疊層多分支水平井精準(zhǔn)建造“止水塞”超前治理巖溶陷落柱的實(shí)踐

羅江發(fā)，丁同福，汪敏華，朱昌淮，文東明，陳曉雷

（1.淮南礦業(yè)集團(tuán)煤業(yè)公司，安徽 淮南 232095；2.淮南礦業(yè)集團(tuán) 地質(zhì)勘探分公司，安徽 淮南 232052；3.淮浙煤電公司 顧北礦，安徽 淮南 232150）

0 引 言

巖溶陷落柱是煤礦重大突水隱患，一旦突水將造成礦井災(zāi)難性后果。陷落柱的治理，一直是煤礦水害防治工作的重點(diǎn)與難點(diǎn)。目前陷落柱治理多發(fā)生在礦井突水事故后進(jìn)行，如河北開灤范各莊、冀中能源東龐礦、內(nèi)蒙古駱駝山礦、江蘇徐州張集礦，安徽皖北任樓礦、淮北桃園礦、淮南潘二礦等。通行的做法是利用地面垂直鉆孔或者垂向大傾角定向斜孔（便于骨料重力投送）[1]，快速投注大量骨料，再分孔分段灌（注）入雙液漿或單液水泥漿，先“截流”，后“堵源”。這些方法作為搶險救援方案，盡快封堵突水、盡快恢復(fù)礦井生產(chǎn)，取得很好的效果[2-4]。但應(yīng)急處置往往造成骨料和漿液投注量巨大，即便是骨料也擴(kuò)散很遠(yuǎn)，甚至造成主要大巷被充填，后期礦井恢復(fù)處置工程費(fèi)時費(fèi)力。如果巖溶陷落柱基底發(fā)育進(jìn)入奧灰深部或者寒武灰?guī)r，空間大，很難完全“堵源”。選定巖溶陷落柱裂隙區(qū)、在巖溶充水水源與待回采煤層之間、精準(zhǔn)建造足夠厚度和足夠范圍的“止水塞”、來阻斷高壓巖溶含水層對煤層回采的影響，消除突水威脅，成為最優(yōu)技術(shù)方案[5]。

精準(zhǔn)設(shè)計(jì)和建造陷落柱的“止水塞”，超前治理巖溶陷落柱，國內(nèi)很少見到類似案例。本文基于淮南顧北礦大型垂向?qū)萋渲牡刭|(zhì)條件分析，采用疊層多分支水平井精準(zhǔn)建造“止水塞”，為華北型煤田巖溶陷落柱超前治理提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 陷落柱水文地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)構(gòu)造特征

1.1.1 區(qū)域構(gòu)造及煤田構(gòu)造

淮南煤田東西長100 km，南北寬35 km，是華北型煤田最南端的整裝煤田，南端邊界不是沉積形成的自然邊界、而是區(qū)域大構(gòu)造邊界，地理位置處于中國大陸東西向和南北向大型構(gòu)造體系交匯地帶，周邊區(qū)域構(gòu)造異常復(fù)雜；東部為蚌埠古隆起、徐宿弧形構(gòu)造帶、郯廬斷裂帶[6-8]；南部是舜耕山—八公山造山帶，合肥“凹陷”盆地、大別山造山帶[9]。

煤田內(nèi)有延展超100 km的推覆體造山帶，有延展30~60 km、由西向東傾伏的多個（向）背斜構(gòu)造，有斜切多井田、延展近8 km的地塹式斷裂構(gòu)造帶，有基底發(fā)育在寒武灰?guī)r的多個巖溶陷落柱（其中最大橢圓長軸超1 km），有呈巖柱和巖床產(chǎn)出的巖漿巖構(gòu)造等；南部老礦區(qū)基巖直露區(qū)發(fā)育構(gòu)造型式更為多樣，主要有“330°”構(gòu)造線、“X型”斷裂帶（組）、羽狀平行斷裂帶（組）等。

1.1.2 煤田地層

淮南煤田含煤地層為石炭—二疊系，為連續(xù)沉積地層。其中石炭系太原組厚度110~125 m，含薄煤線7~9層，不可采；二疊系煤系厚度近1 000 m，含煤32~40層，主采煤層厚度290~340 m、含煤厚度29.5~32.6 m[10]。

煤田地層走向呈“S型”展布，煤田西部礦井（謝橋、張集）走向近東西向—煤田中部礦井（顧橋、顧北礦）走向近南北向—煤田東部礦井（潘三、潘二、朱集）走向近東西。煤系地層傾向從水平、緩傾斜、傾斜、急傾斜、直立、倒轉(zhuǎn)等都有發(fā)育。

煤系地層的底部為奧陶系灰?guī)r地層，奧灰厚度最大530 m，與石炭系角度不整合；其中的志留、泥盆、下石炭沉缺；煤系地層的頂部為古近系、新近系松散沉積地層，厚度0～500 m。

1.2 顧北礦2號陷落柱特征

1.2.1 陷落柱的三維地震發(fā)現(xiàn)

三維地震解釋陷落柱是一項(xiàng)成熟的技術(shù)手段[11]，顧北礦2號陷落柱是三維地震勘探成果進(jìn)行二次精細(xì)解釋發(fā)現(xiàn)的。陷落柱在三維地震曲線的剖面上同相軸出現(xiàn)明顯的錯斷、下拉，平面上呈現(xiàn)近圓形的特征，在地震屬性切片上也可以看到近圓形的異常分布。圖1為2號疑似陷落柱（圈定）在十字地震剖面上的反映，圖2為疑似陷落柱在方差體屬性切片上的反映。

圖1 陷落柱在十字地震剖面上的反映Fig.1 The reflection of collapse column on cross seismic section

圖2 陷落柱在方差屬性切片上的反映Fig.2 The reflection of collapse column on variance attribute slice

1.2.2 陷落柱地面勘探驗(yàn)證

在陷落柱中心和四周區(qū)域，布置7個地面垂直勘探鉆孔（圖3），自基巖面上100 m開始取芯至終孔，基巖段簡易水文觀測；7個鉆孔（六T-1~六T-7）終孔層位有6個進(jìn)入寒武灰?guī)r、1個進(jìn)入奧灰；完成鉆探進(jìn)尺5 754.18 m，常規(guī)測井5 722.75 m，聲波測井2 475.85 m，鉆孔簡易測溫7次；抽水試驗(yàn)27次，其中4煤下駱駝缽砂巖3次、1煤頂板砂巖3次、C3I組灰?guī)r7次、太灰地層7次、太灰+奧灰7次；巖樣測試112組、水質(zhì)分析27個、同位素分析7個、微量元素分析9個；進(jìn)行了灰?guī)r與煤系地層、灰?guī)r與灰?guī)r之間擬流場測漏12次，勘探工程量見表1。

圖3 陷落柱探查鉆孔布置示意Fig.3 The layout of collapse column exploration boreholes

表1 勘探工程量統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of exploration engineering quantity

1.2.3 陷落柱的水文地質(zhì)特征

通過三維地震發(fā)現(xiàn)、地面勘探驗(yàn)證、綜合資料對比研究[12-15]，進(jìn)一步控制了陷落柱平面形態(tài)，剖面形態(tài)。查明了其頂界位置及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，并對其導(dǎo)水性進(jìn)行了定量評述。

陷落柱平面形態(tài)近似橢圓型，長軸走向?yàn)镹E向，其裂隙帶在1煤底板長軸95 m，短軸74 m，面積5 215 m2（較三維地震圈定范圍變?。?，垂向空間形態(tài)為“上小下大”的椎體。

陷落柱中心（六T-1）孔，在4煤底板的駱駝缽砂巖中，鉆探?jīng)_洗液全漏，漏水量大于15 m3/h，為陷落柱導(dǎo)水裂隙區(qū)頂界，在此后二疊系及太原組灰?guī)r鉆進(jìn)過程中，沖洗液一直全漏，但取芯及測井巖層層位對比正常（圖4），進(jìn)入太原組C312灰?guī)r后，鉆孔垮孔、憋鉆及掉鉆，撈取巖粉中含新地層中的黃沙，判定C312灰?guī)r為陷落柱腔體頂界；探查了基底在寒武系灰?guī)r中。

圖4 太原組灰?guī)r柱狀圖Fig.4 Column diagram of Taiyuan Formation limestone

陷落柱裂隙區(qū)六T-1太原組C3Ⅰ組中抽水試驗(yàn)，單位涌水量最大為6.03 L/s.m，富水性及導(dǎo)水性極強(qiáng)。

2 疊層多分支水平井設(shè)計(jì)

2.1 陷落柱平面治理范圍

以陷落柱內(nèi)待開采的1煤（又稱A組煤）導(dǎo)水裂隙帶范圍為目標(biāo)邊界，沿其長軸、短軸方向（95 m×74 m）分別外擴(kuò)100 m，形成320 m×290 m陷落柱平面治理范圍，治理面積74 666 m2，治理范圍面積是1煤導(dǎo)水裂隙帶范圍的14.3倍。

2.2 陷落柱鉆孔平面軌跡設(shè)計(jì)

布置2口地面鉆井N8孔、N9孔，分別通過多分支水平井對陷落柱治理范圍進(jìn)行全面覆蓋，其中N8孔設(shè)計(jì)8個分支井、N9孔設(shè)計(jì)8個分支井。同一層位相鄰水平井間距不大于40 m，N8、N9孔的水平段平面上呈60°以上大角度斜交，確保水平孔在陷落柱治理范圍均勻展布和對構(gòu)造的交叉控制（圖5）。

圖5 鉆孔平面軌跡設(shè)計(jì)示意Fig.5 Plane trajectory design of borehole

2.3 陷落柱鉆孔剖面軌跡設(shè)計(jì)

N8、N9孔水平段剖面軌跡設(shè)計(jì)分別沿太原組C3Ⅱ組9灰層位、C3Ⅰ組3灰層位設(shè)計(jì)，垂向距離1煤底板層間距分別為81.8 m、53.3 m（圖6）。

圖6 鉆孔剖面軌跡設(shè)計(jì)示意Fig.6 Trajectory design of borehole section

3 “止水塞”精準(zhǔn)建造技術(shù)

3.1 “止水塞”造孔軌跡精準(zhǔn)控制技術(shù)

3.1.1 鉆孔結(jié)構(gòu)、鉆具組合

采用三開鉆孔結(jié)構(gòu)，一開φ311 mm孔徑，下入φ244.5×8.94 mmJ55石油套管，水泥固井封閉新生界地層；二開φ216 mm孔徑，導(dǎo)斜至目的層、井斜與地層近似平行，下入φ177.8×8.05 mmJ55石油套管、水泥固井；三開水平段φ152 mm、裸孔至目的層終孔位置。

一開φ311 mm鉆頭+φ203 mm加重鉆鋌+φ89 mm鉆桿；二開采用φ197 mm的1.5°螺桿；三開采用φ120 mm的1.5°螺桿。

3.1.2 定向造孔施工軌跡控制

一開鉆孔軌跡采用數(shù)字測井技術(shù)來實(shí)測、點(diǎn)距20 m；二開及三開定向?qū)便@進(jìn)軌跡采用MWD正脈沖定向儀器（含伽瑪探管）[16]，進(jìn)行連續(xù)標(biāo)定，測斜點(diǎn)距10 m；定向造孔曲率半徑不小于200 m、狗腿度不大于10°/30 m；導(dǎo)斜定向鉆進(jìn)后、采用復(fù)合鉆進(jìn)重新掃（滑）孔，利于軌跡順滑；采用伽瑪探管實(shí)時監(jiān)測地層伽瑪數(shù)值，結(jié)合巖屑錄井，確保實(shí)測軌跡不超過設(shè)計(jì)軌跡2 m。

3.2 “止水塞”注漿工藝技術(shù)

3.2.1 一般原則

注漿前進(jìn)行壓水試驗(yàn)，計(jì)算含水層吸水率，遵循先稀后稠原則，采用前進(jìn)式注漿方式、地面孔口止?jié){，復(fù)注間歇時間不小于12 h。

3.2.2 注漿材料、漿液類型、比重

材料選用32.5礦渣硅酸鹽水泥，原則上選用單液水泥漿，特殊漏失層段采用粉煤灰，漿液比重1.2～1.5。

3.2.3 注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

終壓不小于奧陶灰?guī)r含水層靜水壓力的1.5倍，并持續(xù)30 min以上。

3.2.4 陷落柱1煤導(dǎo)水裂隙區(qū)注漿工藝技術(shù)

裂隙區(qū)裂隙特別發(fā)育、空間很大，鉆進(jìn)中沖洗液全漏，起注壓力為0。技術(shù)原則是首先采用大泵量（50 m3/h以上）、大比重（不小于1.5）漿液來進(jìn)行高強(qiáng)度連續(xù)充填注漿，封堵裂隙區(qū)大的空間、同時控制漿液擴(kuò)散距離，待孔口注漿壓力升高到3~5 MPa以上，改用小泵量（10～15 m3/h）、較小比重（1.2～1.4）來連續(xù)進(jìn)行壓（劈）裂注漿，擴(kuò)大漿液擴(kuò)散半徑、充填微小裂隙，直至達(dá)到注漿標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.5 特殊情況處理

（1）漿液短路問題。

分支水平井的水平段很長，最長超1 200 m，如何確保漿液在水平段能夠輸送到末端，進(jìn)入水平段很短距離就進(jìn)入到地層中，發(fā)生漿液短路，末（后）端沒有漿液注入，造成區(qū)域治理的“空白帶”?？偟脑瓌t是隨漏隨注的前進(jìn)式注漿，即封堵通道漏漿，又有利于漿液在水平段遠(yuǎn)距離輸送。如N8-5孔，在進(jìn)入1煤預(yù)計(jì)裂隙區(qū)前、發(fā)生鉆探?jīng)_洗液漏失，及時停鉆注漿，堵塞漏水段、防止?jié){液短路、中途跑漿，保證“止水塞”注漿質(zhì)量。

（2）特殊層段。

斷層、破碎帶、三維地震異常區(qū)、廣域電磁低阻區(qū)等特殊層段，作為區(qū)域治理注漿重點(diǎn)層段對待；技術(shù)原則是把這些層段單獨(dú)作為一個注漿段、宿短水平井段長，提高注漿針對性；根據(jù)注漿過程中動態(tài)分析、不斷調(diào)整注漿工藝參數(shù)。

3.3 “止水塞”注漿質(zhì)量檢驗(yàn)

（1）鉆探簡易水文檢驗(yàn)。

后續(xù)水平井鉆探造孔施工，可以對前期已經(jīng)完成注漿水平井質(zhì)量檢驗(yàn)。如N8-5井在裂隙區(qū)水平段造孔、沖洗液全漏失，最大泵量65 m3/h，后期的N8-3孔鉆探經(jīng)過同樣裂隙區(qū)水平段位置時，沖洗液不但不漏失、還發(fā)生相應(yīng)地層涌水現(xiàn)象、涌水0.5 m3/h。

（2）注漿過程動態(tài)變化檢驗(yàn)。

后續(xù)水平井起注壓力高、升壓快、注漿量大幅減少。如N8-5井在裂隙區(qū)水平段、注漿起始壓力為0、吸漿量38.8 t/m，后期N8-2，注漿初始壓力6.0 MPa，水平段吸漿量5.83 t/m，注漿量僅為N8-5約15%，見表2。

表2 鉆孔注漿參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics table of borehole grouting parameters

N8-4孔在裂隙區(qū)注漿，前10 d壓力為0，第11~13 d壓力1~2 MPa，第14~25 d壓力又降為0，隨后間歇注漿才緩慢回升并有反復(fù)，一個孔注漿近2.5個月。位于裂隙區(qū)N-2孔，起始壓力為6 MPa，8~9 d注漿就合格，時間大大宿短。曲線圖如圖7~圖8所示。

圖7 N8-4孔注漿壓力歷時曲線圖Fig.7 Diachronic graph of grouting pressure in hole N8-4

圖8 N8-2孔注漿壓力歷時曲線圖Fig.8 Diachronic graph of grouting pressure in hole N8-2

（3）漿液擴(kuò)散半徑檢驗(yàn)。

漿液擴(kuò)散發(fā)生多種情況，一是在本井場內(nèi)鉆孔之間；N8、N9孔位于4號井場，其中在陷落柱裂隙區(qū)的水平井鉆探和注漿采用間隔施工，間隔1個水平井、水平間距80m情況下，能夠在巖屑中見到注漿水泥，證明水泥漿擴(kuò)散半徑已達(dá)80 m；二是跨井場之間，1號井場N2-7鉆孔注漿，造成2號井場的N4-10水平井定向施工到1 052 m時，孔口大量跑漿，漿液擴(kuò)散超過169 m；三是跨層位之間，1號井場的N1-1在9灰注漿，相距258 m的五-六C3Ⅲ長觀孔（3灰）出現(xiàn)跑漿。

4 結(jié) 論

（1）陷落柱注漿治理范圍是1組導(dǎo)水裂隙帶范圍的14.3倍，設(shè)計(jì)漿液擴(kuò)散半徑40 m，實(shí)際漿液擴(kuò)散80~169 m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求。

（2）N8分支水平井距離1組煤底板層間距為81.8 m，1組煤底板充水含水層奧陶紀(jì)含水層的靜止水位不超過6.15 MPa，N8多分支水平井建造的巖柱厚度超過《煤礦防治水細(xì)則》中要求的承壓含水層防水煤巖柱0.01 MPa的要求。

（3）沿C3Ⅱ組9灰層位、C3Ⅰ組3灰層位，采用MWD無線隨鉆測斜儀和螺桿鉆具，實(shí)現(xiàn)了多分支水平井造孔軌跡精準(zhǔn)控制。通過鉆探驗(yàn)證、注漿過程驗(yàn)證、漿液擴(kuò)散半徑驗(yàn)證等多種方法對注漿質(zhì)量進(jìn)行了檢驗(yàn)，確?！爸顾钡馁|(zhì)量。

（4）采用疊層多分支水平井，立體的精準(zhǔn)建造陷落柱的“止水塞”、進(jìn)行超前治理，是對陷落柱水害由被動治理向主動防治轉(zhuǎn)變的一次有益嘗試，為打造煤礦防治水本安型礦井提供技術(shù)支撐。