準(zhǔn)格爾礦區(qū)井下水害區(qū)域超前探查防治技術(shù)

劉明軍，王 鋼，崔巖波

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077； 2.鄂爾多斯市國(guó)源礦業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采逐步向深部發(fā)展，煤層開(kāi)采受水害威脅日趨突出，尤其是煤層底板水害已嚴(yán)重制約煤炭安全高效持續(xù)發(fā)展[1-3]。準(zhǔn)格爾煤田6號(hào)煤層全區(qū)可采較穩(wěn)定，是目前主要開(kāi)采煤層，煤田的中西部絕大部分位于奧灰含水層靜水位以下，屬帶壓開(kāi)采[4]。奧灰含水層具有富水性強(qiáng)、補(bǔ)給水源充足穩(wěn)定、煤層底板隔水層厚度薄等特點(diǎn)，采動(dòng)影響對(duì)底板破壞深度較大。雖然6號(hào)煤層底板突水系數(shù)小于臨界突水系數(shù)，突水的可能性比較小，但通過(guò)斷層、陷落柱以及底板擾動(dòng)裂隙等形成垂向?qū)ǖ?，?dǎo)通奧陶系巖溶含水層，局部存在發(fā)生突水的可能。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)在建井或采煤過(guò)程中，區(qū)域內(nèi)曾先后發(fā)生過(guò)酸刺溝、黃玉川、龍王溝、唐家會(huì)礦井出水甚至淹井事故，奧灰水害已成為制約準(zhǔn)格爾煤田礦井安全生產(chǎn)的重大隱患。

目前煤礦井下奧灰水害探查多采用物探方法進(jìn)行，但物探解釋結(jié)果的多解性、探查距離短等不足，影響工作面開(kāi)采。利用定向水平鉆孔進(jìn)行區(qū)域底板探查注漿改造應(yīng)用廣泛，例如焦作、韓城、邢臺(tái)、兩淮、皖北等礦區(qū)，普遍通過(guò)探查改造煤層底板薄層灰?guī)r實(shí)現(xiàn)帶壓開(kāi)采[5-7]。不論是地面水平鉆孔還是井下近水平鉆孔，由于受裝備能力與技術(shù)水平的限制，水平段在目的層中延伸距離大部分在600～700m[8-10]，不能滿足工作面推進(jìn)長(zhǎng)度的煤層底板探查與治理的需要。目前普遍采取多做鉆場(chǎng)來(lái)彌補(bǔ)水平段長(zhǎng)度不夠的缺陷，增加了施工工期、成本，影響工作面的接續(xù)。準(zhǔn)格爾煤田煤層與奧灰之間薄層灰?guī)r缺失，為了充分利用煤層底板至承壓含水層間隔來(lái)阻隔承壓水，實(shí)現(xiàn)帶壓安全開(kāi)采，筆者根據(jù)準(zhǔn)格爾煤田區(qū)域地質(zhì)特征、礦井水害特征、采煤方法，采用井下超長(zhǎng)定向鉆孔工藝技術(shù)，以龍王溝煤礦6號(hào)煤層61605工作面水害防治為例，對(duì)煤層頂板砂巖水進(jìn)行預(yù)疏放；對(duì)煤層底板巖溶陷落柱、斷層及裂隙帶進(jìn)行探查與封堵，切斷垂向?qū)ǖ溃瑢?duì)該區(qū)域煤礦開(kāi)采具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 礦井水害特征

龍王溝煤礦位于準(zhǔn)格爾煤田中西部，地層沉積序列與華北石炭二疊紀(jì)各煤田基本相似[11，12]，主采石炭二疊系煤層。受奧灰水和頂板砂巖水雙重威脅，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。6號(hào)煤層頂板充水水源有山西組砂巖含水層和上、下石盒子組砂巖含水層。山西組砂巖含水層厚度約20.57m，分3層，與含煤地層互層，下層距6號(hào)煤頂板約5.6m，頂層距6號(hào)煤頂板約27.1m；下石盒子組砂巖含水層厚度約61.6m，距6號(hào)煤頂板43.6m；上石盒子組砂巖含水層厚度約89.4m，距6號(hào)煤頂板163.1m。6號(hào)煤層底板以下賦存太原組砂巖含水層和奧陶系灰?guī)r含水層。太原組砂巖含水層厚度約28.9m，距6號(hào)煤底板約9.7m；奧灰含水層厚度超235m，距6號(hào)煤底板約44.3m，煤層與各含、隔水層位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 煤層與各含、隔水層位置關(guān)系

開(kāi)采標(biāo)高為1100～575m，奧陶紀(jì)灰?guī)r水水位實(shí)測(cè)標(biāo)高867.93～871.02m，主采煤層6號(hào)煤層可采范圍底板標(biāo)高826～856m，處于奧灰水水位以下約14～35m，屬承壓采掘，水頭壓力0.14～0.5MPa。

2 煤層底板區(qū)域超前探查治理關(guān)鍵技術(shù)

龍王溝煤礦6號(hào)煤層底板奧灰?guī)r巖溶發(fā)育，具有陷落柱集中發(fā)育的基本條件，奧灰水與黃河具有較強(qiáng)水力聯(lián)系，奧灰水疏降不可行。防治水對(duì)策以巖溶陷落柱及導(dǎo)水構(gòu)造的探查為重點(diǎn)，采取底板隔水層探查與注漿封堵相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)煤層安全開(kāi)采。

2.1 超長(zhǎng)鉆孔超前探查治理原理

在采掘活動(dòng)中遇煤層下方隱伏陷落柱或裂隙帶，在承壓水和采動(dòng)應(yīng)力作用下，誘發(fā)工作面底板斷層活化導(dǎo)水或煤層下方隱伏陷落柱溝通，承壓水突破有限隔水帶形成集中過(guò)水通道，導(dǎo)致奧灰水從煤層底板突出的可能性。

準(zhǔn)確探查陷落柱或裂隙帶發(fā)育情況成為解決6號(hào)煤層受底板奧灰水威脅的關(guān)鍵，探查的方法有物探、鉆探、化探等方法，相比鉆探方法是最直接的手段。利用超長(zhǎng)鉆孔超前探查主要目的是探查封堵導(dǎo)水通道或水源，如圖2所示。定向孔在目的層延伸，利用低密度高壓漿液連續(xù)注漿，使?jié){液在受注層中滲透、擴(kuò)散、充填，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后凝固和硬化，從而達(dá)到加固受注層和抗?jié)B防水的目的。

圖2 超長(zhǎng)鉆孔探查與治理

2.2 目標(biāo)層位優(yōu)選原則

利用超長(zhǎng)定向鉆孔進(jìn)行水害超前探查，合理選擇鉆孔延伸層位至關(guān)重要。根據(jù)探查區(qū)域、鉆場(chǎng)、目標(biāo)層的空間層位關(guān)系，設(shè)計(jì)合理的鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆孔軌跡，選擇合理的目標(biāo)地層及鉆孔參數(shù)，以達(dá)到鉆孔精確控制，為實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)鉆孔創(chuàng)造條件。

考慮鉆進(jìn)效率以及煤層底板的下三帶分布情況，目標(biāo)層選擇原則：①目標(biāo)層本身需要有一定的厚度；②地層穩(wěn)定，不易塌孔、縮徑；③普氏硬度系數(shù)f<6的巖層；④軌道設(shè)計(jì)在完整巖層帶。

2.3 超長(zhǎng)鉆孔軌跡精確控制技術(shù)

隨著采煤工作面走向長(zhǎng)度不斷增加，利用超長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行區(qū)域超前探查勢(shì)在必行[13，14]，超長(zhǎng)鉆孔軌跡精確控制采用“滑動(dòng)糾偏+復(fù)合穩(wěn)斜”的方法。

影響超長(zhǎng)鉆孔軌跡主要有鉆具組合的結(jié)構(gòu)、地層特征、鉆進(jìn)參數(shù)、鉆孔幾何形狀等因素，主要根據(jù)已鉆鉆孔的實(shí)際地質(zhì)情況、幾何形態(tài)，原則上每3m對(duì)鉆孔進(jìn)行一次參數(shù)測(cè)定，預(yù)測(cè)調(diào)整鉆進(jìn)方向，力求鉆孔按照設(shè)計(jì)軌道和要求鉆進(jìn)。鉆孔造斜段，采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)，通過(guò)調(diào)整傾角、方位角，對(duì)鉆孔軌跡實(shí)時(shí)監(jiān)控，順利進(jìn)入目的層；鉆孔穩(wěn)斜段，由于隨鉆孔深度增加，鉆具摩阻不斷增大，滑動(dòng)鉆進(jìn)給進(jìn)壓力增大呈指數(shù)上升趨勢(shì)[15]。通過(guò)復(fù)合鉆進(jìn)傾角控制可有效減少滑動(dòng)定向鉆進(jìn)進(jìn)尺比例，從而起到降低鉆進(jìn)阻力、提高鉆孔深度和鉆進(jìn)效率的作用。

2.4 超長(zhǎng)鉆孔注漿工藝技術(shù)

超長(zhǎng)鉆孔注漿采用前進(jìn)式分段注漿工藝，以鉆孔施工和注漿交替進(jìn)行，當(dāng)達(dá)到啟動(dòng)注漿條件時(shí)，提鉆注漿直至達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，侯凝后掃孔繼續(xù)鉆進(jìn)，如此反復(fù)，直至設(shè)計(jì)深度。

進(jìn)入目的層段，根據(jù)鉆孔涌水量大小、吸水率高低、進(jìn)尺情況，啟動(dòng)注漿作業(yè)。注漿遵循“先稀后濃”注漿原則，采用單液水泥漿，比重維持在1.2～1.5g/cm3，每次注漿如實(shí)測(cè)定并記錄每罐漿液的比重、泵量、泵壓、孔口壓力等參數(shù)，及時(shí)匯總注漿量、注漿前后壓水試驗(yàn)情況，分析注漿效果，為下一步施工提供依據(jù)。鉆孔注漿終壓為4MPa，注漿泵泵量為不超過(guò)50L/min，維持30min后，結(jié)束該段注漿。只要未達(dá)到全孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，每次注漿前后均須壓水，若壓不進(jìn)水，則下鉆具進(jìn)行透、掃鉆孔至孔底，以便下次再注。每次注漿結(jié)束后，均要向孔內(nèi)壓水，壓水量為管路與孔內(nèi)體積之和的兩倍，要對(duì)壓水試驗(yàn)及注漿過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)記錄。

3 水害區(qū)域超前治理工程及效果

利用超長(zhǎng)定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)，對(duì)龍王溝煤礦61605工作面煤層底板進(jìn)行探查治理，確保61605工作面的安全回采，促進(jìn)安全與生產(chǎn)相銜接。

3.1 工作面概況

龍王溝煤礦61605工作面，位于井田第一撓曲帶東側(cè)，YC7號(hào)物探異常區(qū)以西，切眼設(shè)計(jì)長(zhǎng)度255m，推采長(zhǎng)度約1160m，開(kāi)采面積約0.18km2，工作面可采儲(chǔ)量546.8萬(wàn)t，采用綜采放頂煤一次采全高工藝。所采煤層為6號(hào)煤層，煤層埋深370m，長(zhǎng)焰煤，煤層厚度20.80～24.95m，均厚23.10m，煤層傾角5°，采高23.1m，采動(dòng)影響對(duì)底板破壞深度較大，采用綜采放頂煤一次采全高工藝。工作面地面標(biāo)高1173.1～1290.9m，煤層底板標(biāo)高826～856m，處于奧灰水水位以下14～50m，工作面底板距奧灰頂界面44.3m(觀8孔參數(shù))。

3.2 底板破壞深度

煤層底板巖層在采動(dòng)影響下也會(huì)出現(xiàn)一定程度的破碎、裂隙發(fā)育，在斷層、陷落柱及巖體松軟破碎等巖層抗壓薄弱區(qū)域受采動(dòng)影響，存在奧灰水突水的可能，威脅煤礦生產(chǎn)安全，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成淹井等重大事故[16]。

工作面采動(dòng)對(duì)底板破壞深度受底板巖性、采深、工作面長(zhǎng)度、開(kāi)采厚度、地層傾角等地質(zhì)影響。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》中經(jīng)驗(yàn)公式(1)計(jì)算61605工作面范圍內(nèi)底板破壞深度。

h=0.0085H+0.1665a+0.1079L-4.3579

(1)

式中，h為底板破壞深度，m；L為開(kāi)采工作面斜長(zhǎng)，m；H為開(kāi)采深度，m；a為開(kāi)采煤層傾角，(°)。

6號(hào)煤層在開(kāi)采過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生底板破壞帶溝通煤層底板的太原組砂巖裂隙含水層，可能會(huì)對(duì)底板的奧灰水含水層產(chǎn)生影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式(1)計(jì)算得61605工作面底板破壞深度為27.03m，實(shí)測(cè)底板破壞深度為15m，底板擾動(dòng)帶深度為25m。

3.3 超長(zhǎng)定向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)

3.3.1 鉆孔平面布設(shè)

定向長(zhǎng)鉆孔孔間距主要依據(jù)漿液擴(kuò)算半徑確定，漿液的擴(kuò)散半徑隨巖石的滲透系數(shù)、注漿壓力、注入時(shí)間的增加而增大，隨漿液的濃度和黏度的增加而減少。據(jù)礦井現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，巖石漿液平均擴(kuò)散半徑為20 ～25m。

在61605工作面主運(yùn)巷和輔運(yùn)巷各布置一個(gè)鉆場(chǎng)(1D鉆場(chǎng)、31D鉆場(chǎng))，1D鉆場(chǎng)布置3個(gè)底板定向孔(1D-1、1D-2、1D-3)和1個(gè)頂板定向孔(1F-4)；31D鉆場(chǎng)布置2個(gè)底板定向孔(31D-1、31D-2)和1個(gè)頂板定向孔(31F-3)，兩個(gè)鉆場(chǎng)共7個(gè)鉆孔，如圖3所示。探查孔平行工作面巷道方向布置，31D-2距輔運(yùn)巷47m；1D-1孔距主運(yùn)巷47m；孔間距40m。頂板孔探查層位布置在山西組砂巖中，1F-4孔水平段距6號(hào)煤層頂板約27m；31F-3孔水平段距6號(hào)煤層頂板約6m，兩孔間距95m，都平行工作面巷道方向布置。

圖3 61605工作面頂?shù)装宥ㄏ蜚@孔軌跡

鉆探工程目的在于探查61605工作面頂板、底板的富水性，底板隔水巖層導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)育情況，并對(duì)富水異常區(qū)、構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行注漿改造，對(duì)頂板富水異常區(qū)砂巖水疏放，保障龍王溝煤礦61605工作面的順利、安全回采。

3.3.2 目標(biāo)地層優(yōu)選

6號(hào)煤層直接底多為灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖，質(zhì)軟，風(fēng)化易碎，層厚5.37～11.54m，平均厚度7.4m，分布連續(xù)，普氏硬度系數(shù)f<2；基本底為砂質(zhì)泥巖，層厚6.43～18.72m，灰白色，巨厚層狀，粗粒砂狀結(jié)構(gòu)，以長(zhǎng)石石英為主，分選差，磨圓差，棱角狀，孔隙式泥質(zhì)膠結(jié)，半堅(jiān)硬，參差狀斷口，塊狀，普氏硬度f(wàn)=1～3；基本底下伏地層砂泥巖互層，層厚9.87～16.43m，處于理論底板破壞深度以下，層位穩(wěn)定，符合目標(biāo)層原則，探查孔沿鋁土質(zhì)泥巖頂部的砂泥巖互層延伸，距巷道底板約37m，平行工作面巷道方向布置；奧灰含水層上覆巖層為鋁土泥巖與砂巖互層，層厚穩(wěn)定約4.37～11.84m，隔水性能良好。

3.3.3 鉆孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)礦井水文地質(zhì)特點(diǎn)，底板鉆孔孔身結(jié)構(gòu)采用三級(jí)類型：一級(jí)孔身結(jié)構(gòu)主要目的為下入孔口管，安裝控水閥門(mén)；二級(jí)孔身結(jié)構(gòu)主要是穿過(guò)泥巖、煤層等不穩(wěn)定地層；三級(jí)孔身結(jié)構(gòu)為定向造斜段和定向穩(wěn)斜段，目的是通過(guò)鉆孔彎曲使鉆孔沿著設(shè)定軌跡到達(dá)靶區(qū)。鉆孔孔身結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 鉆孔孔身結(jié)構(gòu)

3.4 超長(zhǎng)定向長(zhǎng)鉆孔施工

工作面兩巷及工作面中部位于應(yīng)力集中區(qū)、受剪切應(yīng)力，易發(fā)生底鼓出水。因此，本鉆探工程目的在于探查61605工作面底板隔水巖層導(dǎo)水構(gòu)造發(fā)育情況，并對(duì)富水異常區(qū)、構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行注漿改造，保障61605工作面的順利、安全回采。

選用大功率ZDY12000LD鉆機(jī)、BLY460泵車，配套?89mm鉆具，采用YHD3-1500泥漿脈沖測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)行復(fù)合定向鉆孔施工。以1D-1鉆孔施工為例，一開(kāi)鉆進(jìn)12m，擴(kuò)孔11m，下?219mm套管10m，注水泥0.75t，侯凝72h。掃孔結(jié)束后做耐壓試驗(yàn)，耐壓6MPa，穩(wěn)壓時(shí)長(zhǎng)30min，鉆孔周圍無(wú)滲漏。二開(kāi)鉆進(jìn)78m，擴(kuò)孔78m，下?146mm套管75m，注水泥2.5t，侯凝72h，掃孔結(jié)束后做耐壓試驗(yàn)，耐壓6MPa，穩(wěn)壓時(shí)長(zhǎng)30min，鉆孔周圍無(wú)滲漏。三開(kāi)鉆進(jìn)至642m時(shí)，鉆孔開(kāi)始出水，出水量約1.7m3/h；鉆進(jìn)至987m時(shí)，鉆孔出水量加大約8.1m3/h；1227m終孔出水量約10.8m3/h。鉆遇裂隙為主，鉆探結(jié)果分析以裂隙滲水為主，累計(jì)注水泥量49.31t。

3.5 應(yīng)用效果

以往準(zhǔn)格爾地區(qū)各煤礦施工頂?shù)装宥ㄏ蜚@孔，由于設(shè)備及工藝局限性，鉆孔深度一般不超過(guò)800m。龍王溝61605工作面共布設(shè)2個(gè)鉆場(chǎng)，5個(gè)底板孔，2個(gè)頂板孔，采用復(fù)合鉆進(jìn)工藝，單孔深度均超過(guò)1100m，其中主運(yùn)巷繞道1#鉆場(chǎng)1D-1鉆孔為下斜鉆孔，順利穿越多個(gè)層位，最大垂距37m，終孔1227m，隨著孔深的增加出水量逐漸增大，終孔出水量10.8m3/h。5個(gè)底板孔總注水泥量460.42t，其中施工31D-1孔在618m處遇見(jiàn)裂隙，注漿量為70.18t，2個(gè)頂板孔最大出水量1.5m3/h，靠近物探異常區(qū)主運(yùn)巷出水量較大，底板孔注漿量詳見(jiàn)表2。根據(jù)注漿效果得出61605工作面底板局部裂隙發(fā)育，揭示并注漿改造局部裂隙發(fā)育異常區(qū)，保障工作面安全回采，目前已安全回采。

表2 底板孔注漿量

4 結(jié) 論

1)針對(duì)準(zhǔn)格爾煤田水害特征、特厚煤層、大采高、工作面長(zhǎng)情況，提出了利用井下超長(zhǎng)定向水平孔技術(shù)，以底板隔水層探查與注漿改造相結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)工作面安全帶壓開(kāi)采。

2)選用大功率鉆機(jī)，采用YHD3-1500泥漿脈沖隨鉆測(cè)量裝置進(jìn)行復(fù)合定向巖層鉆孔施工，鉆孔孔深普遍大于1100m，最大孔深達(dá)1227m，達(dá)到超前探查目的。

3)煤層底板超長(zhǎng)定向長(zhǎng)鉆孔探查注漿層位選擇6號(hào)煤層底板以下30～40m范圍內(nèi)，鋁土質(zhì)泥巖上部的砂泥巖互層，施工順利，層位選擇合理可行。

4)龍王溝煤礦灰?guī)r含水層，巖石裂隙發(fā)育不均，富水性強(qiáng)弱不一，61605工作面靠近物探異常區(qū)主運(yùn)巷出水量較大，底板探查孔涌水及注漿量表明，局部裂隙發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)大的導(dǎo)水通道及強(qiáng)富水區(qū)。