煤層底板水害防治地面定向水平孔技術(shù)研究

王翔

摘要：地面定向水平孔煤層底板預(yù)注漿防治水技術(shù)已經(jīng)成為礦井煤層底板水害防治主要方法之一，利用地面定向水平孔可對煤層底板含水層進(jìn)行超前探查和注漿治理。根據(jù)趙固一礦18031工作面地層條件，介紹了地面定向水平孔煤層底板超前注漿防治水技術(shù)方案。結(jié)合現(xiàn)場施工情況，總結(jié)了大水垂比地面定向水平孔施工技術(shù)要點(diǎn)及參數(shù)，為地面定向水平孔在煤層底板水害防治中的進(jìn)一步推廣提供了參考。

關(guān)鍵詞：定向水平孔；煤層底板；水害防治

前言

趙固一礦18031工作面治理區(qū)域長為950m左右，寬為180m左右，地質(zhì)條件復(fù)雜，太原組上段灰?guī)r含水層組主要含水層L8厚度6.9-10.9m，上距二1煤層底板25-28.7m，水壓5.0～6.3 MPa，突水系數(shù)為0.17-0.25MPa/m，受張性斷裂構(gòu)造及大斷層影響，容易與O2灰?guī)r和L2灰?guī)r含水層產(chǎn)生水力聯(lián)系，給采掘及回采工作帶來嚴(yán)重的水害威脅。為了避免煤層底板突水，保證巷道順利掘進(jìn)和煤層安全開采，趙固一礦采用新型的地面水平孔煤層底板超前注漿防治水技術(shù)對18031工作面二1主采煤層以下L8灰?guī)r含水層進(jìn)行探查治理。

一、地質(zhì)概況

（一）地層條件

趙固一礦18031工作面主采煤層為二疊系山西組二1煤層，煤層厚度為5.5-6.2m，平均5.8m，煤層傾角3°～10°，屬全區(qū)可采的近水平穩(wěn)定型厚煤層，煤層埋深為525-590m，上覆巨厚層沖積層，屬第四系、新近系全掩蓋層，巖性為黃土、砂質(zhì)黏土及礫石層，厚度為460-530m，并且煤層頂板基巖較薄，巖性為砂巖、砂質(zhì)泥巖互層，厚度為60-65m，二1煤層屬于典型的巨厚沖積層薄基巖煤層。

（二）水文地質(zhì)條件

二1煤層底板直接含水層為太原組上段灰?guī)r含水層（L9、L8、L7灰?guī)r），距二1煤層底板的距離為25.00-28.7m，其中L8灰?guī)r發(fā)育較好，含水層厚度平均8.75m，巖溶裂隙較發(fā)育，滲透系數(shù)9.82～10.94m/d；間接含水層為太原組下段灰?guī)r含水層（L2、L3灰?guī)r）及中奧陶統(tǒng)灰?guī)r巖溶裂隙含水層（O2灰?guī)r），上距二1煤層底板距離分別為89.27～104.36m、118.26～142.58m，其中L2灰?guī)r發(fā)育較好，一般厚度15m左右，為富水性較強(qiáng)的含水層。O2和L2灰?guī)r含水層會與L8灰?guī)r含水層產(chǎn)生水力聯(lián)系，給采掘工程帶來嚴(yán)重的水害威脅。

二、地面定向水平孔煤層底板注漿治理方案

（一）總體方案

鑒于18031工作面水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，采用地面定向水平孔煤層底板超前注漿防治水技術(shù)，在地面施工長距離大水垂比定向鉆孔對L8灰?guī)r含水層進(jìn)行超前探查及注漿加固，通過鉆孔注漿來充填底板灰?guī)r含水層的巖溶裂隙和導(dǎo)水裂隙，從而減弱含水層的富水性并切斷水源補(bǔ)給通道，使受注含水層變?yōu)楦羲畬踊蛉鹾畬?，同時提高二1煤層底板一定厚度范圍內(nèi)抗水壓的能力，降低井下采掘期間水害威脅程度。

（二）地面定向水平孔設(shè)計(jì)

1.鉆孔布置

地面定向水平孔煤層底板超前注漿防治水技術(shù)，在地面合適位置布置鉆機(jī)，通過直孔段、造斜段的施工，使鉆孔變?yōu)樗椒较?，可沿巷道和煤層底板順層鉆進(jìn)，同時充分利用地面定向鉆孔技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可利用一個主孔施工多個水平分支孔，參考傳統(tǒng)的井筒地面預(yù)注漿經(jīng)驗(yàn)，同時結(jié)合趙固一礦18031工作面煤層底板超前注漿技術(shù)和地層條件，選擇在18031北部布置一個主孔，即注2主孔對18031工作面北部進(jìn)行治理，根據(jù)漿液擴(kuò)散距離，水平分支的間距為45m左右，所以，注2主孔進(jìn)行6個水平分支孔施工，對整個采面進(jìn)行探查和治理。

2.鉆孔結(jié)構(gòu)

結(jié)合以往類似項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)，同時考慮到趙固一礦地層條件，加之定向水平孔注漿要求，地面定向水平孔多采用三開結(jié)構(gòu)、兩層套管的形式， 即一開孔段和二開孔段均需下入套管，一開套管將鉆孔與表土層隔離，以保證下部鉆孔順利鉆進(jìn)；二開套管下至治理灰?guī)r層上部，將鉆孔與煤層等隔離，以保證灰?guī)r段注漿效果；三開為裸孔段（注漿段），沿治理灰?guī)r層鉆進(jìn)。

（1）一開孔段，孔徑Φ350mm，下入Φ244.5×8.94mm套管，進(jìn)入基巖內(nèi)不少于10m，并用單液水泥漿進(jìn)行固管。

（2）二開孔段，孔徑Φ215.9mm，下入Φ177.8×8.05mm套管，下至L8灰?guī)r層位上部，并用單液水泥漿對套管下部分孔段進(jìn)行固管。

（3）三開孔段，孔徑Φ152.4mm，沿L8灰?guī)r順層鉆進(jìn)，為裸孔段。

該鉆孔結(jié)構(gòu)采用三開形式，其優(yōu)點(diǎn)是鉆孔安全，但由于表土層較深，一開孔段既需要造斜，還需要下入大孔徑套管，導(dǎo)致施工難度大，同時一開孔段和二開孔段套管重合段長，所以施工時間長，施工費(fèi)用高。

三、現(xiàn)場施工情況

趙固一礦18031工作面注2鉆孔采用該施工工藝，成功克服了地面水平孔孔在深厚沖積層、薄基巖煤層底板加固技術(shù)中的施工難點(diǎn)，成功實(shí)現(xiàn)了深厚層沖積層大頂角造斜成孔、大口徑套管下放、固管工作；三開水平孔段水垂比突破了以往地面L型水平孔在巖層中鉆進(jìn)水垂比為2的慣例，創(chuàng)造了水垂比為2.39的記錄；三開水平孔段鉆孔軌跡偏差控制在3 m的誤差范圍之內(nèi)，其成功揭示了灰?guī)r層段以及斷層的存在。

四、結(jié)論與展望

地面定向水平孔為煤層底板探查和治理提供了更多選擇，大大避免了井下探查和治理不安全因素，有效調(diào)高了施工安全可靠性；同時鉆孔水垂比的提高，也大大提高了鉆孔的有效利用率，縮短了鉆孔施工時間，從經(jīng)濟(jì)角度，其效果也是相當(dāng)可觀的。雖然大水垂比地面定向水平孔技術(shù)得到了應(yīng)用，但在以后的工作中，仍需進(jìn)一步探索，例如，如何更合理的設(shè)計(jì)鉆孔布孔間距，如何將采面治理轉(zhuǎn)變?yōu)閰^(qū)域治理，進(jìn)而進(jìn)一步在時間和空間上提高鉆孔的有效利用率，這是我們后續(xù)工作中仍需努力的。