煤礦底板強(qiáng)含水層定向鉆進(jìn)注漿治理技術(shù)

趙祥龍

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

奧灰含水層是華北型煤田的主要水害因素，其制約著韓城礦區(qū)煤礦安全開(kāi)采。桑樹(shù)坪煤礦位于渭北煤田韓城礦區(qū)最北端，主采煤層為2號(hào)、3號(hào)、11號(hào)煤層，11號(hào)煤層儲(chǔ)量豐富[1]。由于11號(hào)煤層底板距下部奧灰含水層距離較近(平均26.8m)，且研究區(qū)奧灰含水層具有高水壓、強(qiáng)富水性的特點(diǎn)，導(dǎo)致研究區(qū)11號(hào)煤層的回采面臨底板奧灰水害威脅[2]。針對(duì)以上問(wèn)題，基于底板定向鉆進(jìn)技術(shù)，對(duì)底板隔水層進(jìn)行注漿改造，增強(qiáng)隔水層的隔水性及強(qiáng)度，從而達(dá)到底板加固的目的[3-7]，同時(shí)可對(duì)含水地質(zhì)異常體進(jìn)行治理。該技術(shù)解放了大量煤炭資源[8-10]，并在桑樹(shù)坪煤礦3109工作面11號(hào)煤底板展開(kāi)了治理探查，這些水害治理工程的實(shí)施和應(yīng)用證明了采用基于定向水平鉆進(jìn)技術(shù)的底板注漿法能夠?qū)Φ装逅M(jìn)行有效治理，是解決高承壓、強(qiáng)富水性含水層上煤炭安全開(kāi)采的有效手段。

1 工作面概況

韓城礦區(qū)桑樹(shù)坪煤礦3109工作面地面位于南一500m3瓦斯泵站以北250m，鑿開(kāi)河以南200m處，地面地形以溝谷山梁地貌為主，地面高程+450～+720m，蓋山厚度240～560m。井下位于南一250專(zhuān)回以西，南一185運(yùn)輸巷以東，3110工作面以南。工作面設(shè)計(jì)寬度180m，傾斜長(zhǎng)度1100m。

3109工作面主采11號(hào)煤層，煤層直接底板以鋁質(zhì)泥巖為主，部分為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，抗壓系數(shù)351kg/cm3，抗剪強(qiáng)度73kg/cm3，吸水率2.15%，普氏系數(shù)4.59。煤層底板區(qū)域鋁質(zhì)泥巖破碎加上鉆進(jìn)過(guò)程中縮頸，導(dǎo)致定向鉆孔施工難度大。

2 定向鉆孔注漿技術(shù)方案

2.1 定向鉆進(jìn)裝備配套

近年來(lái)，履帶式全液壓坑道鉆機(jī)由于其具有便于移動(dòng)、鉆進(jìn)效率高、安全性好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠等等優(yōu)點(diǎn)使其在我國(guó)礦井災(zāi)害探查尤其是探放水領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并成為現(xiàn)階段煤礦坑道鉆機(jī)主導(dǎo)機(jī)型[11-13]。

為了高效探查含水層富水性，加強(qiáng)出水后鉆機(jī)處理能力以及注漿封孔能力，綜合考慮設(shè)計(jì)孔深及垂深等因素，選配了扭矩ZDY6000LD型煤礦用履帶式全液壓坑道定向鉆機(jī)及配套機(jī)具，配套?73mm的定向鉆具，鉆頭為?98mm胎體式PDC鉆頭，終孔直徑可達(dá)?100mm?？筛咝讲閰^(qū)域含水層富水性。

2.2 定向注漿鉆孔布置

1)鉆孔平面布置：3109工作面傾斜長(zhǎng)度為1100m，由于礦上接續(xù)面緊張，運(yùn)用“兩頭鉆進(jìn)，中間重合”的對(duì)穿鉆進(jìn)方式，布置兩個(gè)鉆場(chǎng)，平面上設(shè)計(jì)孔深約在600m，既節(jié)省了鉆進(jìn)時(shí)間，又避免單孔孔深過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致鉆桿折斷的風(fēng)險(xiǎn)，還可以對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行重疊探查?？组g距根據(jù)單孔注漿半徑及確保工作面安全回采確定，設(shè)計(jì)工作面內(nèi)孔間距為40m，巷道內(nèi)孔間距12m(及巷道兩側(cè)6m處)。由于3109工作面軌道巷跟3110工作面共用一個(gè)，不需要重新布置軌跡探查。

2)鉆孔空間布置：由于煤層底板存在區(qū)域性破碎帶，開(kāi)孔角度越大，穿過(guò)破碎帶長(zhǎng)度越短，時(shí)間越短，成功率越大，根據(jù)煤層底板距奧灰?guī)r層頂界面厚度，鉆孔軌跡垂深在30～46m之間。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，并考慮到鉆進(jìn)的安全性，設(shè)計(jì)本次開(kāi)孔傾角為-20°。鉆孔設(shè)計(jì)及鉆孔軌跡距煤層底板深度如圖1所示。

圖1 3109工作面鉆孔設(shè)計(jì)及鉆孔軌跡距煤層底板深度

2.3 鉆孔施工及目標(biāo)層透水性探查

2.3.1 鉆孔探查施工

3109工作面內(nèi)共施工10個(gè)主孔，1個(gè)分支孔。累計(jì)進(jìn)尺6738m，最大孔深690m。由于2-3孔施工至552m處出現(xiàn)塌孔縮頸，經(jīng)多次嘗試無(wú)法穿過(guò)，被迫終孔。從2-2孔387m處開(kāi)分支，探查2-3孔未探查到區(qū)域。探查過(guò)程中單孔最大涌水量均小于5m3/h，經(jīng)注漿封孔后，涌水量為0。實(shí)際鉆進(jìn)軌跡亦很好地按設(shè)計(jì)層位進(jìn)行，鉆孔施工情況見(jiàn)表1，鉆孔實(shí)際施工鉆進(jìn)如圖2所示。

圖2 3109工作面鉆孔實(shí)際施工鉆進(jìn)平面圖

表1 鉆孔施工情況

2.3.2 目標(biāo)層透水性探查

鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度時(shí)，需進(jìn)行壓水試驗(yàn)，計(jì)算目的巖層灰?guī)r相對(duì)透水性及裂隙發(fā)育程度[14，15]。通過(guò)泥漿泵向孔內(nèi)進(jìn)行壓水試驗(yàn)，當(dāng)壓力達(dá)到4MPa，且穩(wěn)壓60min時(shí)，流入量不再增加，則壓水試驗(yàn)成功。計(jì)算公式如式(1)，求得計(jì)算吸水率，見(jiàn)表2。

表2 鉆孔壓水試驗(yàn)吸水率

(1)

式中，q為吸水率，L/(min·m·m)；Q為流量(孔內(nèi)流量與壓入流量)，L/min；P為作用于試段內(nèi)的全壓力，m；L為受注層段長(zhǎng)度，m。

由于定向鉆采用清水鉆進(jìn)，終孔后孔內(nèi)充滿(mǎn)清水，壓入量計(jì)算應(yīng)當(dāng)包含孔內(nèi)清水，孔內(nèi)水量按圓柱體積計(jì)算。由計(jì)算數(shù)據(jù)得出各孔的單位吸水率q小于0.005 L/(min·m·m)(即相當(dāng)于粉砂巖的透水性)時(shí)，說(shuō)明該區(qū)域煤系地層及奧灰上部巖層裂隙不發(fā)育。

2.4 鉆孔封孔

泥漿液的擴(kuò)散半徑及有效填充范圍與鉆孔注漿封堵壓力的大小有關(guān)。為了泥漿液達(dá)到適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散半徑，應(yīng)當(dāng)使注漿壓力達(dá)到安全壓力范圍內(nèi)，壓力太低導(dǎo)致造成漏注，壓力過(guò)大會(huì)致使泥漿液擴(kuò)散太遠(yuǎn)，壓力過(guò)高會(huì)使裂隙通道刷大，增加導(dǎo)水通道，留下隱蔽安全隱患。

下鉆至孔底，運(yùn)用煤礦壓風(fēng)將孔內(nèi)清水吹出。運(yùn)用泥漿泵實(shí)行孔口注漿封堵，當(dāng)孔口注漿壓力達(dá)到4MPa時(shí)，且維持30min后，結(jié)束該段注漿封孔。注入泥漿量見(jiàn)表3。

表3 鉆孔封堵吃漿量

封孔注入的泥漿量與壓水試驗(yàn)的壓水量成正比，但由于風(fēng)力無(wú)法將孔內(nèi)清水全部排出孔外，導(dǎo)致壓漿量低于壓水試驗(yàn)的壓水量。根據(jù)防治水要求，避免鉆孔成為二次導(dǎo)水通道，必須嚴(yán)格按照要求封堵鉆孔。

3 定向鉆孔注漿效果

在桑樹(shù)坪煤礦采前進(jìn)行的11煤底板奧灰突水危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中，3109工作面被評(píng)為危險(xiǎn)區(qū)。但經(jīng)過(guò)本次定向鉆進(jìn)注漿改造后，奧灰頂部含水層透水性被降低，從而實(shí)現(xiàn)了將注漿層位含水層改造為隔水層的目的，增加了底板保護(hù)層的厚度，減小了底板突水危險(xiǎn)性。工程結(jié)束后，3109工作面實(shí)現(xiàn)了安全回采，證明了定向鉆進(jìn)注漿技術(shù)在研究區(qū)底板奧陶系灰?guī)r水害防治中的有效性。

4 結(jié) 論

1)通過(guò)定向鉆技術(shù)可實(shí)現(xiàn)工作面底板含水層富水性探查，采用定向鉆在含水層長(zhǎng)距離穿行探查，解除了3109工作面底板奧灰水害的威脅，為工作面回采提供安全保障。

2)考慮鉆孔造斜程度，鉆孔前端(工作面兩端)覆蓋率差，盲區(qū)范圍增大，盲區(qū)可以運(yùn)用常規(guī)鉆探查。定向鉆與常規(guī)鉆結(jié)合，增加探查范圍，確保安全，同時(shí)也增加了探查效率。

3)奧灰?guī)r溶水富水性、透水性強(qiáng)，但極不均一，多表現(xiàn)為區(qū)域性富水或點(diǎn)狀富水。此次探查3109工作面底板奧灰含水層富水性差，煤層底板及奧灰上部巖層裂隙不發(fā)育。