準(zhǔn)格爾礦區(qū)煤礦井下水害綜合防治技術(shù)

王 慶

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

煤礦中水害類型按照充水水源不同可分為地表水水害、老空水水害、孔隙水水害、裂隙水水害、薄層灰?guī)r水害、厚層灰?guī)r巖溶水害；按充水通道分類水害可分為直接揭露型水害、頂板水害、底板水害、斷層水害、陷落柱水害、封閉不良鉆孔水害；通常在研究礦井水害的時候?qū)Τ渌催M(jìn)行研究分析，從充水通道著手對水害進(jìn)行治理、防控[1－3]。目前國內(nèi)煤礦防治水技術(shù)已初步形成物探結(jié)合常規(guī)鉆探的配套技術(shù)[4－8]，但是也顯現(xiàn)出諸多問題和不足。尤其是煤礦井下鉆探技術(shù)發(fā)展緩慢，一直存在鉆孔施工工程量大、鉆孔深度較小、鉆孔軌跡無法實(shí)時控制、難以精確探查等技術(shù)難題[9－12]。為此以準(zhǔn)格爾礦區(qū)某煤礦底板奧灰水防治為例，提出一種基于定向鉆進(jìn)工藝的綜合勘探與防治技術(shù)，從而為相似礦井提供技術(shù)理論及實(shí)踐依據(jù)。

1 礦井地質(zhì)概況

某礦位于鄂爾多斯市臺向斜東段準(zhǔn)格爾煤田，井田總體構(gòu)造為波狀起伏，近南北走向。井田主采6#煤層厚9.64～30.01 m，平均18.93 m，底板多為泥巖、砂質(zhì)黏土巖，局部為粗粒砂巖，底板標(biāo)高為+777.8～+791.7 m，下部為奧灰強(qiáng)富水含水層，奧灰水位標(biāo)高為+868.8～+872.7 m，奧灰水位較工作面底板高84～101 m，屬于帶壓開采，預(yù)計奧灰水壓最大值為1.5 MPa。6#煤底板至奧灰頂界面，即6#煤底板隔水層厚度為33.69～66.48 m，平均距離為49.16 m，工作面回采后底板破壞深度平均約28.5 m，奧灰承壓水自然導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨葹?.3 m，底板有效隔水層厚度不足20 m，礦井奧灰水的突水可能性較大，同時也存在奧灰水以斷層等構(gòu)造為導(dǎo)水通道突入礦井造成事故的風(fēng)險。

2 水害綜合防治技術(shù)

2.1 物探勘探技術(shù)

礦井物探技術(shù)具有覆蓋區(qū)域廣，綜合成本低等特點(diǎn)，目前常用的有三維地震勘探、瞬變電磁探測、瑞利波探測、礦井音頻電穿透、井下槽波地震探測、地質(zhì)雷達(dá)探測等技術(shù)手段。其中井下探測常用的為槽波地震探測及音頻電穿透技術(shù)，可用于探查小斷層、陷落柱、煤層分叉與變薄帶、采空區(qū)及廢棄巷道等地質(zhì)異常，其設(shè)備及技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)、探測距離大、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.1.1 槽波地震探測

槽波地震勘探是利用在煤層中激發(fā)和傳播的導(dǎo)波，探查煤層不連續(xù)性的1種地球物理方法，是地震勘探的1個分支。在該工作面回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷及切眼均采用10 m接收道距、30 m炮間距，工作面槽波振幅衰減成像圖如圖1。圖1中藍(lán)色（冷色）區(qū)域代表槽波能量正常穿透區(qū)，紅黃色（暖色）區(qū)域代表槽波能量低穿透區(qū)，工作面內(nèi)槽波振幅衰減成像基本在正常范圍內(nèi)，內(nèi)部構(gòu)造相對簡單，但在靠近巷道及切眼有較明顯的小范圍槽波衰減強(qiáng)烈，代表該區(qū)域巖層松散。

圖1 工作面槽波振幅衰減成像圖Fig.1 Amp litude attenuation imaging of groove wave in working face

結(jié)合巷道揭露情況，其原因可能是由于煤層巷道的掘進(jìn)，破壞了原有地層應(yīng)力平衡，巷道側(cè)幫一定厚度的煤層處于松動圈范圍，松動圈的煤層對彈性波吸收作用明顯，但也不排除為小斷層、裂隙發(fā)育等異常構(gòu)造情況，因此需對該區(qū)域松散破碎地層重點(diǎn)預(yù)防處理。

2.1.2 礦井音頻電穿透

礦井音頻電穿透技術(shù)是最有效探測采煤工作面頂?shù)撞繋r層中含水構(gòu)造的礦井物探技術(shù)之一。一般情況下，在地層層位分布穩(wěn)定、巖性相對均一的情況下，電性分布穩(wěn)定，視電導(dǎo)率等值線分布均勻、變化平緩。若存在含導(dǎo)水構(gòu)造情況下的電性均勻分布規(guī)律被打破，反映在圖上為視電導(dǎo)率值增大，視電導(dǎo)率等值線扭曲、變形為圈閉或呈密集條帶狀等。在彩色平面圖上則高電導(dǎo)異常區(qū)更為直觀，表現(xiàn)為青色，且導(dǎo)電性越好，青色越深。視電導(dǎo)率值越高，說明地層的相對綜合導(dǎo)電性越好，若含水，則相對也就越豐富。

音頻電穿透巖層視電導(dǎo)率等值線圖如圖2。音頻電穿透巖層視電導(dǎo)率表明工作面底板下部0～40 m巖層視電導(dǎo)率范圍為1.29～13.12 S/m，平均值為5.13 S/m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.74 S/m，結(jié)合工作面已知地質(zhì)條件，異常閾值取為6.0 S/m。工作面底板下部40～80 m巖層視電導(dǎo)率范圍為0.94～9.11 S/m，平均值為4.50 S/m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.33 S/m，異常閾值取為5.0 S/m。切眼處下部0～80 m均發(fā)現(xiàn)低阻異常區(qū)，異常范圍較小，幅值中等，推測切眼異常附近裂隙較為發(fā)育。

圖2 音頻電穿透巖層視電導(dǎo)率等值線圖Fig.2 Contour map of apparent conductivity of audio frequency electric penetration

2.2 定向鉆探技術(shù)

1）設(shè)備配套。定向鉆探裝備選用ZDY6000LD型頂線鉆機(jī)及配套測量系統(tǒng)，采用1.25°彎角螺桿鉆具主動造斜方式，泥漿泵輸出沖洗液經(jīng)通纜鉆具進(jìn)入螺桿馬達(dá)，在馬達(dá)進(jìn)出口形成一定壓差，推動馬達(dá)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過萬向軸和傳動軸將轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞給鉆頭，從而達(dá)到碎巖的目的。在鉆進(jìn)過程中通過改變彎頭的朝向，使鉆孔實(shí)現(xiàn)定向彎曲變化，通過隨鉆測斜數(shù)據(jù)來調(diào)整彎外管的工具面向角，從而使鉆孔的傾角和方位基本達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。該配套設(shè)備廣泛應(yīng)用于地質(zhì)構(gòu)造及異常體探查、瓦斯抽采、防滅火、頂板疏放水及底板注漿加固等煤礦安全領(lǐng)域。設(shè)備配套及連接工藝如圖3。

圖3 定向鉆探設(shè)備配套連接圖Fig.3 M atching connection diagram of directional drilling equipment

2）孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計。定向鉆孔為三級孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計，一級孔身結(jié)構(gòu)為φ168 mm×6 m孔口管，用于安裝閘閥、避開孔口破碎圍巖；二級孔身結(jié)構(gòu)為φ127 mm孔口管，目的為穿過煤線、泥巖等塌孔層位，三級孔深結(jié)構(gòu)為定向孔段，主要是在目的層位進(jìn)行延伸，對異常區(qū)進(jìn)行探查。定向鉆孔孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4。

圖4 定向鉆孔孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.4 Structural design of directional drilling hole

3）鉆孔軌跡。針對物探技術(shù)探查出的異常區(qū)域，在回風(fēng)巷5號鉆場向工作面切眼中部施工D1底板探查注漿定向鉆孔，平面水平方位為115°，垂直剖面為6#煤底板下部35～40 m。定向鉆孔一開使用φ193 mm鉆頭鉆進(jìn)至8.5 m（孔深7 m時見砂巖），下入φ168mm無縫鋼套管8.5 m，采用水泥～水玻璃雙液漿固管，帶壓4.0 MPa注漿對套管進(jìn)行封固；二開使用φ153 mm鉆頭鉆進(jìn)至9 m，做壓水試驗，憋壓3.0 MPa，30 min后壓降為0，固管質(zhì)量合格，繼續(xù)用φ153 mm鉆頭鉆進(jìn)至63 m，下入φ127 mm無縫鋼套管63 m；三開使用φ98 mm鉆頭鉆進(jìn)至63.5 m，做壓水試驗，憋壓3.0 MPa，30 min后壓降為0，二級固管質(zhì)量合格。在孔口安裝φ150 mm高壓閘閥，使用φ98 mm鉆頭通過閘閥裸孔鉆進(jìn)至終孔480 m，終孔水量12.4 m3/h。D1定向探查鉆孔平面軌跡如圖5。

圖5 定向探查鉆孔平面軌跡示意圖Fig.5 Plane trajectory of directional exploration borehole

2.3 水文地球化學(xué)分析

1）涌水量分析。D1孔施工過程中觀測鉆孔涌水量，鉆進(jìn)至72 m處水量變化為1.6 m3/h，水量隨后隨著孔深而增加，終孔水量為12.4 m3/h。定向探查鉆孔涌水量曲線如圖6，圖6中顯示在約330 m處涌水量由約5 m3/h變?yōu)? m3/h，在460 m到切眼處出水量由約9 m3/h變?yōu)?2 m3/h，涌水量增加較大，推測該處底板巖層裂隙較發(fā)育，含水量較豐富。

圖6 定向探查鉆孔涌水量曲線Fig.6 W ater inflow curve of directional exploration borehole

2）水質(zhì)分析。D1定向探查鉆孔施工過程中取水樣進(jìn)行水質(zhì)化驗，水質(zhì)分析結(jié)果如圖7。在0～320 m孔段鉆孔水中Cl-含量范圍為230.8～280.1 mg/L，平均為257 mg/L，在330～480 m孔段中Cl-含量突增，保持在331.4～439.9 mg/L，平均為396.1 mg/L。一般情況下礦井頂板砂巖水中Cl-含量較低，而奧灰水中Cl-含量較高，因此初步推測該鉆孔在330 m到終孔切眼處存在與底板奧灰水導(dǎo)通的可能性。

圖7 鉆孔出水中Cl-含量曲線圖Fig.7 Curve of Cl-content in drilling water

3 綜合勘探分析與防治

3.1 綜合勘探分析

地質(zhì)勘探一般遵循“物探先行、鉆探驗證、化探跟進(jìn)”的原則，在該礦井工作面槽波地震發(fā)現(xiàn)在切眼有一處較明顯的小范圍槽波衰減強(qiáng)烈，音頻電穿透結(jié)果也表明該處存在低阻異常區(qū)，因此推測切眼異常附近裂隙較為發(fā)育。運(yùn)用定向鉆進(jìn)技術(shù)對圈定異常區(qū)進(jìn)行探查，表明在鉆孔320 m至切眼終孔點(diǎn)孔段涌水量有突然增加的趨勢，且水質(zhì)分析結(jié)果亦表明該孔段Cl-含量可達(dá)439.9 mg/L，明顯高于普通砂巖水中Cl-含量。建議將綜合勘探技術(shù)共同發(fā)現(xiàn)的切眼附近異常作為本工作面的防治水重點(diǎn)區(qū)域。

3.2 異常區(qū)注漿加固治理

該礦井對于底板奧灰水害，采取注漿加固底板隔水層的方式進(jìn)行治理。針對該工作面異常區(qū)域，采用地面注漿站及井上下注漿管路系統(tǒng)，把地面注漿泵組和井下D1孔孔口閘閥連接起來進(jìn)行注漿，結(jié)合井下高壓泥漿泵穩(wěn)壓補(bǔ)漿的地面-井下聯(lián)合注漿工藝對煤層底板進(jìn)行注漿加固治理。

注漿前先壓清水1 h，疏通注漿管路并對地層進(jìn)行壓水；采用密度為1.2（水灰比約為3∶1）的稀漿進(jìn)行試注漿，注漿50 t后地面注漿泵壓力?。ǎ? MPa），逐步提高漿液密度為1.3（水灰比約為2∶1）繼續(xù)注漿，該水灰比水泥注漿量達(dá)到100 t，地面注漿泵壓力仍較?。ǎ? MPa），逐步提高漿液密度為1.36（水灰比約為1.5∶1）繼續(xù)注漿，地面注漿站壓力升高為6 MPa，穩(wěn)壓約60 min后停止地面注漿；在該水灰比下繼續(xù)采用井下高壓泥漿泵注漿，壓力提高為9 MPa且穩(wěn)壓30 min后停止注漿。利用該注漿工藝，共注入水泥457.5 t，注漿終壓9 MPa，對圈定異常區(qū)地層進(jìn)行了有效加固。

3.3 效果驗證

實(shí)際揭露結(jié)果表明，該工作面回采時近切眼處所圈定異常區(qū)域巖石松散破碎、地層層理紊亂，疑是小規(guī)模陷落柱的地質(zhì)異常構(gòu)造，揭露時無底板奧灰水涌入現(xiàn)象。采用取心鉆孔對異常區(qū)進(jìn)行探查時可見水泥樣，工作面回采過程中未發(fā)生奧灰水通過煤層底板導(dǎo)入現(xiàn)象發(fā)生，表明注漿水泥對該破碎異常區(qū)域進(jìn)行了有效的膠結(jié)固化，切斷了底板奧灰水的連接通道，保障了工作面的安全回采。

4 結(jié) 語

1）槽波地震探測技術(shù)可對工作面內(nèi)部槽波振幅衰減強(qiáng)烈區(qū)域進(jìn)行圈定，音頻電穿透技術(shù)可對含水地層的低阻異常區(qū)進(jìn)行區(qū)分，多種物探技術(shù)結(jié)合可對工作面內(nèi)部及底板異常區(qū)進(jìn)行有效勘探。

2）定向鉆探技術(shù)可鉆進(jìn)至異常靶區(qū)，結(jié)合水文及水質(zhì)化學(xué)分析技術(shù)，對異常區(qū)域進(jìn)行驗證。

3）地面-井下聯(lián)合注漿工藝可對底板松散破碎地層進(jìn)行有效的注漿加固，切斷奧灰水害與工作面的連接通道，保障工作面的安全回采。

4）針對該礦井地質(zhì)條件及防治水要求，形成了一套“物化探結(jié)合、定向鉆探驗證治理”的水害綜合勘探與防治關(guān)鍵技術(shù)。