單水源分級多壓式井下導高探測系統(tǒng)的研發(fā)與應用

趙秋陽，樊振麗，張風達，于秋鴿

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013； 2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

覆巖破壞規(guī)律的研究是解放水體下壓煤和保證礦井生產(chǎn)安全的關(guān)鍵[1]，而導水裂縫帶高度是煤層覆巖破壞規(guī)律研究中的重要問題[2]，是預測礦坑涌水量，設(shè)計探放水鉆孔，計算垂向防水煤柱的主要技術(shù)參數(shù)，對于研究頂板突水機理有重要的理論意義和實用價值，廣泛應用在礦井防治水安全評價[3]、綠色保水開采設(shè)計等領(lǐng)域[4]，對礦井安全生產(chǎn)來說是最基本的技術(shù)依據(jù)。獲取導水裂縫帶高度的最直接、最有效、最可靠的方法是現(xiàn)場實測，主要包括地面鉆孔簡易水文觀測法、井下仰孔雙端堵水器觀測法、鉆孔聲速法、鉆孔超聲成像法、彩色鉆孔電視觀測法、微震監(jiān)測技術(shù)、其它物理探測方法等[5，6]。其中，井下仰孔觀測作為一項較為新型的技術(shù)方法，相較于地面鉆孔觀測法具有鉆進及觀測速度快、工藝簡單、工程費用少等優(yōu)點，其核心原理在于采用雙端堵水膠囊脹封的方式在密閉空間探測水源在孔內(nèi)裂隙中的漏失量[7，8]，從而根據(jù)漏失量的大小來反映孔壁裂隙的發(fā)育程度，為導水裂縫帶頂點判別提供技術(shù)依據(jù)。

國內(nèi)學者針對井下導水裂縫帶高度的探測展開了一定的應用研究，山東礦業(yè)學院1990年對于雙端堵水器進行了研發(fā)，裝置采用中間導管連接兩端兩個堵孔注水(充氣)器而成，具有堵孔和注水(充氣)兩項能力，該系統(tǒng)膠囊起脹和鉆孔測試采用同一套管路，觀測工作實施較為便利，在當時井下導水裂縫帶觀測中發(fā)揮了重要作用，但該裝置注水閥門關(guān)閉壓力較開啟壓力閥值偏低，致使開啟容易關(guān)閉難，制止不住孔內(nèi)水壓升高，容易使膠囊封堵失效[9]。河南理工大學2014年研發(fā)了井下封堵鉆孔分段注(放)液裂隙測量系統(tǒng)，膠囊起脹與鉆孔測試段注水采用兩套獨立的管路系統(tǒng)分別控制，本套系統(tǒng)對鉆孔要求不高，方法簡便，但儀表較多，管路系統(tǒng)容易纏繞及現(xiàn)場操作較為復雜[10]。中煤科工集團西安研究院有限公司2018年對導水裂隙帶高度井下仰孔探測裝置進行了改進及應用，以轉(zhuǎn)換閥作為關(guān)鍵部件，通過鉆具上下移動實現(xiàn)膠囊、測試段與注水系統(tǒng)之間的連接與切換，機械轉(zhuǎn)換效果較為可靠[11]。以上研究成果對于井下采動裂縫探測領(lǐng)域的發(fā)展起到積極推進作用，同時國內(nèi)學者一直在圍繞膠囊脹封水(氣)源與探測水源兼容性進行研究[12-14]，可見其對于該類設(shè)備探測成功率及效率的重要性?；诖耍芯恳环N單水源分級多壓式采動裂縫井下導高探測系統(tǒng)，通過減壓閥高低壓分級轉(zhuǎn)換實現(xiàn)單水源膠囊脹封和探測充水一體化，利用高壓轉(zhuǎn)換成不同級別的低壓實現(xiàn)低多壓遞進探測。系統(tǒng)研究成功解決了傳統(tǒng)井下導高探測儀膠囊脹封管路與探測水源管路纏繞導致探測成功率低的問題，還能豐富不同低壓狀態(tài)下的導水裂縫帶探測數(shù)據(jù)，對于研究多壓狀態(tài)下的采動裂縫導水能力、精確探測導水裂縫帶高度有重要意義。

1 探測系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

井下導水裂縫帶觀測一般在工作面周邊巷道向煤層采空區(qū)上方覆巖施工仰斜鉆孔，采用雙端堵水膠囊脹封的方式在密閉空間探測水源在孔內(nèi)裂隙中的漏失量，從而根據(jù)漏失量來反映孔壁裂隙的發(fā)育程度，為導水裂縫帶頂點判別提供技術(shù)依據(jù)。

目前市場流通的井下仰孔觀測設(shè)備存在一項較大的弊端：井下導高觀測儀必須采用單獨的充氣或充水管路對起脹膠囊進行充氣封堵，探測過程中不能實現(xiàn)封堵觀測一體化，實際觀測過程中充水鉆桿與充氣高壓管極易纏繞或擠堵，從而降低探測成功率，而且現(xiàn)有技術(shù)只能實現(xiàn)單項壓力狀態(tài)下鉆孔各孔段漏失流量的觀測，測試數(shù)據(jù)較為單一且無對比性，未對低壓探測段的多壓遞進式探測進行研究。

圖1 傳統(tǒng)雙端堵水器探測系統(tǒng)

為解決上述問題，研究了一種單水源分級多壓式采動裂縫井下導高觀測系統(tǒng)，觀測系統(tǒng)包括Ⅰ級高壓注推一體化系統(tǒng)、Ⅱ級高壓膠囊脹封系統(tǒng)、Ⅲ級低多壓遞進探測系統(tǒng)，其中Ⅲ級低多壓遞進探測系統(tǒng)是實現(xiàn)單水源分級多壓式功能的關(guān)鍵組件，位于兩側(cè)膠囊的探測段，通過高壓轉(zhuǎn)換不同級別低壓的壓差[15，16]實現(xiàn)的，這種觀測系統(tǒng)可以實現(xiàn)單水源高壓膠囊脹封與低壓轉(zhuǎn)換探測的雙重功能，還能夠?qū)崿F(xiàn)低壓探測段的多壓遞進式探測。

圖2 單水源分級多壓式采動裂縫井下導高觀測系統(tǒng)

2 探測系統(tǒng)工作步驟

利用研發(fā)的單水源分級多壓式采動裂縫井下導高觀測系統(tǒng)進行探測，測試步驟如下：①井下仰上鉆孔施工，在煤巖巷道中向頂板巖體中先后施工規(guī)定角度的多個鉆孔，孔深視工作面采厚、鉆孔角度、施工場地等實際條件而定；②安裝觀測系統(tǒng)，依次將Ⅲ級低多壓遞進探測系統(tǒng)、Ⅱ級高壓膠囊脹封系統(tǒng)(耐受壓力區(qū)間0～3MPa)與Ⅰ級高壓注推一體化系統(tǒng)中的頂部鉆桿連接在一起，使得兩個高壓膠囊脹封系統(tǒng)中的連通花管與Ⅰ#水壓轉(zhuǎn)換腔、Ⅱ#水壓轉(zhuǎn)換腔及之間的連通管保持連通，通過井下鉆場鉆機操作，連接鉆桿，推進至測試段，計算靜水壓差，連接高壓水源；③系統(tǒng)連接后，開始對高壓注推一體化系統(tǒng)進行注水，直至Ⅱ級高壓膠囊脹封系統(tǒng)壓力升至1.5～2.0MPa，高壓膠囊脹封系統(tǒng)開啟工作，探測段兩端得到有效脹封；④Ⅱ級高壓膠囊脹封系統(tǒng)脹封工作完成后，繼續(xù)加壓，直至高壓膠囊脹封系統(tǒng)與水壓轉(zhuǎn)換腔壓力達到2.0MPa，Ⅲ級低多壓遞進探測系統(tǒng)中的Ⅰ#減壓閥開啟，Ⅱ#減壓閥關(guān)閉，注水高壓保持在2.3MPa左右，探測段維持固定低壓0.1MPa，穩(wěn)定后探測段在0.1MPa水壓下開始進行觀測，觀測30s后停止觀測，記錄水量漏失數(shù)據(jù)；⑤完成低壓一級探測后，繼續(xù)加壓，直至高壓膠囊脹封系統(tǒng)與水壓轉(zhuǎn)換腔壓力達到2.5MPa，Ⅲ級低多壓遞進探測系統(tǒng)中的Ⅱ#減壓閥開啟，Ⅰ#減壓閥關(guān)閉，注水高壓保持在2.6MPa左右，探測段維持固定低壓0.2MPa，穩(wěn)定后探測段在0.2MPa水壓下開始進行觀測，觀測30s后停止觀測，記錄水量漏失數(shù)據(jù)；⑥在Ⅰ級高壓注推一體化系統(tǒng)中進行泄壓操作，Ⅱ級高壓膠囊脹封系統(tǒng)泄壓恢復原狀，Ⅲ級低多壓遞進探測系統(tǒng)中的Ⅰ#減壓閥、Ⅱ#減壓閥關(guān)閉，完成一個循環(huán)的觀測工作，I級高壓注推一體化系統(tǒng)續(xù)接鉆桿，繼續(xù)推進，進入下一個觀測段，如此循環(huán)。其探測詳細步驟如圖3所示。

①—初始狀態(tài)；②—膠囊脹封階段；③—Ⅰ#減壓閥開啟階段；④—Ⅱ#減壓閥開啟階段圖3 單水源分級多壓式采動裂縫井下導高觀測步驟

3 探測系統(tǒng)實例應用

3.1 工作面概況

榆林某礦21302工作面埋深約200m，采用綜合機械化采煤工藝，3-1煤層采厚2.8m，已于2019年10月回采結(jié)束，工作面上覆垂距約30m處為2-2煤層采空區(qū)，2-2煤層采厚4.3m，屬于淺埋近距離煤層重復采動條件。為了研究上述地質(zhì)采礦條件下的煤層頂板導水裂縫帶發(fā)育特征，在距離始采線830m位置的21302工作面輔運巷施工2個井下仰上鉆孔，采用單水源分級多壓式采動裂縫井下導高探測系統(tǒng)進行地層注水漏失量觀測。鉆孔預想剖面及參數(shù)如圖4所示。

圖4 21302工作面仰上鉆孔預想剖面

21302工作面頂板垂距約30m存在2-2煤層采空區(qū)，井下仰上鉆孔需穿過上部煤層采空區(qū)及垮落帶，采空區(qū)及垮落帶范圍內(nèi)的巖層極其破碎，穩(wěn)定性差，鉆孔孔壁容易失穩(wěn)塌陷，增加了地層注水漏失量觀測的難度。采用單水源分級多壓式采動裂縫井下導高探測系統(tǒng)，由于簡化了原有系統(tǒng)的風管結(jié)構(gòu)，可以增加探測工作的成功率，減小廢孔及埋管的風險，有效提高了井下導高探測工作的安全性及經(jīng)濟性。

3.2 鉆孔注水測試結(jié)果

采用單水源分級多壓式采動裂縫井下導高探測系統(tǒng)對CH01、CH02鉆孔進行了注水滲漏量觀測，分別在注水壓力0.1MPa、0.2MPa條件下進行了低多壓遞進式觀測，通過觀測分析不同孔深位置的注水滲漏量，判定采動裂縫是否發(fā)育以及發(fā)育程度。CH01、CH02鉆孔分段注水滲漏量數(shù)據(jù)變化曲線如圖5、圖6所示。

圖5 CH01鉆孔分段注水滲漏量分布

圖6 CH02鉆孔分段注水滲漏量分布

3.2.1 CH01鉆孔分段注水滲漏量分析

分析圖5可知，CH01鉆孔在孔深89.0～107.1m層段，0.1MPa鉆孔分段注水滲漏量達11.6～15.0L/min，0.2MPa鉆孔分段注水滲漏量達13.1～17.1L/min，滲漏量處于較高水平，可見該層段有采動裂縫發(fā)育，其位于裂縫帶下部，因而滲漏量較大，判定該段已進入工作面頂板的采動裂縫發(fā)育范圍。在孔深107.1～128.3m段，鉆孔分段注水滲漏量逐步下降，鉆孔越深，巖層距離煤層越遠，采動裂縫發(fā)育程度越弱，裂縫發(fā)育寬度越小，因而滲漏量逐步下降；在孔深128.3～151.5m，0.1MPa鉆孔分段注水滲漏量穩(wěn)定在3.6L/min以內(nèi)，0.2MPa鉆孔分段注水滲漏量穩(wěn)定在5.4L/min以內(nèi)，由于巖性多為中、粗砂巖，本身具有較好的滲透性，封堵段的注水發(fā)生了少量滲漏，推斷該段已穿過采動裂縫發(fā)育區(qū)域，進入完整巖層段。

CH01鉆孔整個注水滲漏量分布圖中，0.2MPa鉆孔分段注水滲漏量普遍大于0.1MPa鉆孔分段注水滲漏量，而且裂縫帶下部低多壓滲漏量差距較大，說明距離煤層較近的裂縫具備較好的連通性，隨著裂縫帶向上發(fā)育滲漏量差距變小，反映了頂板巖層裂縫向上發(fā)育越來越小、連通性變差的普遍規(guī)律。在孔深128.3m后，兩個觀測壓力下的滲漏量同時出現(xiàn)低滲漏量拐點，且滲漏量之差明顯變小，裂縫導水能力受水壓因素影響變小，呈現(xiàn)明顯的完整基巖特征。

3.2.2 CH02鉆孔分段注水滲漏量分析

分析圖6可知，CH02鉆孔在孔深93.0～118.6m層段，0.1MPa鉆孔分段注水滲漏量達7.1L/min，0.2MPa鉆孔分段注水滲漏量達9.3L/min，滲漏量處于較高水平，可見該層段有采動裂縫發(fā)育，其位于裂縫帶下部，因而滲漏量較大，判定該段已進入工作面頂板的采動裂縫發(fā)育范圍。在孔深118.6～129.3m段，鉆孔分段注水滲漏量雖然有波動，但其整體趨勢明顯減小，這是由于鉆孔越深，巖層距離煤層越遠，采動裂縫發(fā)育程度越弱，裂縫發(fā)育寬度越小，因而滲漏量逐步下降；在孔深129.3～150.0m，0.1MPa鉆孔分段注水滲漏量穩(wěn)定在3.7L/min以內(nèi)，0.2MPa鉆孔分段注水滲漏量穩(wěn)定在5.4L/min以內(nèi)，由于巖性多為中、粗砂巖，本身具有較好的滲透性，封堵段的注水發(fā)生了少量滲漏，推斷該段已穿過采動裂縫發(fā)育區(qū)域，進入完整巖層段。

3.2.3 小結(jié)

CH01鉆孔傾角73°，CH02鉆孔傾角65°，兩鉆孔位置對應的煤層傾角約1°，3-1煤采厚2.8m，2-2煤采厚4.3m，煤層間距33m。綜合各項數(shù)據(jù)分析，認為CH01鉆孔揭露的21302工作面3-1煤層和2-2煤層采動裂縫頂點位于孔深128.3m處，采動最大導水裂縫帶高度為距離3-1煤層頂板垂距122.02m處；認為CH02鉆孔揭露的21302工作面3-1煤層和2-2煤層采動裂縫頂點位于孔深129.3m處，采動最大導水裂縫帶高度為距離3-1煤層頂板垂距116.21m處。

經(jīng)與相鄰礦井隆德煤礦地面覆巖觀測孔數(shù)據(jù)對比，隆德煤礦實測2-2煤層(3.9m采高)裂采比19.41倍，本次采用單水源分級多壓式井下導高探測系統(tǒng)觀測的2-2煤層單層開采(4.3m)裂采比為19.70倍與18.35倍，預測精度較高。單孔探測時間由原來的8h提高至4h，兩次探測消耗探管一支，未發(fā)生堵孔、廢孔事故，安全及經(jīng)濟效益明顯。

4 結(jié) 語

在傳統(tǒng)雙端堵水器的基礎(chǔ)上對采動裂縫井下導高探測系統(tǒng)進行了改進研發(fā)，觀測設(shè)備包含Ⅰ級高壓注推一體化系統(tǒng)、Ⅱ級高壓膠囊脹封系統(tǒng)、Ⅲ級低多壓遞進探測系統(tǒng)共三個主要構(gòu)件，通過減壓閥高低壓分級轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了單水源膠囊脹封和探測充水一體化，利用高壓轉(zhuǎn)換成不同級別的低壓實現(xiàn)了低多壓遞進式的探測。該一體化設(shè)備對于近距離煤層綜合導水裂縫帶的探測較為實用，在鉆孔穿采空區(qū)段應用效果較好，成功率大幅增加，安全及經(jīng)濟效應明顯，同時低多壓探測系統(tǒng)對于精確判別導水裂縫帶拐點，研究頂板覆巖破壞發(fā)育的普遍規(guī)律，有著非常實用的效果。