面定向鉆孔超前區(qū)域注漿加固改造等技術(shù)手段，提出基于預(yù)裂與注漿改性(Presplitting-Grouting，簡(jiǎn)稱P-G)技術(shù)思路，并以陜北能源基地榆神礦區(qū)為對(duì)象，對(duì)采煤工作面頂板含水層基于P-G技術(shù)的失水控制方法進(jìn)行探討，以期為我國(guó)西部礦區(qū)頂板水害防治和水資源協(xié)同保護(hù)實(shí)踐提供借鑒。

1 煤層頂板含水層失水P-G控制原理

1.1 技術(shù)背景

根據(jù)材料力學(xué)最大正(線)應(yīng)變強(qiáng)度理論，抗張強(qiáng)度是控制巖石破壞的主導(dǎo)因素，當(dāng)巖石受力所產(chǎn)生的拉張應(yīng)變?chǔ)懦^(guò)其極限應(yīng)變?chǔ)舖時(shí)(圖1)，即ε≥εm，巖石即發(fā)生破壞，其破壞判據(jù)[23]為：

式中：σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力，MPa；μ為巖土的泊松比，無(wú)量綱；E為彈性模量，MPa。

圖1 巖石張裂破壞機(jī)制[24]Fig.1 Schematic diagram of rock fracture mechanism[24]

對(duì)于煤礦地下開(kāi)采而言，煤層開(kāi)采高度遠(yuǎn)小于煤層埋深，覆巖中某一固定層位的巖性對(duì)采煤引起該層位應(yīng)力狀態(tài)σ1、σ2、σ3與應(yīng)變?chǔ)庞绊懖淮?，且常?jiàn)軟、硬巖層的泊松比μ值介于0.2～0.4，變化不大，而軟弱巖層(泥巖類)的彈性模量E遠(yuǎn)小于硬巖層(砂質(zhì)基巖類)，根據(jù)式(1)可見(jiàn)，軟巖層臨界極限應(yīng)變?chǔ)舖則明顯大于硬巖層，因此，在相同應(yīng)變條件下的軟巖不易發(fā)生拉張破壞。

根據(jù)斷裂力學(xué)理論[24]，如圖1所示，在相同條件下，對(duì)于脆性巖石來(lái)說(shuō)，受力時(shí)巖石容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，巖石破裂以局部裂隙的延展為主(圖1a，圖1b)；對(duì)于強(qiáng)度低的彈塑性巖石，受力時(shí)是以巖體的整體彈性和塑性變形為主，其裂隙發(fā)育相對(duì)密集(圖1c)，主要是由于巖石整體的彈性和塑性變形易消耗巖石破裂釋放的能量，導(dǎo)致裂縫發(fā)育一般較短。劉瑜[25]采用X 射線衍射試驗(yàn)方法，得出采動(dòng)應(yīng)力在塑性變形能力較大的土層消耗量大，易損耗劈裂能量，從而抑制導(dǎo)水裂隙繼續(xù)向上發(fā)育，并提出土層作為導(dǎo)水裂隙帶高度抑制因子的概念；劉士亮[26]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬分析，得出覆巖中軟弱土層與基巖厚度的比值(土基比)小于 0.5 時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度受到明顯的抑制作用；竇林名等[27]認(rèn)為爆破后形成的裂隙區(qū)貫通為連續(xù)的弱面是控制沖擊礦壓最重要的區(qū)域，能夠減弱由于頂板瞬間破斷或垮落釋放的動(dòng)載強(qiáng)度?？梢?jiàn)，在脆性覆巖中易延展，張開(kāi)度較大，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育較高，而軟弱覆巖由于變形整體協(xié)調(diào)性強(qiáng)，裂隙發(fā)育短，裂隙也容易閉合。

另外，《煤礦防治水手冊(cè)》中列出了在分層開(kāi)采條件下的堅(jiān)硬、中硬、軟弱、極軟弱4類覆巖類型的采動(dòng)裂隙帶統(tǒng)計(jì)公式(表1)，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)、中國(guó)煤炭科工集團(tuán)根據(jù)近年來(lái)的實(shí)測(cè)成果和文獻(xiàn)資料，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)回歸分析方法，也給出了綜放開(kāi)采條件下堅(jiān)硬、中硬、軟弱3類覆巖類型的采動(dòng)裂隙帶預(yù)計(jì)公式[28]。以上統(tǒng)計(jì)公式均顯示，在相同采高時(shí)導(dǎo)水裂隙帶高度隨覆巖硬度變?nèi)醵黠@降低[29]。

綜上可見(jiàn)，煤層頂板軟弱巖層結(jié)構(gòu)是抑制導(dǎo)水裂隙發(fā)育的重要原因。

表1 導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算統(tǒng)計(jì)公式[28]Table 1 Calculation formula for height of water conducted fractured zone[28]

1.2 P-G失水控制原理

P-G頂板失水控制基本原理是以降低煤層采掘擾動(dòng)覆巖的“導(dǎo)水裂隙帶”的發(fā)育高度為出發(fā)點(diǎn)，將連續(xù)性好的基巖層壓裂成為相對(duì)非連續(xù)性巖層，再采用黏土基類軟弱注漿材料將巖層改造為相對(duì)軟弱的巖層，一方面預(yù)裂將原連續(xù)介質(zhì)巖層壓裂成為相對(duì)非連續(xù)性介質(zhì)后，形成連續(xù)弱面結(jié)構(gòu)，削弱采動(dòng)導(dǎo)水裂隙在堅(jiān)硬巖層中向上延伸擴(kuò)展的“尖端效應(yīng)”，抑制導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度；另一方面，黏土等軟弱注漿材料充填預(yù)裂裂隙和原生裂隙，形成相對(duì)軟弱巖層，由于黏土、膨潤(rùn)土等軟弱注漿材料本身具有較低的滲透能力，在煤層采動(dòng)影響后還具有較強(qiáng)的膨脹性、自愈性[30]、重塑性[31]等特點(diǎn)，均可降低上覆巖層過(guò)水能力，體現(xiàn)了“雙抑制”作用。因此，基于鉆探預(yù)裂與注漿改性的頂板水控制方法，從抑制采動(dòng)裂縫發(fā)育和減小含水層過(guò)水能力兩個(gè)角度達(dá)到減小采煤工作面頂板涌(失)水目的，對(duì)于提高煤層采高上限，保障煤炭資源高效開(kāi)采的同時(shí)，解決煤層開(kāi)采引起的覆巖含水層水資源大量漏失等問(wèn)題提出了新的思路。

2 榆神礦區(qū)煤層頂板含水層失水P-G控制方法探討

2.1 研究區(qū)概況

榆神礦區(qū)位于陜北侏羅紀(jì)煤田的核心地帶，是國(guó)家能源重化工基地的重要組成部分，礦區(qū)含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)，煤層覆巖由下至上依次為侏羅系直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系洛河組(K1l)，新近系保德組(N2b)，第四系離石組(Q2l)、薩拉烏蘇組(Q3s)、風(fēng)積層和沖積層，如圖2所示。由于地層剝蝕、風(fēng)化等地質(zhì)作用影響，延安組主采煤層及上覆直羅組、安定組、洛河組構(gòu)成的基巖裂隙含水層厚度、富水性均變化較大，保德組與離石組低滲透層是礦區(qū)隔水關(guān)鍵層，薩拉烏蘇組、風(fēng)積層和沖積層形成的具有統(tǒng)一聯(lián)系、富水性好的松散含水層組是礦區(qū)煤層開(kāi)采保水的目標(biāo)含水層，“煤–基–土–沙”形成的“煤在下、水在上，煤水共生”是礦區(qū)典型的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖2 榆神礦區(qū)主采煤層分布與覆巖結(jié)構(gòu)[24]Fig.2 Distribution and overburden structure of main mining coal seams in Yushen Mining Area[24]

據(jù)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局《陜北能源化工基地地下水勘查》成果顯示，榆神礦區(qū)內(nèi)已勘探和正在勘探的水源地共有15處[32]，水源地的主要補(bǔ)給來(lái)源為分布 廣、富水性好、水質(zhì)好、埋深淺的薩拉烏蘇組含水層。以榆神三期為例，規(guī)劃區(qū)涉及的水源地有紅石峽、瑤鎮(zhèn)和采兔溝3個(gè)水源地保護(hù)區(qū)，規(guī)劃區(qū)與這3個(gè)水源地的重疊面積為459.51 km2[33]，其中紅石峽水源地保護(hù)區(qū)位于三期規(guī)劃區(qū)西南部，二者重合面積 39.94 km2，主要重合區(qū)位于郭家灘井田；瑤鎮(zhèn)水源地保護(hù)區(qū)位于三期規(guī)劃區(qū)東北部，重合面積約150 km2，榆神三四期規(guī)劃區(qū)的水源地保護(hù)一直是限制礦區(qū)開(kāi)發(fā)的主要原因。

由表2可知，榆神中南部礦區(qū)(一期、三期)最上可采煤層一般為2–2煤，煤層平均埋深261.15 m，可采厚度0.8～12.49 m，在金雞灘至大保當(dāng)一帶2–2煤層厚度大多在8 m 以上，平均厚度可達(dá)10.04 m，屬于巨厚煤層[34]，區(qū)域大量實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，煤層采動(dòng)導(dǎo)水裂隙的平均裂采比達(dá)25倍，因此，在隔水關(guān)鍵層缺失地區(qū)或其他未缺失地區(qū)，當(dāng)一次采全高時(shí)，導(dǎo)水裂隙可能突破隔水關(guān)鍵層，存在薩拉烏蘇組含水層失水問(wèn)題，該地區(qū)被劃分為“可控保水區(qū)”[1]。為實(shí)現(xiàn)煤炭資源的保水開(kāi)采，目前，榆樹(shù)灣、曹家灘、金雞灘等煤礦采用分層采煤工藝以實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)采，在一定程度上限制了煤炭資源高效開(kāi)發(fā)。

表2 榆神礦區(qū)典型礦井主采煤層與覆巖層厚度統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical table of thickness of main mining coal seams and overburden of typical mines in Yushen Mining Area unit：m

2.2 P-G控制方法探討

筆者基于預(yù)裂與注漿改性的煤層頂板含水層失水控制基本原理，根據(jù)榆神礦區(qū)不同區(qū)域煤層覆巖地質(zhì)與水文地質(zhì)特征，提出以采煤工作面地質(zhì)與水文地質(zhì)條件分析，采煤工作面頂板含水層涌(失)水模式識(shí)別，P-G模式、層位與時(shí)間確定，頂板巖層水平孔水力壓裂與注漿改性為主要思路，對(duì)采煤工作面頂板含水層失水控制方法進(jìn)行探討。

2.2.1 采煤工作面地質(zhì)與水文地質(zhì)條件分析

榆神礦區(qū)受剝蝕、風(fēng)化等作用影響，主采煤層覆巖結(jié)構(gòu)差異較大，分析開(kāi)采煤層與頂板含隔水層空間結(jié)構(gòu)特征與水力特征，包括巖層巖性、含(隔)水層厚度、空間分布特征，以及覆巖層力學(xué)與水文地質(zhì)特征參數(shù)等，為確定煤層開(kāi)采頂板含水層失水模式，分析P-G層位提供基礎(chǔ)資料。

2.2.2 采煤工作面頂板含水層涌(失)水模式分析

根據(jù)工作面開(kāi)采地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，結(jié)合采煤工作面開(kāi)采煤層厚度、埋深及開(kāi)采方法，采用經(jīng)驗(yàn)公式法預(yù)計(jì)采煤工作面在不同位置采動(dòng)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，分析導(dǎo)水裂隙與覆巖含、隔水層空間關(guān)系，確定煤層開(kāi)采影響下覆巖失水模式。

榆神三四期規(guī)劃區(qū)，開(kāi)采煤層埋深較大(一般大于400 m)，如小壕兔、小保當(dāng)2號(hào)等煤礦，采動(dòng)導(dǎo)水裂隙一般發(fā)育至基巖含水層，導(dǎo)水裂隙與近地表的松散含水層間仍余留完整或相當(dāng)厚度的相對(duì)低滲透層時(shí)，工作面以基巖含水層側(cè)向失水為主，一般不會(huì)引起松散含水層地下水越流失水，可實(shí)現(xiàn)“自然保水”[1]。

榆神中南部礦區(qū)(一期、三期)，開(kāi)采煤層厚度大(一般大于8 m)，埋深為200～400 m，如金雞灘、曹家灘、榆樹(shù)灣等煤礦。相關(guān)研究表明[35-36]，該區(qū)在一次采全高條件下，煤層采動(dòng)導(dǎo)水裂隙穿過(guò)基巖含水層進(jìn)入風(fēng)化基巖含水層或相對(duì)隔水層，由于大范圍基巖與風(fēng)化基巖含水層水壓驟降，導(dǎo)致與松散含水層間的水力梯度劇增，巖層滲透性變化。據(jù)文獻(xiàn)資料[37-38]，當(dāng)采后有效隔水層厚度為42.6 m的離石黃土或21.0 m的保德紅土?xí)r，潛水才不會(huì)發(fā)生顯著漏失。因此，在隔水層厚度不足地區(qū)易形成松散含水層越流失水，目前榆樹(shù)灣、曹家灘、金雞灘等煤礦采用分層采煤工藝以實(shí)現(xiàn)保水開(kāi)采，文獻(xiàn)[1]中將該區(qū)總體劃分為可利用分層、限高、條帶、煤柱留設(shè)等開(kāi)采工藝的“可控保水開(kāi)采區(qū)”。

榆神一二期規(guī)劃區(qū)，開(kāi)采煤層埋深較淺，一般小于150 m，如薛廟灘、涼水井、錦界等煤礦，采動(dòng)導(dǎo)水裂隙將直接突破土層或達(dá)到地表[39]，造成松散含水層水大量流失，被劃分為難以保護(hù)水資源的“保水限采區(qū)”(圖3)，為典型的“直接型”失水模式。

圖3 采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙與含水層失水Fig.3 Water flowing fractured zone of overlying strata and groundwater loss caused by coal mining

另外，在煤層覆巖地層被剝蝕、燒變或溝壑切割、基巖與土層變薄甚至缺失等非正常區(qū)段，如榆神礦區(qū)三期的郭家灘、錦界等煤礦，由于無(wú)厚度穩(wěn)定的隔水層保護(hù)，易出現(xiàn)局部的“漏水天窗”，形成了近地表松散含水層“天窗”型失水模式。

可見(jiàn)，“可控保水開(kāi)采區(qū)越流失水型”“保水限采區(qū)–直接失水型”“漏水天窗區(qū)天窗失水型”為控制薩拉烏蘇組等松散含水層失水的重點(diǎn)區(qū)域。

2.2.3 P-G模式分析

根據(jù)榆神礦區(qū)不同區(qū)段煤層開(kāi)采失水模式，選擇不同的P-G模式。榆神礦區(qū)一二期規(guī)劃區(qū)，井田的開(kāi)采煤層埋深較淺，采動(dòng)導(dǎo)水裂隙直接穿透隔水層，采空區(qū)上方無(wú)相對(duì)完整的隔水保護(hù)層[40]，易引起區(qū)域型頂板含水層失水問(wèn)題，是典型的頂板直接失水模式，針對(duì)該類開(kāi)采區(qū)域宜采用“區(qū)域型”P(pán)-G模式以控制松散含水層失水。

榆神中南部礦區(qū)(一期、三期)，井田的開(kāi)采煤層埋深一般在200～400 m，為松散含水層越流失水模式，或局部直接失水模式。大量研究成果顯示，覆巖采動(dòng)導(dǎo)水裂隙范圍為典型的“馬鞍形”分布特征，即采煤工作面兩側(cè)大于中部區(qū)段，曹志國(guó)等[15]通過(guò)分析工作面煤層開(kāi)采引起的覆巖層不同區(qū)段采動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)及拉張、壓剪、壓縮破壞特征，提出在采煤工作面兩側(cè)形成集中主導(dǎo)水裂隙通道，并對(duì)采取人工干預(yù)措施對(duì)覆巖中已形成的導(dǎo)水裂隙實(shí)施人工修復(fù)(如注漿封堵) 進(jìn)行了討論；而位于彎曲帶中上部的巖層在壓縮變形后，垂向滲透能力將降低[41]。由此可見(jiàn)，主導(dǎo)水裂隙通道一般分布在工作面兩側(cè)，采空區(qū)正上方則保留一定厚度的隔水土層，易在工作面兩側(cè)形成條帶狀集中失水通道。因此，針對(duì)該失水問(wèn)題可通過(guò)“條帶型”P(pán)-G模式來(lái)控制主導(dǎo)水裂隙通道失水。

在煤層覆巖空間結(jié)構(gòu)變化較大的井田，如巖層剝蝕(基巖與土層變薄、缺失)、燒變或溝壑切割等非正常區(qū)段，局部存在導(dǎo)水裂隙揭露、突破隔水關(guān)鍵層的問(wèn)題，易形成局部的“漏水天窗”，導(dǎo)致地下水的集中“匯”項(xiàng)，也會(huì)引起近地表富水性好的松散含水層發(fā)生區(qū)域性失水問(wèn)題。因此，通過(guò)分析識(shí)別井田“漏水天窗”后，宜采用“局部型”P(pán)-G工藝來(lái)控制天窗型通道失水。

2.2.4 P-G層位分析

劈裂–壓密注漿是砂巖層注漿工程中的主要模式[42]，巖層裂隙為漿液運(yùn)移、充填提供主要空間，榆神礦區(qū)松散含水層下部的離石組、保德組軟弱土層，本身具備良好的低滲與自塑性，是礦區(qū)保水關(guān)鍵層[43]，基巖層頂部的巖石頂面受到不同程度的風(fēng)化，巖層結(jié)構(gòu)雜亂，松軟易碎，具備抑制導(dǎo)水裂隙發(fā)育的能力。而煤層頂板延安組、直羅組以細(xì)–粗砂巖為主，一般為中硬基巖層，采煤導(dǎo)水裂隙易發(fā)育。因此，通過(guò)預(yù)裂和注漿改性相對(duì)較硬的延安組與直羅組正?；鶐r層—抑制采動(dòng)導(dǎo)水裂隙發(fā)育—保護(hù)保德組與離石組隔水土層—減少薩拉烏蘇組等松散含水層地下水滲漏，是榆神礦區(qū)確定P-G層位的基本原則。

可見(jiàn)，將保護(hù)保德組與離石組隔水土層下伏的正?；鶐r層(不含風(fēng)化基巖層)作為P-G上限層位，當(dāng)P-G層位過(guò)低(靠近煤層)，巖層直接垮落，或采動(dòng)上行裂縫開(kāi)度過(guò)大，難以達(dá)到注漿減滲效果。大量工程實(shí)踐表明，中硬基巖層地面鉆孔分段水力壓裂有效范圍一般為30～40 m[44]，可將預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶中上部正?；鶐r層可確定為P-G目標(biāo)層(圖4a)。

2.2.5 P-G實(shí)施時(shí)間分析

在工作面回采前開(kāi)展P-G施工較之采后施工，可大幅降低頂板松散含水層的潰水潰沙災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和水資源流失程度，另外，可避免P-G工程實(shí)施過(guò)程中由于采動(dòng)裂隙導(dǎo)致的水力壓裂泄壓、注漿漿液漏失等問(wèn)題[45]。

2.2.6 水平孔水力壓裂與注漿改性材料分析

通過(guò)施工地面水平分支孔，依據(jù)P-G工藝與層位分析結(jié)果，對(duì)巖層進(jìn)行水力壓裂形成水力壓裂裂縫，地面水平孔終孔層位為預(yù)計(jì)導(dǎo)水裂隙帶中上部30 m左右。另外，選擇黃土、黏土、膨潤(rùn)土等軟弱材料作為注漿材料，通過(guò)地面水平孔對(duì)壓裂后的巖層注漿而形成注漿層，將巖層改性為人工隔水層。因此，基于鉆探預(yù)裂與注漿改性頂板水控制方法，如圖4b所示，從抑制采動(dòng)裂縫發(fā)育和減少含水層過(guò)水能力兩個(gè)角度達(dá)到減小采煤工作面頂板涌(失)水問(wèn)題。

圖4 P-G煤層頂板含水層失水控制Fig.4 Water loss control diagram of P-G coal seam roof aquifer

3 結(jié)論

a.基于長(zhǎng)鉆孔分段水力壓裂、地面定向鉆孔超前區(qū)域注漿加固改造等技術(shù)，從降低煤層采掘擾動(dòng)覆巖的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和覆巖過(guò)水能力為出發(fā)點(diǎn)，提出基于預(yù)裂與注漿改性(P-G)的采煤工作面頂板水失水控制技術(shù)思路。

b.采煤工作面頂板P-G失水控制基本原理為通過(guò)壓裂工藝將連續(xù)性好的基巖層壓裂成為非連續(xù)性巖層，削弱采動(dòng)導(dǎo)水裂隙在堅(jiān)硬巖層中向上擴(kuò)展的“尖端效應(yīng)”，抑制導(dǎo)水裂隙發(fā)育高度。再采用黏土基類注漿工藝將巖層改造為相對(duì)軟弱巖層，達(dá)到抑制導(dǎo)水裂隙帶向上發(fā)育和降低上覆巖層過(guò)水能力的“雙抑制”目的，從而實(shí)現(xiàn)煤層頂板含水層失水控制。

c.根據(jù)榆神礦區(qū)不同區(qū)域煤層覆巖地質(zhì)與水文地質(zhì)特征，以采煤工作面地質(zhì)與水文地質(zhì)條件分析，采煤工作面頂板含水層涌(失)水模式識(shí)別，P-G模式、層位與時(shí)間確定，頂板巖層水平孔水力壓裂與注漿改性為主要思路，探討了榆神礦區(qū)采煤工作面頂板含水層P-G失水控制方法。

d.基巖層壓裂效果、注漿材料選擇，注漿改性后的巖層力學(xué)強(qiáng)度和滲透能力變化，以及煤層頂板含水層失水控制效果等需要進(jìn)一步開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和工程測(cè)試等研究工作。