復(fù)雜地質(zhì)條件下定向長鉆孔遠(yuǎn)距離精準(zhǔn)探放老空水技術(shù)及應(yīng)用

劉 振，慶先斌，趙成洲，羅 通，丁礦山

（淮北礦業(yè)股份有限公司許疃煤礦，安徽 淮北 235000）

礦井老空區(qū)積水一直是困擾煤礦安全生產(chǎn)的重大隱患之一，從我國已發(fā)生的煤礦水害事故水源來看，大多數(shù)是老空透水造成的[1]。老空水危害不僅嚴(yán)重威脅了井下工作人員的安全，也為后續(xù)煤層開采提出了難題[2-3]。采用鉆孔對(duì)老空水提前進(jìn)行探放是避免老空水害事故發(fā)生的有效途徑[1，4-5]。但是，以往探放老空水的方法大多是采取沿空巷道掘進(jìn)施工期間向采空區(qū)施工鉆孔，此方法無法一次性將采空區(qū)積水放出，只能采取沿空微壓探放水方式放水，這種放水方式不僅嚴(yán)重制約掘進(jìn)效率，且存在較大的安全威脅[6]。此外，采用傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行老空水治理時(shí)存在施工工程量大、鉆孔深度較小、施工過程中鉆孔軌跡無法連續(xù)測量和實(shí)時(shí)控制、難以精確探放等技術(shù)難題[7-8]。近年來，隨著煤礦開拓范圍、開采深度和強(qiáng)度的不斷擴(kuò)大，煤礦的水文地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，對(duì)防治老空水水害又有了新的要求，常規(guī)的探放水鉆探技術(shù)已經(jīng)不能滿足煤礦安全開采的需要。因此，研究煤礦井下探放水鉆探技術(shù)，制定科學(xué)的探放水鉆進(jìn)工藝，對(duì)于減少煤礦老空水害事故具有重要意義[9-11]。

基于此，許疃礦在查明探放水工程范圍內(nèi)煤巖層賦存和構(gòu)造發(fā)育情況的基礎(chǔ)上，開展了采用定向鉆進(jìn)技術(shù)在巖巷遠(yuǎn)距離集中探放老空水的成功實(shí)踐，從根本上避免沿空探放水方式存在的風(fēng)險(xiǎn)，消除了巷道沿空掘進(jìn)期間的水害隱患，同時(shí)節(jié)省了探水巷巷道工程量，有效提高了施工效率，緩解了礦井接替緊張的局面。研究成果為礦井安全高效生產(chǎn)提供了技術(shù)保障，也為今后老空區(qū)探放水工作的開展提供了借鑒。

1 工程概況

許疃礦是淮北礦業(yè)集團(tuán)主力礦井之一，有牽一發(fā)而動(dòng)全身的重要地位和影響。72316 工作面位于83下采區(qū)下山右翼第三階段，北到工廣保安煤柱，南到采區(qū)下山保安煤柱，西鄰72314 工作面（已回采），東鄰72318工作面（尚未準(zhǔn)備）。工作面走向長1 295～1 334 m，平均1 314 m，傾斜長201 m，煤層傾角6°～27°，平均15°，工作面72煤厚3.80～8.60 m，平均4.80 m。72316工作面原煤儲(chǔ)量173.8 萬t，是礦井下一個(gè)主采面，按計(jì)劃回采意義重大，如圖1 所示。

圖1 72316 工作面平面圖

72316 風(fēng)巷掘進(jìn)受上區(qū)段72314 外段老空水威脅，72314 外段老空水預(yù)計(jì)積水面積40 928 m2，積水量58 240 m3，水頭高度20 m。72314 采空區(qū)附近無可以實(shí)施探放水工程地點(diǎn)，就近施工探放水巷道工期較長、成本較高，無法實(shí)現(xiàn)“超前”探放水，同時(shí)還制約巷道掘進(jìn)效率，影響礦井生產(chǎn)接替。為進(jìn)一步緩解采掘接替緊張局面，減少72316 掘進(jìn)工作面水害治理時(shí)間，實(shí)現(xiàn)72316工作面掘進(jìn)無縫對(duì)接，經(jīng)分析論證，確定在-630 m 回風(fēng)大巷定向鉆遠(yuǎn)距離集中探放72314 老空水。

2 探放水工程設(shè)計(jì)與施工

2.1 探放水工程設(shè)計(jì)

為探放72314 外段老空水，確保72316 外段風(fēng)巷安全掘進(jìn)，在-630 m 回風(fēng)大巷H34 點(diǎn)后48 m 探放水鉆場（鉆中）內(nèi)施工探放水工程，鉆場內(nèi)布置1個(gè)定向鉆孔對(duì)72314 外段老空水進(jìn)行巖巷遠(yuǎn)距離鉆進(jìn)集中探放。

2.1.1 鉆孔布設(shè)方案

鉆孔暫設(shè)計(jì)1 孔（1#），后期根據(jù)1#孔鉆孔軌跡增補(bǔ)2#、3#定向鉆孔。1#終孔72314 機(jī)巷J38 點(diǎn)向里18 m 巷道頂板上3 m（冒落帶層位）位置。設(shè)計(jì)鉆探工程量735 m，詳見-630 m 回風(fēng)大巷集中探放72314 外段老空水工程設(shè)計(jì)（成果）剖面圖（圖2）及平面圖（圖3）。

圖2 -630 m 回風(fēng)大巷集中探放72314 外段老空水工程設(shè)計(jì)（成果）剖面圖

圖3 -630 m 回風(fēng)大巷集中探放72314 外段老空水工程設(shè)計(jì)（成果）平面圖

2.1.2 探放水設(shè)備及鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件設(shè)備作為遠(yuǎn)距離定向鉆進(jìn)必不可少的首要條件，本次研究選用了更大功率的鉆機(jī)及更加精準(zhǔn)的測量設(shè)備：ZDY12000LD 型液壓鉆機(jī)、型號(hào)BLY460LP 泥漿泵、φ89 mm 鉆桿、φ120 mm 及φ153 mm鉆頭、φ146 mm 止水套管。預(yù)計(jì)探放72314 外段老空水鉆孔開孔處水頭高度為83 m，最大靜水水壓0.83 MPa。72314 外段老空水積水位置清楚，采取巖巷遠(yuǎn)距離超前集中探放的方式，鉆孔應(yīng)下置φ146 mm 止水套管不小于10 m，考慮到鉆孔開孔初期穿72煤頂板煤線（厚0.7 m），設(shè)計(jì)下置止水套管長度穿過72煤頂板煤線25 m（進(jìn)入粉砂巖層位2 m），套管長度約123 m。開孔用φ89 mm 鉆桿配合φ120 mm 鉆頭鉆進(jìn)，用φ153 mm 鉆頭擴(kuò)孔，0～123 m 為φ153 mm孔徑，下置φ146 mm 止水套管，以下為φ120 mm 裸孔。本次探放水暫設(shè)計(jì)鉆孔數(shù)1個(gè)，總工程量735 m，測斜深度不小于設(shè)計(jì)孔深的80%。本次鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 工程施工情況

2.2.1 地質(zhì)探查

地層層位、巖性、厚度、起伏變化及隱伏地質(zhì)構(gòu)造等等均為影響鉆孔施工軌跡控制的不利因素，因此地質(zhì)探查工作必不可免[12]。鉆探軌跡設(shè)計(jì)選取在72煤層頂板厚度8~14 m 中粗粒砂巖層位，為確保定向鉆孔在穩(wěn)定砂巖層位鉆進(jìn)，充分利用定向鉆進(jìn)的“隨鉆隨測、主孔開分支”等先進(jìn)技術(shù)手段的優(yōu)越性，按照定向鉆孔設(shè)計(jì)相同方位角施工了2個(gè)地質(zhì)探查鉆孔，鉆探工程量260 m/2孔，查明了NFS27（∠45°～55°H=5 m）逆斷層位置，同時(shí)結(jié)合三維地震時(shí)間剖面、定向鉆孔實(shí)揭和地面鉆孔資料，解釋了一條落差5 m 以上的逆斷層，為后期定向鉆孔精準(zhǔn)射透采空區(qū)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

根據(jù)探查鉆孔施工成果針對(duì)性修改了止水套管的下置深度，以此來保證定向鉆孔開孔穿層段能得到有效護(hù)壁，防止后期鉆進(jìn)過程塌孔，影響鉆孔施工質(zhì)量。另外優(yōu)化了防排水系統(tǒng)，因-630 m 回風(fēng)大巷排水能力不能滿足探放水期間排水需求，在-630 m 回風(fēng)大巷向-650 m 運(yùn)輸大巷施工了2個(gè)泄水鉆孔（孔徑φ94 mm，全程下φ73 mm 花管），增大了排水能力，減少了電泵排水不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。

2.2.2 鉆探工程施工情況

本次探放水工程設(shè)計(jì)鉆孔3個(gè)，其中1個(gè)主孔、2個(gè)分支鉆孔，設(shè)計(jì)主孔鉆探工程量735 m，分支孔深度依據(jù)主孔鉆探情況即時(shí)設(shè)計(jì)，實(shí)際施工鉆孔7個(gè)，鉆探工程量2 520.5 m/7 孔，其中3個(gè)鉆孔打透采空區(qū)，實(shí)際施工鉆孔情況如下。

（1）1#孔施工情況

3月28日，1#鉆孔開始施工，下φ146 mm 套管45 m，4月5日耐壓試驗(yàn)合格。鉆孔進(jìn)尺35 m 后從1#地質(zhì)探查孔返水，對(duì)1#地質(zhì)探查孔注漿，4月6日1#孔掃孔鉆進(jìn)。4月14日，1#孔孔深324 m，孔內(nèi)返水不正常，洗孔無效報(bào)廢。

（2）補(bǔ)1#孔施工情況

4月17日，補(bǔ)1#孔開孔，下φ146 mm 套管44.1 m，耐壓試驗(yàn)合格后正常鉆進(jìn)，因工具面問題，鉆孔角度一直下垂。4月25日，鉆孔孔深146 m 開始提鉆，補(bǔ)1#孔重新全程注漿待掃孔。

（3）補(bǔ)1#孔注漿后施工情況

4月30日，補(bǔ)1#孔開始掃孔鉆進(jìn)。5月11日，補(bǔ)1#孔施工至567 m，因穿煤17 m 不返水報(bào)廢。

（4）補(bǔ)1#孔1#分支孔施工情況

5月14日，在補(bǔ)1#孔225 m 處開1#分支鉆孔，鉆孔在660 m 處揭露一條落差5 m 以上的逆斷層，造成該孔660～717 m 全煤，鉆孔終孔717 m，終孔水量20 m3/h，涌水僅3 h 后鉆孔不再出水，最后抱鉆，造成該孔報(bào)廢。

（5）補(bǔ)1#孔2#分支孔施工情況

5月30日，在補(bǔ)1#鉆孔1#分支孔504 m 處開2#分支孔，因鉆孔施工前方地質(zhì)條件已基本查清，6月5日，2#分支孔711 m 順利鉆進(jìn)至72314 采空區(qū)頂板冒落帶內(nèi)，鉆孔最大涌水量100 m3/h，水量穩(wěn)定80 m3/h左右。

（6）補(bǔ)1#孔3#分支孔施工情況

6月28日，在補(bǔ)1#鉆孔1#分支孔555 m 處開3#分支孔。施工至561 m 處串孔，鉆孔報(bào)廢。

（7）補(bǔ)1#孔4#分支孔施工情況

6月30日，在補(bǔ)1#鉆孔1#分支孔393 m 處開4#分支孔。施工至519 m 處憋泵，經(jīng)反復(fù)提鉆洗孔無效，鉆孔報(bào)廢。

（8）補(bǔ)1#孔5#分支孔施工情況

7月12日，在補(bǔ)1#鉆孔1#分支孔306 m 處開5#分支孔。施工至孔深726 m 無出水現(xiàn)象，分析該孔因穿煤自然下垂（72314 機(jī)巷底板有三角煤）至機(jī)巷底板，后退鉆持續(xù)洗孔。7月27日，孔深717 m 處鉆孔出水，水量穩(wěn)定20 m3/h，水溫度31℃。

3 探放水效果評(píng)價(jià)

3.1 鉆孔出水情況分析

補(bǔ)1#孔1#分支孔最大涌水量20 m3/h，出水3 h后抱鉆，鉆孔報(bào)廢，共探放水量約60 m3；補(bǔ)1#孔2#分支孔鉆孔最大涌水量100 m3/h，水量穩(wěn)定80 m3/h 左右，探放水量約17 172 m3；補(bǔ)1#鉆孔5#分支孔水量穩(wěn)定20 m3/h，探放水量約768 m3。三孔共探放水量約18 000 m3。

3.2 探放水效果檢驗(yàn)

8月3日，對(duì)補(bǔ)1#孔5#分支孔透孔檢驗(yàn)，鉆孔涌水量維持在1.5 m3/h 左右，分析該水源為72314 外段采空區(qū)動(dòng)態(tài)水量及鉆孔穿過砂巖層位時(shí)的砂巖裂隙水混合水，該水量略大于72314 機(jī)巷封閉墻探放水前涌水量（1 m3/h 左右）；鉆孔有明顯出氣現(xiàn)象，實(shí)測孔內(nèi)瓦斯含量6.27%（采空區(qū)遺煤解析瓦斯）、氧氣含量18.69%（采空區(qū)缺氧所致，空氣中氧氣含量21%），說明鉆孔與72314 采空區(qū)通暢，無堵塞現(xiàn)象。以上驗(yàn)證結(jié)果表明72314 外段采空區(qū)第一處低洼點(diǎn)積水已探放完畢。

3.3 探放水量誤差原因分析

預(yù)計(jì)72314 外段采空區(qū)靜態(tài)積水量約58 240 m3，實(shí)際共探放水量約18 000 m3，去除外段采空區(qū)第二處低洼點(diǎn)積水量3 330 m3，比預(yù)計(jì)靜態(tài)老空水量少36 910 m3。分析預(yù)計(jì)靜態(tài)水量誤差原因可能有以下幾個(gè)方面，一是72314 工作面采高按平均煤層厚度4.9 m計(jì)算，充水系數(shù)按經(jīng)驗(yàn)值選取0.3，估算采空區(qū)積水量時(shí)工作面采高及充水系數(shù)選取數(shù)值偏高；二是采區(qū)內(nèi)工作面下行開采，72314 采空區(qū)上區(qū)段72312、7219 早已回采完畢，上部81 采區(qū)工作面均已回采完畢，72314 工作面上區(qū)段頂板砂巖裂隙水已近疏干，72314 采空區(qū)補(bǔ)給水源不足，采空區(qū)積水未按照理論預(yù)計(jì)充滿；三是利用外段采空區(qū)動(dòng)態(tài)水量及開采時(shí)長反算采空區(qū)積水量，72314 外段采空區(qū)動(dòng)態(tài)水量1 m3/h，工作面外段積水區(qū)范圍開采時(shí)長36個(gè)月（2018年6月開始回采），估算72314 外段采空區(qū)靜態(tài)積水量25 920 m3，去除外段采空區(qū)剩余積水量3 330 m3、去除探放數(shù)量18 000 m3等于4 590 m3，誤差水量4 590 m3。

4 結(jié)論

（1）在查明探放水工程范圍內(nèi)煤巖層賦存和構(gòu)造發(fā)育情況的基礎(chǔ)上，開展了采用定向鉆進(jìn)技術(shù)在巖巷遠(yuǎn)距離集中探放老空水的成功實(shí)踐。-630 m 回風(fēng)大巷探放水鉆孔最大涌水量100 m3/h，水量穩(wěn)定約80 m3/h，出水效果較好，共探放水量約18 000 m3，從根本上避免了沿空探放水方式存在的風(fēng)險(xiǎn)，消除了許疃礦72314外段老空水對(duì)主采面72316 風(fēng)巷掘進(jìn)期間的水害威脅。

（2）單孔鉆探距離達(dá)到726 m，刷新了淮北礦業(yè)定向鉆探放老空水新紀(jì)錄，實(shí)現(xiàn)了72314 外段老空水精準(zhǔn)探放，同時(shí)節(jié)省了探水巷巷道工程量（巖巷80 m，節(jié)約資金120 萬元），有效提高了掘進(jìn)效率，緩解了礦井接替緊張的局面。復(fù)雜地質(zhì)條件下定向長鉆孔遠(yuǎn)距離精準(zhǔn)探放老空水技術(shù)及應(yīng)用成功實(shí)踐，為淮北礦區(qū)探放水工程安全、高效、順利開展提供了技術(shù)保障。

（3）由于72314 外段采空區(qū)第二處低洼點(diǎn)積水距離-630 m 回風(fēng)大巷距離超過800 m，定向鉆進(jìn)距離受限，為確保72314 老空區(qū)積水“疏干、放凈”，該處積水正在72314 風(fēng)巷底板鉆場利用定向鉆進(jìn)技術(shù)積極進(jìn)行探放。