深井頂板水害定向鉆孔及控域注漿關鍵技術

李軍衛(wèi)

摘要：由于煤層上覆充水含水層大面積分布，煤層開采過程中易引發(fā)大面積突水災害。本文論述了深井頂板水害定向鉆孔及控域注漿關鍵技術。

關鍵詞：頂板水害；定向鉆孔；控域注漿

近年來，因淺部資源日趨枯竭，井田向大埋深、高地應力、強富水區(qū)域發(fā)展，礦井水害呈現(xiàn)高頻率、強危害特征。另外，煤層開采易引發(fā)工作面頂板大面積突水災害，而注漿治理技術為有效的水害治理手段。

一、工程概況

某煤礦工作面回采過程中揭露斷層組斜穿工作面，斷層組與軌道順槽和膠帶順槽相交，共揭示斷層8處，斷層性質均為正斷層，斷層傾角35°～75°，斷層落差1.5～13m，整個斷層組平均厚度約80m。工作面回采遭遇斷層時并未出現(xiàn)大量涌水，工作面回采通過斷層組時涌水量為75m3/h，回采工作面通過斷層組560m時，工作面涌水量由130m3/h快速增加至900m3/h。

二、深長注漿鉆孔設計

1、突水通道分析。工作面的水源主要來自頂板侏羅系砂巖水，當工作面采動時，上覆巖層擾動導致侏羅系砂巖水沿斷裂構造進入工作面，水流沖刷作用進一步加大了導水通道裂隙，為侏羅系通過工作面頂板突水提供了有效通道。

2、注漿鉆孔設計。針對斷裂構造引起的突水通道，累計施工侏羅系砂巖水地面注漿鉆孔4個，包括啟封鉆孔3C-4及3C-5、施工地面鉆孔1及2鉆孔。導水通道注漿截流定向鉆孔采用前進式鉆進工藝，控制注漿參數(shù)對導水通道進行有效堵截，保證后期定向鉆孔及注漿設計要求。

1）注漿壓力。注漿壓力控制是注漿的關鍵，當注漿壓力過大時，就會引起漿液擴散范圍過大、漿液漏失浪費；當注漿注壓力過小時，造成注漿擴散半徑達不到設計要求，影響注漿堵水效果。因此，注漿壓力應控制在邊界條件允許的最大注漿壓力內(nèi)。根據(jù)經(jīng)驗公式：

式中： 為容許注漿壓力，kPa；β為系數(shù)，在1-3之間； 為注漿段以上巖土層的密度，t/m3；T為地基覆蓋層厚度，m；C與注漿次序有關，次序1孔C=1，次序2孔C=1.25，次序3孔C=1.5；與注漿方式有關，前進式注漿k=0.8，后退式注漿k=0.6；與地層性質有關，結構疏松且滲透性強的地層取0.5，結構緊密且滲透性弱的地層取1.0；h為注漿段深度，m。

2）擴散半徑。根據(jù)劉嘉材公式：

式中：R為擴散半徑，cm； 為注漿壓力，kPa； 為地下水壓力，kPa；t為注漿時間，s； 為裂縫寬度，cm； 為漿液黏度，mPa·S； 為注漿孔半徑，cm。

3）停注標準。采用自上而下分段灌漿法時，在規(guī)定的注漿壓力下，當注入率≤4L/min時，繼續(xù)注漿10min；或注漿壓力達到注漿終壓6.5 MPa注漿結束。

三、定向鉆孔設計

1、定向鉆孔結構設計。由于頂板水定向鉆孔鉆進時可能發(fā)生高壓大流量涌水，為封固孔口不穩(wěn)定煤巖層和控制含水體水壓水流，需要下入鋼套管，保障鉆進安全。尤其是當孔口地層復雜或含水層與承壓水可能溝通時，需要下入多級套管。根據(jù)鉆孔軌跡特點，頂板水定向鉆孔可劃分為套管段、定向造斜段和定向穩(wěn)斜段三部分。

1）套管孔段：根據(jù)含水體水壓大小及地層情況設計套管孔段長度，為保證后期定向鉆進順利進行，套管最小規(guī)格為Φ127mm；鉆孔直徑比套管直徑至少應大6mm，當在鉆孔成孔較容易時，鉆孔直徑適當增大。

2）定向造斜段：直徑為Φ96mm，長度根據(jù)含水層垂深確定。

3）定向穩(wěn)斜段：直徑為Φ96mm，長度根據(jù)鉆孔設計覆蓋面積和鉆進裝備能力確定。

2 、漿液注入量計算公式：V=AHπR2n β

式中：V—注漿孔漿液計算注入量（m3 ）；

A—漿液消耗系數(shù)，一般A=1.2～1.5 ；

H—注漿段高（m ）；

R—漿液的有效擴散半徑（m），一般按20m 計算；

β—充填系數(shù)，取0.9；

n—巖石裂隙率（%），一般根據(jù)取芯和抽壓水試驗來確定。

四、深長鉆孔注漿關鍵技術

通過對該煤礦進行水文地質分析，結合地球物理探測對治理區(qū)進行全方位的探查，明確富水區(qū)域及相關的水力聯(lián)系，利用定向控域注漿技術和井下可控引流注漿技術，有效調(diào)節(jié)各鉆孔的流量分配，形成不同形態(tài)的定向流場，引導漿液在不同方向的運移、擴散，達到注漿精確控制技術，達到該煤礦工作面突水通道堵截目的。

五、注漿效果

針對工作面侏羅系含水層導水通道注漿治理，累計施工注漿鉆孔4個。

表1

1、注漿作用下工作面涌水量變化規(guī)律。由涌水量隨注漿進程變化關系可知，3C-4鉆孔注漿對工作面涌水量控制作用較小，說明3C-4鉆孔與突水導水通道水力連通性較差；1#鉆孔及3C-5鉆孔對工作面涌水控制作用較好，1#鉆孔及3C-5鉆孔與導水通道水力連通較好；1#及3C-5鉆孔大規(guī)模注漿結束后，工作面涌水穩(wěn)定了較長時間，說明導水通道封堵需保證一定注漿量。

2、注漿作用下水位變化規(guī)律。自注漿以來，3C-20鉆孔水位出現(xiàn)小幅上升，上升規(guī)律與3C-4及1#鉆孔注漿情況基本吻合，隨著1#鉆孔持續(xù)注漿，侏羅系含水層水位持續(xù)上升，其間3C-5鉆孔同步開始注漿工作，至多個注漿段施工結束，含水層水位出現(xiàn)顯著下降，結合工作面涌水量統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，含水層對工作面補給量回升，隨后進行1#鉆孔第5段注漿，3C-20水位有所回升進入相對穩(wěn)定階段，其水位在2#鉆孔注漿期間出現(xiàn)回升。

3、探水雷達注漿效果評估。注漿治理前，侏羅系含水層及工作面呈現(xiàn)大量青色及深藍色區(qū)域，代表低阻異常區(qū)，顯示注漿治理前侏羅系含水層及斷裂構造區(qū)域為高富水狀態(tài)，注漿治理結束后，侏羅系含水層及工作面深藍色區(qū)域大幅減少，多呈現(xiàn)黃色、橙色及少部分紅色區(qū)域，此區(qū)域代表無水區(qū)域。探測數(shù)據(jù)顯示，導水通道及集中出水點注漿治理工程取得了良好的效果。

六、結語

總之，頂板突水注漿治理根據(jù)不同的采礦地質條件，研究采動過程中上覆巖層導水通道分布特征，采用注漿技術對導水通道注漿封堵，阻斷上覆含水層地下水徑流補給，從而減少采動過程中涌水量。

參考文獻

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[2]陳殿賦.厚煤層頂板定向鉆孔技術研究與應用[J].煤礦安全，2015（04）.

[3]范建國.深井頂板水害定向鉆孔及控域注漿關鍵技術[J].煤礦安全，2015（10）.

（作者單位：冀中能源峰峰集團新三礦）