垮落帶直覆下采煤地面注漿加固頂板鉆探技術(shù)研究

張桂芳，魯海峰，年 賓，姚多喜，張曼曼，李 超

(1.安徽理工大學 地球與環(huán)境學院，安徽 淮南 232001；2.中勘資源勘探科技股份有限公司，安徽 淮北 235000)

煤炭是我國重要的基礎能源和原料，煤炭行業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展，為國民經(jīng)濟發(fā)展作出了重大貢獻。然而，目前我國煤礦各類安全事故頻繁發(fā)生[1-3]，對我國國民經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了極大的影響，造成了巨大經(jīng)濟損失。其中頂板事故發(fā)生率最高，占煤礦事故的主要部分。針對垮落帶下采煤破碎頂板問題，眾多學者采用鉆孔注漿工藝技術(shù)對頂板進行了注漿加固處理[4-17]，增強了破碎頂板的整體性和強度，取得了較好的治理效果。然而上述學者都是采用井下注漿加固頂板，該法存在著漿液在無壓條件下自由擴散不均勻，無法做到大面積覆蓋，受現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境復雜、鉆孔工程量大等缺陷，嚴重影響工作面的接替及高產(chǎn)高效回采。

為進一步提高破碎頂板在特殊地質(zhì)條件下安全、高效的回采，本文提出了地面鉆孔預注漿加固煤層頂板的思路。在地面注漿鉆探施工中，王永泉[18]、李俊杰[19]探討了鉆探技術(shù)在煤礦水害防治工作中的應用，并詳細介紹了地面多分支水平井精準定向鉆進技術(shù)。毛玉坤[20]分析了鉆探技術(shù)在煤礦采空區(qū)處治施工中的選擇與應用，歸納出各類鉆探技術(shù)在煤礦采空區(qū)治理施工中的適用性。李源匯[21]提出了在地面布置鉆孔，穿越上部多層采空區(qū)，施工探放水孔與大直徑抽水井的防治水鉆探技術(shù)。金鑫等[22]為了確保桑樹坪煤礦安全生產(chǎn)，提出了采用井下定向鉆進技術(shù)施工煤層底板注漿加固定向鉆孔的工藝方法，對套管鉆進工藝、定向鉆進工藝和注漿工藝進行了系統(tǒng)的分析與研究。方剛[23]以酸刺溝煤礦帶壓區(qū)巷道延伸掘進超前鉆探工程為例，對帶壓區(qū)掘進巷道煤層底板是否存在導水構(gòu)造及富水異常區(qū)進行探查，發(fā)現(xiàn)西回風大巷部分區(qū)域煤層底板存在較大裂隙。

上述研究成果在不同程度上為注漿工程鉆探技術(shù)起到了積極的指導作用。但針對垮落帶直覆下煤層開采，破碎頂板介質(zhì)中漿液如何順利到達目標層位、如何防止沖洗液漏失等系統(tǒng)的鉆探技術(shù)研究還并不多見。為此，以安徽許疃煤礦7228工作面垮落帶直覆下采煤注漿工程為例，從鉆孔結(jié)構(gòu)設計、施工技術(shù)、孔內(nèi)事故預防等方面開展了詳細研究，為后續(xù)類似條件下的注漿工程鉆探技術(shù)提供技術(shù)借鑒。

1 工程背景

許疃煤礦7228工作面里段260m為71、72煤層合并區(qū)，其中里段230m，工作面上段130m，上覆71煤層已于2007年回采，下段110m為未回采區(qū)域；7228工作面外段上覆71煤層7128、71210工作面已于2007年、2009年回采；72煤層距上覆采空區(qū)0～13m，平均6.83m。工作面煤厚0.50～6.00m，平均3.07m，可采儲量142.2萬t。工作面走向長1421m，傾斜寬245m，整體呈南北走向，向東傾斜的單斜構(gòu)造，煤巖層傾角5°～30°，平均12°，工作面開采標高-417.9～-528.3m。采煤工藝為綜合機械化采煤，采取直接垮落法管理頂板，工作面空間關(guān)系如圖1所示。

圖1 7228采煤工作面平面圖

受上部采空區(qū)影響，7228工作面里段為垮落帶直覆下采煤，頂板破碎，很大程度影響到工作面高產(chǎn)高效。為此，針對井下注漿的缺陷，采用地面注漿對采空區(qū)進行區(qū)域加固，改善工作面頂板條件，降低頂板管理難度，確保7228工作面安全高效開采。

2 鉆探工程設計及施工技術(shù)

當鉆孔穿過頂板破碎帶時，易產(chǎn)生孔壁坍塌、掉塊等引起卡鉆事故；破碎地層沖洗液漏失嚴重，難以正常循環(huán)，巖粉排出不及時、鉆具冷卻效果不佳，導致埋鉆、燒鉆等事故發(fā)生。為解決上述問題，應根據(jù)地層條件、鉆進目的設計合理的鉆孔結(jié)構(gòu)，研究有效的鉆探施工技術(shù)。

2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)設計

2.1.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

垮落帶直覆下采煤地面注漿加固頂板過程中，鉆孔穿過破碎帶，鉆進、注漿過程均易造成孔壁坍塌，為確保順利成孔、水泥漿液順利到達目標層位，根據(jù)實際地層為厚松散層覆蓋以及鉆孔穿過破碎帶情形，將鉆孔設計為二開結(jié)構(gòu)。一開套管主要用于護壁，防止孔壁坍塌，保證鉆進形成完整孔；二開套管可作為注漿導管，將水泥漿液直接輸送到套管底部的注漿目的段。

圖2 7228工作面注漿鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

3)鉆孔布置。依據(jù)設計治理范圍、地質(zhì)與水文地質(zhì)條件以及鉆孔設計原則，一期設計施工注漿直孔3個，孔號分別為X1、X2、X3。鉆孔從地面開孔鉆進至72煤頂板3m位置，穿過第四系松散層、基巖段，終孔層位是72煤頂板垮落帶。增補施工注漿直孔3個，孔號分別為X4、X5、X6。鉆孔鉆進至72煤底板下位置，穿過第四系松散層、基巖段，終孔層位是72煤底板下。各鉆孔均對“垮落帶”進行預注漿加固。注漿鉆孔設計剖面如圖3所示，同時，鉆孔主要層位參數(shù)見表1。

圖3 注漿鉆孔設計剖面布置圖

2.1.2 施工方案

表1 鉆孔主要層位參數(shù)一覽表 m

圖4 鉆孔固管止水示意圖(mm)

2.2 鉆探施工技術(shù)

2.2.1 施工鉆場

鉆場一般分鉆孔區(qū)域、前后廠房、泥漿池、循環(huán)池、材料區(qū)、加工區(qū)、休息區(qū)等組成，每個鉆孔施工占地約30m×45m?，F(xiàn)場施工平面布置如圖5所示。

2.2.2 泥漿工藝

為提高鉆進效率，減少孔內(nèi)事故的發(fā)生，必須加強泥漿管理，優(yōu)化泥漿的性能，表土層開孔鉆進，用優(yōu)質(zhì)泥漿護孔，勤撈巖粉，保持其性能指標符合要求?；鶐r鉆進，鉆孔鉆至上覆煤層采空區(qū)影響帶如發(fā)生沖洗液全漏不返、孔壁坍塌、掉鉆等情況，需頂漏鉆進。頂漏鉆進過程中，需嚴防埋鉆等孔內(nèi)事故發(fā)生。為了應對這這情況，沖洗液在遇漏時需要調(diào)整如下：增加泥漿粘度護壁防塌，增加泥漿稠度，初步堵漏。

圖5 鉆孔鉆場平面布置圖(m)

1)沖洗液的選用。根據(jù)本礦區(qū)煤田鉆進的特點，沖洗液應選用優(yōu)質(zhì)低固相膨潤土，并根據(jù)地層情況合理加入相應的泥漿處理劑進行調(diào)整。常用的泥漿處理劑有：PHP、CMC、NaCO3、PM植物膠、KP共聚物、腐植酸鉀(KHM)。

2)沖洗液的配制。沖洗液的參數(shù)見表2，優(yōu)質(zhì)低固相腐植酸鉀泥漿配方：①一般配方：水+(2%～5%)膨潤土+(0.3%～0.6%)NaCO3+(2‰～7‰)CMC+(100～200ppm)PHP+(0.5%～2%)KHM；②特殊配方：水+(5%～10%)膨潤土+(0.3%～0.6%)NaCO3+(2‰～5‰)SM+(0.5%～2%)KHM+0.5XC。

表2 性能參數(shù)

3)沖洗液的循環(huán)與凈化。沖洗液的循環(huán)方式為正循環(huán)，循環(huán)槽長度應大于18m，寬不小于250mm，坡度應為1/100—1/80，沉淀池不少于2個，循環(huán)槽、沉淀池等應抹平或鐵皮平鋪。沖洗液應經(jīng)旋流除砂器進行凈化，每班要清理循環(huán)槽2～3次，清理沉淀池1次，機場要有2m3的泥漿儲備，并有專人管理。使用后的廢漿應選擇合適的位置，進行掩埋處理，避免造成環(huán)境污染。

2.2.3 孔內(nèi)事故預防

垮落帶鉆進易塌孔，在該段升降鉆具時，應控制升降速度，防止沖洗液壓力激動或鉆具抽吸作用而破壞孔壁。另外，在松散層不下套管護壁的情況，孔壁穩(wěn)固的條件下允許“頂漏”鉆進。但必須觀察泥漿池內(nèi)沖洗液消耗情況，以防供漿不足燒鉆或巖粉埋鉆。同時要保證孔底巖粉不得超過0.5m，超過則必須專門撈取。

2.2.4 下管安全措施

下管前調(diào)整泥漿參數(shù)，使其達到下管時要求的泥漿性能；徹底清孔，確?？椎谉o沉渣。鋼管下放速度為每路管的前2/3最快下放速度≤5m/min，后1/3最快下放速度≤3m/min，同時做好防止墩管。

3 鉆探效果驗證

2017年12月6日至2018年8月30日，6個鉆孔共完成鉆探工程量2935.63m，終孔層位均達到設計要求。其中，一開進尺2216.13m，下入177.8mm×8.05mm套管2217.37m(75.89t)；二開進尺719.50m，下入127mm×6.5mm套管2843.55m(54.91t)，終孔后鉆孔用水泥漿全封閉。

本次施工的6個鉆孔均達到設計要求。在一開鉆進過程中，揭露基巖位置與原有資料基本吻合；二開鉆進中，基本查明了71煤采空區(qū)影響地層范圍及裂隙發(fā)育特征，得出注漿區(qū)域基巖界面在深度在345～351m左右，相比附近鉆孔資料，埋深略有增加，與71煤采后回填有關(guān)；71煤采空區(qū)影響地層頂界(“裂隙帶”頂)距72煤約45～50m，距離煤層越近，巖層破碎程度越高。另外，鉆進過程中的簡易水文觀測見表3。

表3 鉆孔簡易水文觀測統(tǒng)計表

注：標注*代表注漿后的觀測結(jié)果。

從表3可看出，未注漿改造前，鉆進至71煤采空區(qū)頂界(距72煤約45～50m)時，沖洗液均漏失，漏失量較大，孔內(nèi)水位較深，埋深一般大于100m；注漿加固后，注漿治理區(qū)范圍內(nèi)采空區(qū)裂隙得到充填加固，漏失段下移，漏失量減小。其中X5孔全漏點位于72煤層上5m，下移45m左右，X6孔全孔無明顯消耗。

從以上分析可以得出，本次施工的6個地面注漿孔均達到設計要求，設計的二開鉆孔結(jié)構(gòu)有效的保證了鉆探的順利施工。鉆探結(jié)果查明了地層的分布以及71煤采空區(qū)影響地層頂界，同時通過簡易水文觀測也佐證了采空區(qū)裂隙得到了很好的加固。

4 結(jié) 論

1)在鉆孔結(jié)構(gòu)設計上，根據(jù)實際地層分布以及鉆孔穿過垮落帶特點，設計了二開套管結(jié)構(gòu)，一套管主要起護壁作用，目的是成孔固定，二套管是漿液通道，目的是使?jié){液可以直達目的層位。同時一開鉆進至基巖，二開鉆進至目的層，鉆井過程中進行了測井與頂漏鉆井，保證了成孔。

2)工程實例表明，施工的6個鉆孔均達到設計要求，設計的二開鉆孔結(jié)構(gòu)有效的保證了鉆探的順利施工。揭露的基巖位置與原有資料基本吻合；基本查明了71煤采空區(qū)影響地層范圍及裂隙發(fā)育特征，同時通過簡易水文觀測也佐證了采空區(qū)裂隙加固效果較好。

3)本文所作研究可以應用到類似情況下的地面注漿改造破碎頂板的工程實例中，為地面注漿改造鉆探工程提供技術(shù)保障。