長距離定向鉆探技術在掘進巷道水害防治中的應用

趙寶峰，胥海東

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710177；3.國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司 麥垛山煤礦，寧夏 銀川 750011)

我國西部侏羅紀煤炭資源儲量占全國總儲量的60%以上，隨著東部煤炭資源的逐漸枯竭，煤炭生產(chǎn)重點逐步向西部轉移，其在國民經(jīng)濟建設中的地位日益重要，礦井的安全生產(chǎn)成為國家能源供給的重要保障[1]。由于侏羅紀煤田煤層頂板普遍存在基巖裂隙含水層和松散含水層，當采掘工作面的破壞范圍波及至上覆含水層時，往往會發(fā)生頂板水害事故。根據(jù)統(tǒng)計資料，掘進巷道是重大水害事故發(fā)生的主要地點，約占總事故的80%左右，是礦井水害防治的重點區(qū)域[2]。

根據(jù)《煤礦防治水細則》要求，煤礦防治水工作應當堅持“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則[3]，巷道掘進前的探放水工作顯得尤為重要。受巷道頂板含(隔)水層組合結構的影響，常規(guī)探放水鉆孔存在以下局限性：隔水層較薄時無法固結套管、頻繁開孔對頂板具有破壞作用、掘進巷道開展大規(guī)模探放水對排水系統(tǒng)造成較大壓力等，為了對復雜水文地質條件下的掘進巷道開展安全高效的水害防治工作，在巷道掘進過程中擬采用長距離定向鉆探技術。許多學者針對長距離定向鉆探技術及其在煤礦領域中的應用開展了大量研究。石智軍等指出煤礦井下定向鉆探是坑道鉆探發(fā)展的高級階段，為煤炭資源安全、高效、綠色、智能開采提供了技術支撐和裝備保障[4]。長距離定向鉆探技術近年來在瓦斯抽采、區(qū)域注漿治理、工作面疏放水和水力壓裂等方面的應用日益普及：黃旭超采用定向鉆孔對榆樹田煤礦的瓦斯進行了條帶預抽[5]；陳功華等利用定向鉆進技術的軌跡可控、覆蓋區(qū)域廣等優(yōu)勢，對青龍煤礦21602工作面采用高位定向長鉆孔對瓦斯進行抽采[6]；牟全斌等提出了井下定向長鉆孔水力壓裂瓦斯高效抽采技術[7]；楊哲等對瓦斯抽采的梳狀定向長鉆孔的布孔方式、分支孔間距、施工工藝、軌跡控制、分支測鉆、原孔重入等關鍵技術進行了研究[8]。長距離定向鉆孔除了在瓦斯抽采方面應用較廣，在底板水害區(qū)域治理和疏放水領域也日趨普及，李曉龍等研究了煤層底板奧灰水害防治中定向鉆孔施工的關鍵技術[9]；豆旭謙利用定向鉆進技術對工作面底板灰?guī)r進行了探放水[10]；金鑫等采用定向鉆探工藝及注漿技術對桑樹坪煤礦3110工作面奧灰頂部進行了注漿改造治理[11]；李子豪采用長距離定向鉆探技術對小煤礦邊界及老空水進行了探查[12]；張立輝等研究了定向鉆機在探測煤層沖刷帶、煤層厚度變化以及探放水等方面的優(yōu)勢[13]。長距離定向鉆孔水力壓裂融合了瓦斯高效抽采和水力壓裂技術的優(yōu)勢，陳冬冬等研發(fā)了煤礦技術快速、定點、分段與可重復的水力壓裂孔內裝備[14]。

針對麥垛山煤礦110207工作面掘進巷道頂板存在強富水弱膠結復合含水層，且直接頂板隔水層較薄的復雜水文地質條件，采用長距離定向鉆探技術，對巷道頂板含水層水文地質條件進行探查，制定相應的防治水措施，最終保障巷道的安全掘進。

1 掘進巷道及水文地質條件

1.1 礦井及工作面概況

麥垛山煤礦位于寧東煤田鴛鴦湖礦區(qū)南部，主采侏羅系延安組2煤、6煤和18煤，設計產(chǎn)量8.00Mt/a，是寧東煤化工基地的主力供煤礦井。由于2煤受頂板水害威脅較大，礦井采用了上行開采方式，先期開采水文地質條件簡單的6煤，后期開采水文地質條件復雜的2煤，目前，6煤工作面已經(jīng)投產(chǎn)。

2煤大巷在掘進過程中曾經(jīng)發(fā)生過5次規(guī)模不等的集中涌水，其中峰值水量達1000m3/h，并且伴隨有潰砂現(xiàn)象，頻繁發(fā)生的水害問題嚴重影響了2煤的采掘活動和礦井的達產(chǎn)。110207工作面是2煤的首采工作面，走向長度2810m，傾向寬度234m，采高3.55m。巷道包括機巷、風巷和輔運巷，如圖1所示，3條巷道在掘進期間整體呈上仰掘進，巷道斷面設計為半圓拱形巷道，寬度5400mm，高度3900mm。

圖1 110207工作面巷道布置

1.2 工作面頂板含水層水文地質條件與充水因素

110207工作面頂板由下向上分布有1～2煤間延安組含水層(Ⅲ含水層)和直羅組下段含水層(Ⅱ含水層)，Ⅱ含水層和Ⅲ含水層平均厚度分別為71.72m和12.83m，局部區(qū)域Ⅱ含水層與Ⅲ含水層之間的隔水層厚度3.07～9.60m，局部甚至達0.50m，如圖2所示。根據(jù)前期在11采區(qū)2煤大巷中開展放水試驗的成果，Ⅱ含水層滲透系數(shù)為3.673～6.297m/d，單位涌水量3.74～5.83L/(s·m)，Ⅲ含水層滲透系數(shù)為1.741～2.184m/d，單位涌水量1.85～2.72L/(s·m)，并且兩個含水層之間存在緊密的水力聯(lián)系[15-20]。

圖2 110207工作面頂板煤巖層對比

根據(jù)地質鉆孔資料，110207工作面頂板地層變化較大，1902至1602地質鉆孔之間巷道頂板Ⅲ含水層較厚，加之這個區(qū)域巷道頂板泥巖隔水層較薄，掘進巷道圍巖松動圈、錨索、錨桿和局部發(fā)育的裂隙成為了掘進巷道的導水通道，巷道掘進的直接充水水源為Ⅲ含水層，由于Ⅱ含水層與Ⅲ含水層之間存在水力聯(lián)系，Ⅱ含水層成為了掘進巷道的間接充水水源。

1.3 掘進巷道防治水面臨的問題

110207工作面掘進巷道水文地質特征總體表現(xiàn)為“兩薄兩厚一聯(lián)系”，即：Ⅱ含水層與Ⅲ含水層較厚，局部區(qū)域巷道頂板隔水層、Ⅱ含水層與Ⅲ含水層間隔水層較薄，并且Ⅱ含水層與Ⅲ含水層之間存在水力聯(lián)系。巷道在掘進過程中主要面臨以下幾個防治水問題：①巷道頂板隔水層較薄，常規(guī)鉆孔施工無法固結止水套管；②Ⅲ含水層厚度與起伏變化較大，常規(guī)鉆孔對其疏放水不易控制終孔層位，如果鉆孔揭露Ⅱ含水層，將會面臨巨大的排水壓力；③巷道頂板膠結性差，大量常規(guī)鉆孔施工會進一步破壞頂板完整性，易發(fā)生掉包、漏頂?shù)仁鹿?；④工作面頂板含水層富水性?guī)律尚未查明，采前疏放水工作開展缺少依據(jù)；⑤Ⅱ含水層與Ⅲ含水層水力聯(lián)系空間差異性不清。

針對以上問題，為了保障110207工作面掘進巷道的安全，擬采用長距離定向鉆探技術在巷道掘進期間對其頂板Ⅲ含水層富水性進行探測，同時起到對Ⅲ含水層疏放、截流作用。

2 基于長距離定向鉆探技術的富水性探查及水害防治

2.1 長距離定向鉆孔施工情況

2.1.1 長距離定向鉆孔參數(shù)

根據(jù)110207工作面頂板覆巖組合結構，終采線附近巷道頂板隔水層較厚，可以滿足長距離定向鉆孔開孔后固結止水套管的要求，在工作面中部巷道頂板隔水層較薄，可以在前序長距離定向鉆孔的掩護下，選擇在已被疏放水后的Ⅲ含水層中進行固結套管，長距離定向鉆孔鉆進層位如圖3所示。

圖3 長距離定向鉆孔鉆進層位

為了探查Ⅲ含水層的富水性，同時對Ⅲ含水層地下水向巷道滲流進行截流，長距離定向鉆孔鉆進的層位選擇巷道頂板15m左右；根據(jù)鉆孔鉆進層位與煤巖層起伏情況，鉆孔開孔仰角為9°～20°；鉆孔鉆進方向與掘進巷道前方夾角為315.5°～337.5°；根據(jù)現(xiàn)場施工的情況，鉆孔長度為267～600m。在110207工作面輔運巷和風巷分別施工了8個和7個長距離定向鉆孔，鉆孔參數(shù)見表1，累計鉆探工程量7017m，對2條掘進巷道實現(xiàn)了全覆蓋。

表1 掘進巷道頂板長距離定向鉆孔參數(shù)與施工情況

如果在巷道掘進過程中采用常規(guī)鉆孔進行探放水，按照鉆場間距100m，每個鉆場1個鉆孔，鉆孔仰角30°，鉆孔孔深150m，超前距30m，輔運巷和風巷共需要約56個常規(guī)鉆孔、8400m鉆探工程量。在巷道掘進期間采用長距離定向鉆孔進行探放水節(jié)約工程量16%左右。

2.1.2 長距離定向鉆孔結構

長距離定向鉆孔均采用?94mm鉆頭進行開孔，采用?165mm擴孔鉆頭擴孔；擴孔后下設?127mm，壁厚6mm的止水套管，以?96mm孔徑裸孔鉆進至終孔位置，鉆孔結構如圖4所示。

圖4 長距離定向鉆孔結構

2.1.3 長距離定向鉆孔鉆進與水量之間關系

長距離定向鉆孔鉆進過程中，對鉆孔出水量進行了觀測，長距離定向鉆孔進尺與水量關系曲線如圖5所示，其中水量較大的鉆孔包括FY1-1、FY1-2、FY5-1和F1-1鉆孔，其水量均超過了80m3/h，同時這幾個鉆孔的水量隨鉆孔進尺增速也較快，從鉆孔初始水量及水量隨進尺變化情況可以看出110207工作面輔運巷頂板Ⅲ含水層富水性強于風巷，并且整個工作面Ⅲ含水層富水性表現(xiàn)為終采線(1902地質鉆孔)附近最強，其次是工作面中部(1702和1602地質鉆孔)，切眼(1502地質鉆孔)附近富水性較弱。

圖5 長距離定向鉆孔進尺與水量關系曲線

2.2 基于長距離定向鉆孔的含水層富水性分區(qū)

2.2.1 數(shù)據(jù)處理方法

由于長距離定向鉆孔在施工過程中對鉆孔水量進行了實時觀測，鉆孔在鉆進過程中水量的增加幅度可以反映出含水層的富水性，以此作為掘進巷道頂板Ⅲ含水層富水性分區(qū)的基礎資料。

具體計算方法為：將長距離定向鉆孔單位進尺內的涌水量增加量除以鉆孔孔深增加量作為孔深增加量中點的富水性指數(shù)，例如鉆孔從A點鉆進至B點，鉆孔長度增加了l，其涌水量增加了Q，富水性指數(shù)F=Q/l(m2/h)，將F的數(shù)值賦值于A點與B點的中點，計算得到每個長距離定向鉆孔不同位置的富水性指數(shù)，然后利用surfer軟件進行差值和繪制富水性指數(shù)等值線圖，其中富水性指數(shù)越大，代表含水層富水性也越強。

2.2.2 掘進巷道前方頂板含水層富水性分區(qū)

根據(jù)110207工作面輔運巷和風巷施工的長距離定向鉆孔鉆進進尺與涌水量數(shù)據(jù)，繪制得到了110207工作面頂板Ⅲ含水層富水性指數(shù)等值線，如圖6所示。從圖6中可以看出，110207工作面頂板Ⅲ含水層的富水性指數(shù)為1～34m2/h，其中靠近F34、F39和F41斷層附近的含水層富水性指數(shù)較大，在工作面切眼位置及工作面機巷1702和1802地質鉆孔附近富水性指數(shù)較小。

圖6 掘進巷道頂板Ⅲ含水層富水性指數(shù)等值線

2.3 基于長距離定向鉆孔的Ⅱ含水層與Ⅲ含水層水力聯(lián)系密切程度分析

每個長距離定向鉆孔在施工完畢退鉆后立刻對鉆孔水量進行觀測，每10天記錄一次鉆孔水量。長距離定向鉆孔水量衰減曲線如圖7所示，可以看出，各鉆孔水量隨著疏放時間延長基本上都呈衰減的趨勢，其中FY2-1、FY3-1和F1-1鉆孔在施工完畢后水量有短時的增加，隨后也呈波動衰減的趨勢，并且這3個鉆孔水量的半衰期(水量衰減至初始水量1/2所需要的時間)分別為18個月、10個月和9個月，其他各鉆孔半衰期平均值為3.7個月，說明FY2-1、FY3-1和F1-1鉆孔附近Ⅲ含水層在得到長距離定向鉆孔疏放的同時接受Ⅱ含水層的水量補給，鉆孔水量在短時間內衰減量較小，證明1902、1802和1702地質鉆孔附近Ⅱ含水層與Ⅲ含水層之間的水力聯(lián)系強于其他區(qū)域。

圖7 長距離定向鉆孔水量衰減歷時曲線

2.4 長距離定向鉆探技術在掘進巷道水害防治中的效果驗證

2.4.1 富水性分區(qū)驗證

從圖6中可以看出110207工作面存在兩個顯著的富水性較強區(qū)域：一個位于工作面風巷靠近終采線位置(1號區(qū)域)；另一個位于工作面中部區(qū)域(2號區(qū)域)。1號區(qū)域位于F36和F34斷層的交匯位置，這個區(qū)域內巷道頂板含水層受到構造應力的影響，地層較為破碎，在1號區(qū)域內無論是長距離定向鉆孔還是常規(guī)疏放水鉆孔水量均較大(10～12m3/h)。2號區(qū)域位于F39正斷層與F41逆斷層的交匯位置，1702與1602地質鉆孔附近常規(guī)疏放水水量為20～30m3/h。除了1號區(qū)域和2號區(qū)域以外，常規(guī)鉆孔疏放水量均小于5m3/h。通過與井下揭露情況對比分析，圖6中Ⅲ含水層富水性分區(qū)結果與實際情況較為一致。

2.4.2 掘進巷道水害防治效果驗證

110207工作面與長距離定向鉆孔水量變化相關關系如圖8所示，可以看出兩者之間的相關關系可以大致分為兩個時間段：2017年3月至2018年7月，工作面涌水量與長距離定向鉆孔水量呈負相關關系，隨著長距離定向鉆孔對Ⅲ含水層的疏放，掘進巷道涌水量呈小幅下降趨勢；2018年8月至2020年11月，掘進巷道涌水量與長距離定向鉆孔水量呈正相關關系，隨著Ⅲ含水層靜儲量的消耗，兩者均呈逐漸減小的趨勢。

圖8 110207工作面與長距離定向鉆孔水量歷時變化曲線

截至2021年1月，110207工作面巷道已經(jīng)掘進到位，巷道僅為涌水量30m3/h，而2煤大巷長度2900m左右，大巷在掘進過程中涌水量為235m3/h?？梢钥闯鲩L距離定向鉆孔對減少110207工作面巷道掘進過程中涌水量起到了非常顯著的作用，有效緩解了巷道掘進期間的排水壓力。

3 結 論

1)與常規(guī)鉆探技術相比，復雜水文地質條件下采用長距離定向鉆探技術減少探放水工程量16%左右，在前一個長距離定向鉆孔的掩護下實現(xiàn)了后一個鉆孔在含水層中固結止水套管。

2)利用鉆進過程中長距離定向鉆孔的水量觀測資料，計算得到富水性指數(shù)F=1～34m2/h，對巷道頂板含水層富水異常區(qū)進行了圈定，斷層周圍區(qū)域的含水層富水性較強，通過頂板水疏放鉆孔水量的驗證，圈定的富水異常區(qū)與實際較為一致，為工作面回采前大規(guī)模疏放水提供了布孔依據(jù)。

3)長距離定向鉆孔在一定程度上對Ⅲ含水層起到了疏水降壓的作用，同時又避免了常規(guī)鉆孔對巷道頂板含水層大流量的疏放水，在較小疏放水量的前提下，起到了對地下水向巷道滲流補給的截流作用，實現(xiàn)了有效減少掘進巷道涌水量的目的，為巷道掘進的安全創(chuàng)造了條件。