母杜柴登煤礦超長工作面頂板砂巖水靶向疏放技術(shù)

王國文，閆鑫，賀曉浪，丁湘，肖樂樂

（1.鄂爾多斯市伊化礦業(yè)資源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017318；2.中煤沖擊地壓與水害防治研究中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；3.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；4.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引言

侏羅紀(jì)煤炭是中國的主要煤炭資源，也是中國煤炭開采的主要對象之一［1］。近年來隨著煤炭工業(yè)戰(zhàn)略西移，煤炭資源開采強(qiáng)度不斷加大，煤層頂板砂巖含水層水害問題凸現(xiàn)，對礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅［2］。煤層開采前，在人工控制條件下施工疏放水鉆孔，進(jìn)行超前預(yù)疏干或疏降水壓是減輕或消除頂板含水層水害的一種有效方法［3］，可以有效消減井下峰值涌水量，減輕排水系統(tǒng)的工作壓力。目前，深部侏羅紀(jì)煤層在頂板砂巖水探放設(shè)計(jì)時(shí)多采用“均勻布孔，全面覆蓋”的固定模式。由于此類區(qū)域?yàn)殛懴喑练e多相變、多旋回的沉積模式，使得頂板砂巖水富水極不均勻，采用固定模式的疏放水設(shè)計(jì)針對性較差，會產(chǎn)生不必要的工程量，疏放水效果較難保證。同時(shí)設(shè)計(jì)施工不合理的疏放水鉆孔，還會導(dǎo)致工作面生產(chǎn)進(jìn)度延緩。因此，有必要在準(zhǔn)確分析工作面水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，科學(xué)合理地布設(shè)探放水鉆孔，針對不同含水層條件，采用不同的疏放水方式，靶向疏放頂板含水層水量，提高疏放水效率，節(jié)約疏放水工程量，確保工作面安全回采［4］。

前人在煤層頂?shù)装搴畬映笆杷祲悍矫孢M(jìn)行了大量技術(shù)研究和工程實(shí)踐，取得了一系列豐碩成果。頂板含水層超前疏放的主要技術(shù)措施包括短距離回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)群孔疏放技術(shù)和長距離定向鉆進(jìn)引流疏放技術(shù)。前者主要運(yùn)用于含水層厚度較薄、與煤層距離較近，且富水相對較弱的頂板砂巖水疏放，后者多用于探查底板隱伏構(gòu)造、奧陶系灰?guī)r水水壓疏降、超長工作面瓦斯大區(qū)域治理等方面［5-9］，在頂板砂巖探放水中，多用于含水層厚度較大、與煤層距離較遠(yuǎn)且富水較強(qiáng)的區(qū)域。

由于工作面長度相對較短，水文地質(zhì)條件差異較小，以往對于兩種鉆進(jìn)技術(shù)的研究多側(cè)重于對單個(gè)技術(shù)的分析，在礦井頂板疏放水實(shí)踐中，也多是單獨(dú)采用其中的某一項(xiàng)技術(shù)，鮮有根據(jù)工作面頂板砂巖含水層結(jié)構(gòu)差異和富水不同、聯(lián)合應(yīng)用短距離回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)群孔疏放技術(shù)和長距離定向鉆進(jìn)引流疏放技術(shù)的。母杜柴登煤礦工作面長度達(dá)5933 m，在空間上跨度較大，水文地質(zhì)條件差異巨大，富水極不均勻，因此，需要采取針對性的疏放水措施，提高疏放水效率，降低疏放水成本。本文根據(jù)工作面頂板含水層不同位置富水不同，提出長距離定向鉆進(jìn)引流疏放和短距離回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)群孔疏放聯(lián)合的頂板砂巖水靶向疏放技術(shù)，以期取得較好的疏放效果。

1 短距離群孔疏放和長距離定向引流

短距離回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)群孔疏放是在井下工作面輔助運(yùn)輸巷和膠帶運(yùn)輸巷中，根據(jù)上覆含水層特征及其與煤層的距離，利用短距離回轉(zhuǎn)鉆施工一系列專門鉆孔，使鉆孔直接進(jìn)入含水層中，利用水位壓力和水的自然重力，將頂板砂巖水通過鉆孔有控制地提前疏放。

短距離回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)群孔疏放技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：鉆場設(shè)置靈活，可在較小空間內(nèi)施工鉆孔，施工方便；鉆孔距離短，可根據(jù)疏放水情況隨時(shí)優(yōu)化調(diào)整鉆孔布置；設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單，易于操控，施工難度較小，可近距離疏放頂板含水層水；設(shè)備體積相對較小，施工占用場地小。

短距離回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)群孔疏放技術(shù)的缺點(diǎn)［10-11］：單個(gè)鉆孔鉆探長度有限，施工深度為50～150 m，可疏放高度有限，覆蓋范圍較小；鉆孔施工過程中軌跡難以控制，不易精確測量；施工周期較長，群孔施工需要頻繁搬移鉆機(jī)設(shè)備，還需要多次下設(shè)套管、封孔；需要多次鉆場施工及穿過地層進(jìn)入含水層，無效進(jìn)尺較多。

長距離定向鉆進(jìn)引流疏放是利用長距離定向鉆機(jī)（圖1），在工作面輔助運(yùn)輸巷或膠帶運(yùn)輸巷內(nèi)設(shè)置鉆場，以大傾角上仰開孔鉆進(jìn)至煤層頂板，然后利用隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行造斜鉆進(jìn)，通過對鉆孔軌跡的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測量和精確控制，將鉆孔鉆進(jìn)至工作面頂板含水層中，并在含水層內(nèi)延伸至設(shè)計(jì)位置，然后將頂板砂巖水沿鉆孔軌跡進(jìn)行疏放［12-13］。

圖1 隨鉆測量定向鉆進(jìn)系統(tǒng)連接示意Fig.1 Connection schematic of MWD directional drilling system

長距離定向鉆進(jìn)引流疏放技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)［14-16］：單孔成孔距離長，目前定向鉆孔深度最大可達(dá)3353 m［17］，可疏放范圍大幅增加；鉆孔軌跡清晰，可實(shí)時(shí)精確控制；鉆孔目標(biāo)層針對性強(qiáng)，可通過施工多個(gè)水平分支孔增大區(qū)域覆蓋面積，鉆孔有效進(jìn)尺占比高，鉆進(jìn)效率高；單位進(jìn)尺相對費(fèi)用低；出水點(diǎn)集中，便于集中排水；除作為疏放水孔外，還可探查頂板深部巖層的空間結(jié)構(gòu)。

長距離定向鉆進(jìn)引流疏放技術(shù)的缺點(diǎn)［18-21］：鉆機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作難度相對較大；鉆孔在含水層中延伸，不利于疏放距離煤層近處的水，單個(gè)鉆孔孔徑較小，不利于快速疏放；當(dāng)含水層厚度較小，巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，不易控制鉆進(jìn)方向；孔內(nèi)鉆具摩擦阻力大，鉆壓傳遞效率低。

2 工作面概況及富水情況

疏放水目標(biāo)工作面位于302首采盤區(qū)西側(cè)，設(shè)計(jì)長度5933 m，寬度300 m，南北走向。工作面范圍內(nèi)煤層傾角1°～3°，大部分地段煤層傾角較緩，平均2°。3-1煤層頂板砂巖含水層厚度0～26.4 m，平均15.97 m，巖性以灰白色細(xì)粒砂巖或中粒砂巖為主，距3-1煤層頂板3.76～16.52 m；2-2中煤層頂板砂巖含水層厚度0～26.79 m，平均12.93 m，巖性以淺灰白色或灰綠色細(xì)粒砂巖為主，距3-1煤層頂板26.62～58.05 m；直羅組底部砂巖含水層厚度15.85～66.32 m，平均36.06 m，巖性以淺灰綠色中粒砂巖為主，距離3-1煤層頂板32.76～101.1 m。位于導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育范圍以內(nèi)的延安組（3-1煤層頂板含水層和2-2中煤層頂板含水層）和直羅組含水層是工作面直接充水含水層。

結(jié)合礦井沉積相特征及頂板綜合物探分析，直羅組含水層富水遠(yuǎn)高于延安組含水層。此外，由30201和30202工作面的頂板疏放水鉆孔疏放水情況表明，3-1煤層頂板延安組含水層疏放水量占總疏放水量的9.27%，而直羅組含水層疏放水量占總疏放水量的90.13%。因此，直羅組含水層是探放水工作的關(guān)鍵所在。

通過分析母杜柴登煤礦地質(zhì)條件，并結(jié)合水文地質(zhì)特征和鉆孔抽水試驗(yàn)情況，重點(diǎn)考慮砂巖厚度、沉積環(huán)境影響指數(shù)、巖心采取率等因素，采用AHP層次分析法的加權(quán)模型［22-24］，建立影響因素專題圖（圖2），對直羅組含水層富水進(jìn)行評價(jià)預(yù)測。通過GIS疊加分析計(jì)算出各單元富水性指數(shù)值，再根據(jù)富水指數(shù)大小將全區(qū)分為強(qiáng)富水區(qū)、較強(qiáng)富水區(qū)、中等富水區(qū)和弱富水區(qū)等4個(gè)區(qū)（圖3）。母杜柴登煤礦疏放水目標(biāo)工作面內(nèi)直羅組北部區(qū)域含水層頂板中、粗粒砂巖厚度較大，層位穩(wěn)定，富水相對較強(qiáng)；南部區(qū)域含水層頂板中、粗粒砂巖厚度相對較小，富水較弱。富水呈現(xiàn)自北向南逐漸減弱的特征。因此，工作面北部區(qū)域?yàn)槭璺潘攸c(diǎn)區(qū)域。

圖2 直羅組富水性影響因素專題圖Fig.2 Thematic maps of influencing factors of water richness in Zhiluo formation

圖3 直羅組沉積富水性分區(qū)圖Fig.3 Sedimentary water-rich zoning map of Zhiluo formation

3 長-短鉆孔聯(lián)合布置

由工作面輔助運(yùn)輸巷和膠帶運(yùn)輸巷剖面圖（圖4（b）和（c））可知，工作面頂板含水層巖性組合結(jié)構(gòu)南北差異較大，工作面北部區(qū)域頂板含水層巖性為巨厚的中、粗粒砂巖，且?guī)r層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。工作面中部和南部區(qū)域頂板含水層巖性結(jié)構(gòu)復(fù)雜，砂質(zhì)泥巖、泥巖等厚度較大，中、粗粒砂巖厚度較小，砂泥巖互層情況明顯，含水層厚度不均勻。結(jié)合頂板主要含水層富水分區(qū)（圖3）結(jié)果，工作面北部區(qū)域富水強(qiáng)，向南富水逐漸減弱。

圖4 長短鉆孔聯(lián)合疏放水布置示意Fig.4 Layout schematic of combined drainage of long and short drills

根據(jù)目標(biāo)工作面的富水區(qū)域分布情況和頂板巖層巖性結(jié)構(gòu)特征，決定在工作面北部區(qū)域采用長距離定向鉆孔，疏放頂板砂巖水；中部和南部富水相對較弱的區(qū)域，采用短距離回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)群孔疏放，同時(shí)增大疏水孔孔徑，增加含水層裸孔段長度，以提升疏水效果。

3.1 定向長距離引流鉆孔布置

由沉積地質(zhì)條件分析可知，礦井砂巖含水層屬于條帶狀河相沉積，沉積條帶方向總體為西北—東南，疏放水目標(biāo)工作面頂板砂巖含水層在平面和剖面上成條帶狀。因此，在疏放水目標(biāo)工作面北部砂巖厚度大、富水強(qiáng)的區(qū)域施工定向長距離引流鉆孔，共設(shè)計(jì)施工鉆孔7個(gè)，分別為T1-1，T1-2，T2-1，T2-2，T3，T4-1和T4-2鉆孔（圖4（a），表1），孔徑100 mm。

表1 定向長距離鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of long-distance directional boreholes

此外，礦井頂板砂巖含水層厚度大、水壓高、巖層堅(jiān)硬，延安組頂部含水層與直羅組底部含水層復(fù)合為一個(gè)高承壓巨厚含水層，針對這些特點(diǎn)，考慮在長鉆孔內(nèi)利用清水進(jìn)行高壓水壓裂，在巖石層內(nèi)進(jìn)行再造裂隙，形成再生裂縫，擴(kuò)大鉆孔的疏放水半徑，從而增加砂巖體的滲透性和聯(lián)通性，使砂巖含水層水從弱徑向流變?yōu)閺?qiáng)徑向流。

3.2 短距離回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)群孔布置

在工作面中部和南部富水相對較弱的區(qū)域布置短距離回轉(zhuǎn)鉆孔，進(jìn)行群孔疏放。在工作面兩側(cè)巷道內(nèi)布置49個(gè)鉆場，共計(jì)197個(gè)鉆孔（圖4（a）），其中H1-1為取心孔（探明頂板巖性組合特征，為定向長距離鉆孔順層追蹤提供準(zhǔn)確層位）。鉆孔傾角45°，深度155～175 m，終孔層位為直羅組下段頂界面向上5～10 m，距煤層頂板垂距100～130 m。

4 聯(lián)合疏放水效果

施工過程中，優(yōu)先施工定向長距離鉆孔，并根據(jù)疏放水情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。長距離定向鉆孔終孔水量為50～123.6 m3/h，鉆孔的涌水量普遍較大（圖5），起到了較好的疏放水效果。

圖5 定向長距離鉆孔頂板疏放水終孔水量Fig.5 Roof drainages of long-distance directional boreholes

短距離回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)群孔疏放水進(jìn)行兩個(gè)階段的施工。第一階段在工作面里段600 m內(nèi)施工5個(gè)鉆場，共16個(gè)鉆孔，各探放水鉆孔初見水量為0.8～35.0 m3/h，初見水位置在鉆孔鉆至13～65 m，終孔水量為3.0～65.0 m3/h，終孔壓力為0.6～2.6 MPa（圖6）。經(jīng)過3個(gè)月疏放，累計(jì)疏放水總量約139872 m3。鉆孔疏放水總量降至67.9 m3/h，與終孔時(shí)的出水總量468.2 m3/h相比，衰減率約85%，且水量趨于穩(wěn)定。

圖6 疏放水第一階段頂板探放水出水量Fig.6 Roof exploration and discharge in the first stage of drainage

第二階段完成21個(gè)鉆場共計(jì)70個(gè)頂板疏放水鉆孔的施工。其中膠帶運(yùn)輸巷一側(cè)36個(gè)，輔助運(yùn)輸巷一側(cè)30個(gè)，開切巷附近4個(gè)。終孔水量為3.0～76.3 m3/h，鉆孔終孔水壓為0.3～2.6 MPa（圖7）。

圖7 疏放水第二階段頂板探放水終孔水量和水壓Fig.7 Roof exploration and discharge in the second stage of drainage

疏放結(jié)果表明，目標(biāo)工作面頂板含水層富水較強(qiáng)，通過對頂板砂巖含水層進(jìn)行聯(lián)合疏放，有效降低了工作面頂板含水層的水壓和水量，為工作面的安全回采提供了基礎(chǔ)保障。

5 結(jié)論

（1）在礦井前期疏放水觀測結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合沉積地質(zhì)條件分析成果，對工作面頂板重點(diǎn)含水層進(jìn)行了富水區(qū)域劃分，結(jié)合長距離定向鉆和短距離回轉(zhuǎn)鉆各自的適用條件，確定采用長距離定向鉆進(jìn)和短距離回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)聯(lián)合的方式進(jìn)行頂板砂巖水靶向疏放。

（2）根據(jù)頂板砂巖含水層空間富水和巖性組合的不同，在含水層厚度大、富水強(qiáng)的區(qū)域，采用定向長距離引流技術(shù)疏放頂板水，在富水相對較弱、含水層厚度相對較小的區(qū)域，采用短距離回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)群孔疏放。聯(lián)合疏放有效疏放了頂板砂巖含水層的“靜儲量”，起到了靶向疏放的作用。實(shí)踐結(jié)果說明采用聯(lián)合疏放是可行的，是一種適合本區(qū)地質(zhì)條件的疏放水方法。