封閉不良鉆孔的井上下綜合探查和治理

劉 基

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710054)

0 引言

礦區(qū)在不同階段的地質(zhì)勘察過(guò)程中需要施工大量不同孔深的鉆孔，有部分鉆孔在施工結(jié)束后封閉時(shí)，因封堵材料量不足，或深孔封堵技術(shù)不夠，出現(xiàn)事故遺留鉆具，后期技術(shù)驗(yàn)收不達(dá)標(biāo)等諸多要素造成封孔不合格，形成“表面封閉”了的不良鉆孔，簡(jiǎn)稱封閉不良鉆孔。這些鉆孔往往貫穿若干含水層組、老窯、含水?dāng)鄬拥?，形成一條條人為導(dǎo)水通道，給煤礦安全開采帶來(lái)重大安全隱患[1-2]，特別是對(duì)井下開采防治水安全存在極大隱患，很容易將含水層導(dǎo)通，造成涌水突水事故的發(fā)生。因此需要對(duì)封閉不良鉆孔的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并通過(guò)合理的防治水技術(shù)措施進(jìn)行治理，防止災(zāi)害的發(fā)生，保證煤礦的安全開采。

劉德明[3-4]等利用摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則和厚壁圓筒理論,建立了封閉不良鉆孔側(cè)壁突水力學(xué)模型和突水判據(jù)，后又以兗州礦區(qū)東灘煤礦封閉不良鉆孔為研究對(duì)象,系統(tǒng)分析了封閉不良鉆孔導(dǎo)水危險(xiǎn)性主要影響因素，對(duì)煤礦多個(gè)封閉不良鉆孔的導(dǎo)水性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。前人對(duì)封閉不良鉆孔的探查工作主要以瞬變電磁法探測(cè)技術(shù)為主[5- 6]，而治理措施主要為井下封堵技術(shù)為主[7-8]。

目前封閉不良鉆孔的處理方法最安全最有效的為地面啟封。但由于諸多原因，封閉不良鉆孔的封堵參數(shù)、偏斜參數(shù)不清，造成探測(cè)和處理的效果不佳。前人對(duì)封閉不良鉆孔的探測(cè)工作可能存在無(wú)法探查清楚鉆孔的實(shí)際軌跡，這樣就導(dǎo)致了后期的井下封堵措施目的性不強(qiáng)，可能因?yàn)榉舛鹿こ坦ぷ髁看蠖绊懙V井的生產(chǎn)。本文通過(guò)葫蘆素煤礦的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，分別介紹了從地面和井下兩方面對(duì)封閉不良鉆孔進(jìn)行探查和治理工作，可為后期封閉不良鉆孔的探查和治理提供一定的參考作用。

1 研究背景

葫蘆素煤礦是中天合創(chuàng)有限責(zé)任公司300萬(wàn)t/a二甲醚項(xiàng)目的配套建設(shè)礦井。礦井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗、伊金霍洛旗境內(nèi)，在呼吉爾特礦區(qū)的中部。井田南北走向長(zhǎng)度約7.4km，東西傾斜寬約13.4km，井田面積92.761km2。井田位于鄂爾多斯高原的東北部，區(qū)內(nèi)地形總體趨勢(shì)是南高北低。區(qū)內(nèi)地表均被第四系風(fēng)積沙所覆蓋，主要地貌為固定半固定沙丘，植被稀疏，為沙漠-半沙漠地區(qū)，氣候特征屬于干旱的溫帶大陸性氣候。

1.1 礦井水文地質(zhì)

礦井主采煤層為2-1#煤，煤厚約3m，主要的水害為頂板砂巖水害。2-1#煤頂板從上至下有第四系孔隙含水層、白堊系砂巖孔隙裂隙含水層、侏羅系砂巖裂隙含水層，其中侏羅系砂巖裂隙含水層劃分為安定組砂巖裂隙含水層、直羅組砂巖裂隙含水層。各砂巖層段分布穩(wěn)定，依據(jù)水文地質(zhì)補(bǔ)充勘查鉆孔，2-1#煤距第四系孔隙含水層617～640m，距白堊系砂巖孔隙裂隙含水層258～280m，距安定組砂巖裂隙含水層179～216m，距直羅組含水層0.3～6m。其中第四系孔隙含水層、白堊系砂巖孔隙裂隙含水層以及直羅組砂巖裂隙含水層富水性中等—強(qiáng)；其余含水層富水性相對(duì)較弱。各含水層在井田范圍內(nèi)富水性不均一，具有條帶性分布特征。

1.2 封閉不良鉆孔

HK03號(hào)孔是以往施工的地質(zhì)勘探鉆孔，位于煤礦2-1煤東翼回風(fēng)大巷以北。根據(jù)鉆孔偏斜資料推測(cè)，鉆孔在巷道埋深位置的落點(diǎn)位于回風(fēng)大巷以北9.82m。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》，含水或?qū)當(dāng)鄬臃栏羲?巖)柱的留設(shè)參照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

(1)

式中：L——幫距與超前距，m；

K——安全系數(shù)，一般取2～5；

M——煤層厚度或采高，m；

p——水頭壓力，MPa；

Kp——煤的抗拉強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，推測(cè)水頭壓力為3MPa左右，根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》的要求，安全通過(guò)HK03鉆孔需要平面上預(yù)留的煤柱最少為25m，而實(shí)際距離不到10m，巷道掘進(jìn)過(guò)程中可能存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)斯列薩列夫公式計(jì)算頂板安全隔水層厚度。公式如下：

(2)

式中：t——安全隔水層厚度，m；

L——巷道頂板寬度，m；

γ——頂板隔水層的平均重度，MN/m3;

Kp——頂板隔水層的平均抗拉強(qiáng)度，MPa；

P——頂板隔水層承受的水頭壓力，MPa。

根據(jù)補(bǔ)充勘探階段取心測(cè)試的巖石物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，計(jì)算其頂板的安全隔水層厚度約為15m，即安全通過(guò)HK03鉆孔需要保證剖面上的頂板安全隔水層厚度為15m。

由此，為防止在巷道掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生鉆孔導(dǎo)水，確保礦井安全生產(chǎn)，需對(duì)該孔進(jìn)行處理。處理的方案初步定為地面啟封和井下鉆探綜合探測(cè)。

2 地面啟封技術(shù)

鉆孔地面啟封技術(shù)主要是通過(guò)尋找老孔軌跡，沿著老孔中心進(jìn)行取心透孔[9]。如取上完整砂漿樣后可繼續(xù)正常鉆進(jìn)，如發(fā)現(xiàn)取出的已非砂漿樣，說(shuō)明已經(jīng)偏離原孔，需要適當(dāng)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行鉆進(jìn)，直至取心透孔至設(shè)計(jì)孔深，然后進(jìn)行重新注漿封閉。

2014年1月中煤地質(zhì)總局水文地質(zhì)勘察公司按照設(shè)計(jì)對(duì)HK03鉆孔進(jìn)行地面啟封工作，設(shè)計(jì)啟封深度為905m，但是啟封至埋深464.51m后已無(wú)法進(jìn)行取心鉆進(jìn)，原因分析認(rèn)為該處為原孔的事故頂部位置，下部有鉆具遺留，無(wú)法接續(xù)鉆進(jìn)，最后決定終孔。鉆孔實(shí)際啟封情況為0～197.30m為水泥，但較為疏松； 197.30～219.64m為混漿； 219.64～232.60m為水泥； 232.60～464.51m為泥漿；464.51m為原鉆孔事故頂部位置。

根據(jù)HK03鉆孔以及井田內(nèi)含水層距離2-1#煤頂板距離分析，啟封段深度剛好為白堊系底板位置。但是下部仍然分布有富水性相對(duì)較強(qiáng)的直羅組含水層，為了防止該含水層的水通過(guò)鉆孔導(dǎo)入巷道，需要在井下繼續(xù)開展相應(yīng)的工作，決定在迎頭距離該鉆孔50m位置進(jìn)行鉆探探查工作。

3 井下鉆探探查技術(shù)

3.1 探查設(shè)計(jì)

井下鉆探探查方案主要以2-1#煤層頂板含水層作為標(biāo)志層，通過(guò)探查盡可能圈定2-1#煤東翼回風(fēng)大巷掘進(jìn)前方HK03孔附近的富水異常區(qū)，為下一步制定防治措施提供依據(jù)。

本設(shè)計(jì)主要是試圖通過(guò)在平面和剖面上對(duì)封閉不良鉆孔進(jìn)行“包圍式”探查，圈出其大概位置，然后對(duì)其進(jìn)行后期處理。探查的思路：探清大巷靠近封閉不良鉆孔一側(cè)的平面距離為25m(與需要預(yù)留的最小防水煤柱數(shù)值相同)，頂板高度為15m(頂板安全隔水層厚度)以及底板5m范圍內(nèi)的富水情況。

設(shè)計(jì)鉆孔終孔平面間距為3m，垂直間距為5m，從2-1#煤東翼回風(fēng)大巷DH2測(cè)量點(diǎn)向東42m施工探查鉆孔的鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)尺寸為5.5m×6m。從該鉆場(chǎng)向HK03鉆孔方向共布置8個(gè)探查鉆孔，具體鉆孔平面布置見(jiàn)圖1，具體鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 HK03鉆孔井下探查鉆孔平面布置Figure 1 Underground detection borehole HK03 planar layout

表1 HK03鉆孔的探查孔相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 探查結(jié)果

2014年2月按照設(shè)計(jì)共施工8個(gè)鉆探孔。其中0～20.0m孔徑為Ф127mm，下入Ф108 mm套管20.01m，采用雙液漿進(jìn)行固結(jié)，凝固后，透孔至20.5m，做耐壓實(shí)驗(yàn)，壓力在7.5MPa時(shí)，持續(xù)30min套管不串動(dòng)、周圍無(wú)滲水，證明固管合格。然后采用Ф65 mm無(wú)心鉆頭鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深終孔。經(jīng)過(guò)探查3號(hào)孔出水量0.5 m3/h，4號(hào)孔出水量2.0 m3/h，7號(hào)孔最大出水量15 m3/h，8號(hào)孔最大出水量10 m3/h，8號(hào)孔終孔后噴出大量泥漿夾雜著碎巖塊，噴漿量約20 m3。因此推斷8號(hào)孔可能與HK03封閉不良鉆孔影響區(qū)域?qū)?，?dǎo)致HK03封閉不良鉆孔中淤積的大量泥漿從鉆孔中噴出，由此可知HK03位于8號(hào)孔周圍，且鉆孔周邊富水性較弱，可通過(guò)疏水降壓來(lái)釋放其水壓和水量。

3.3 最終處理方案

打開所有8個(gè)鉆孔進(jìn)行疏水降壓工作，且充分釋放8號(hào)孔的泥漿物，待各鉆孔水量和水壓均將至一定程度且8號(hào)孔不再釋放泥漿后，對(duì)所有鉆孔進(jìn)行注漿封堵后恢復(fù)巷道的掘進(jìn)工作。在掘進(jìn)工作時(shí)加強(qiáng)了巷道支護(hù)，及時(shí)觀察巷道北幫及巷道迎頭的地質(zhì)及水文情況。截止到2014年5月，該大巷已經(jīng)順利通過(guò)封閉不良鉆孔影響區(qū)域，未發(fā)生異常情況。

4 結(jié)語(yǔ)

從地面和井下兩方面提出了處理封閉不良鉆孔的方法，尤其是在井下的探查方面提供了一種在平面和剖面上的“包圍式”鉆探探查思路，為今后的封閉不良鉆孔無(wú)法在地面處理完全的情況提供一定的借鑒作用。本文只是針對(duì)巷道掘進(jìn)階段的封閉不良鉆孔的探查，但未對(duì)工作面回采階段的封閉不良鉆孔的探查提出思路，這是下一步需要進(jìn)一步開展的工作。