井下近水平定向鉆進技術(shù)在煤礦奧灰水害防治中的應(yīng)用

毛懷勇，王 正，劉凱祥，鄒 宏，賀曉浪，蘇 文，馮 潔

（1.山西中煤擔水溝煤業(yè)有限公司，山西朔州 036000；2.中煤能源研究院有限責任公司水文地質(zhì)研究所，陜西西安 710054）

0 引言

平朔礦區(qū)煤系基底多為奧陶系灰?guī)r含水層，隨著礦區(qū)下組煤層的開采和斷層、褶皺、陷落柱等構(gòu)造因素的疊加影響，多數(shù)礦井不同程度地受到底板巖溶水帶壓開采威脅［1-4］。長期以來，各礦井多是利用傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)探查治理工藝對已圈定好的工作面底板巖層進行注漿加固改造來消除這一水害威脅［5-6］，但傳統(tǒng)探查治理工藝面臨的施工安全風險大、鉆孔利用率低、采掘接替矛盾突出等問題日益凸顯［7-8］。井下近水平定向鉆進技術(shù)，以其鉆孔深度大、順目標層鉆進、一孔多分支等優(yōu)勢，逐漸成為礦井水害高效治理的新手段［9-10］。該技術(shù)最早多應(yīng)用于煤礦瓦斯抽采治理等方面［11-12］，后憑借其獨特的優(yōu)勢，逐漸拓展應(yīng)用到老空水長距離探放、構(gòu)造探查、水害防治等方面［13-14］。相關(guān)學者對其鉆屑粒度分布特征規(guī)律開展了相關(guān)研究，其結(jié)果對巖屑清除工藝與鉆進設(shè)備的選型具有一定參考價值［15］；另外，隨著鉆進機械水平的不斷發(fā)展，鉆進深度已從早期的百米級跨越至現(xiàn)在的千米級，且鉆孔深度記錄仍在不斷突破［16-17］。目前，井下近水平定向鉆進技術(shù)已在多個礦區(qū)礦井水害防治方面得到應(yīng)用，并取得較好的安全與經(jīng)濟效益，但針對平朔礦區(qū)下組煤開采水文地質(zhì)特征條件，尚未開展過相關(guān)應(yīng)用研究。

擔水溝煤礦位于平朔礦區(qū)南部，礦井9204工作面底板奧灰水帶壓開采壓力約3.06MPa，受面內(nèi)大型斷層構(gòu)造帶影響，回采面臨著嚴峻的奧灰水害風險。通過在距離煤層底板約37.9m 的K1 灰?guī)r層中施工長距離近水平定向鉆孔，對斷裂構(gòu)造帶進行含（導）水性探查，并進行大范圍超前治理，在消除了工作面水害威脅的同時，探索研究出適合本區(qū)構(gòu)造探查控制與工程治理模式，對促進礦區(qū)水害風險防控技術(shù)水平提高具有重要的現(xiàn)實意義。

1 礦井地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)條件

礦井地表多被黃土覆蓋，溝谷地段有基巖出露。地層由老到新依次為奧陶系上馬家溝組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組，新近系保德組及第四系。井田總體為一軸線呈NNW－SE 展布的寬緩向斜構(gòu)造，地層傾角3°～14°，南翼較北翼地層稍陡。礦井內(nèi)斷層較發(fā)育。

1.2 水文地質(zhì)條件

礦井現(xiàn)階段開采太原組9#煤層，煤層頂部充水水源主要為太原組、山西組砂巖裂隙含水層水，含水層富水性弱、補給條件差，以靜儲量為主。受煤層埋深、奧灰水位、斷裂構(gòu)造等因素影響，煤層底部奧灰含水層給開采帶來了一定程度的水害威脅。奧灰含水層巖溶裂隙發(fā)育極不均一，整體富水性較強，水源補給充沛。

2 探查治理背景

擔水溝煤礦9204 工作面位于整個井田范圍內(nèi)9#煤層埋藏最深處。該層煤底部與奧灰含水層頂界面距離約56.9m，煤層底板標高+783～+824.7m，奧灰水位標高+1 053～+1 053.8m，帶壓開采壓力為2.96～3.06MPa。工作面走向長810m、傾斜長185m，煤厚平均12.13m，煤層整體趨勢表現(xiàn)為南北低中部高，地層傾角約為3°。根據(jù)工作面直流電法、音頻電穿透視和槽波勘探探測成果，同時結(jié)合軌道順槽、運輸順槽實際揭露斷層情況，可知F29、F30和F50斷層帶在工作面內(nèi)具體發(fā)育位置及其產(chǎn)狀。其中，F(xiàn)29、F50斷層傾向北，在工作面內(nèi)落差為1.4～2.2m，對回采影響較??；F30斷層傾向南，在軌道順槽一側(cè)落差為16m，膠帶順槽一側(cè)落差4.6m。F30與F50在工作面內(nèi)部形成了局部“V”字形地塹結(jié)構(gòu)，且從軌道巷一側(cè)向膠帶巷一側(cè)逐漸變緩。此外，F(xiàn)30斷層在上覆4#煤層工作面中也有揭露，各斷層平面位置如圖1所示。

圖1 工作面斷層位置示意Figure 1 Schematic diagram of fault location in the working face

目前9204 工作面巷道內(nèi)直接充水水源主要來自于煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層水，總涌水量約5m3/h，對工作面安全回采影響較小。煤層底板奧陶系灰?guī)r含水層水源充沛、水壓大、水量分布極不均勻，由于工作面內(nèi)已探明斷層帶含（導）水性尚未徹底查清，且不能完全排除工作面回采過程中受底板破壞帶深度發(fā)育影響，從而造成斷層活化引發(fā)突水的可能，著眼周邊礦井已探查出奧灰含水層通過斷層引發(fā)突水的實際情況考慮，應(yīng)采取相應(yīng)的探查治理措施，以消除奧灰含水層給工作面安全回采帶來的嚴重水害威脅。

3 技術(shù)應(yīng)用

3.1 治理重點與方法的選擇

礦井9204 工作面底板奧灰水壓力約3MPa。按照《煤礦防治水細則》附錄五中的公式進行計算［18］，工作面內(nèi)最大突水系數(shù)為0.059MPa/m，基本等同于臨界值，因此該探查治理的重點應(yīng)為斷層破碎帶發(fā)育區(qū)及其內(nèi)部潛在的垂向含（導）水通道。

綜合工作面埋深、治理范圍面積、井上下施工條件、探查治理效率和經(jīng)濟效益等因素考慮，認為通過采用井下近水平定向鉆進技術(shù)來完成此次探查治理任務(wù)應(yīng)為最佳選擇。

3.2 治理層位選擇

探查治理層位的選擇是鉆探與注漿工程施工的先決條件［19-20］。研究區(qū)煤層底板以太原組和本溪組薄層灰?guī)r、泥巖、砂巖互層結(jié)構(gòu)為主，基底為巨厚奧陶系灰?guī)r，由于泥巖鉆孔施工難度高，鉆井液擴散范圍小，地層可對比性較差，所以超前區(qū)域治理鉆孔施工層位需選擇在本溪組薄層灰?guī)r（K1 灰?guī)r）或奧陶系厚層灰?guī)r頂部，以利用鉆孔注漿實現(xiàn)地層改造。

K1灰?guī)r頂?shù)装寰鶠槟鄮r隔水地層，注漿時屬于全封閉頂?shù)子薪缃Y(jié)構(gòu)，漿液在頂?shù)捉鐑?nèi)順層擴散，注漿效果好，注漿量可控，可同時兼顧構(gòu)造探測和超前治理雙重任務(wù)［21-22］。另外，薄層灰?guī)r至煤層底板的距離超過了回采后底板破壞帶深度，且剩余有效地層厚度大于所需安全隔水層厚度，因而本溪組K1灰?guī)r層可作為理想的探查和注漿治理層位。

3.3 工程設(shè)計與注漿工藝

1）工程設(shè)計。圍繞9204 工作面F29、F30、F50斷層帶含（導）水性探查與治理這一主要任務(wù)，探查治理區(qū)覆蓋了工作面斷層帶及其外圍40m 范圍，各分支孔間距按照40m布置，平面軌跡如圖2所示。

圖2 定向鉆孔平面軌跡設(shè)計示意Figure 2 Schematic diagram of directional drilling plane trajectory design

以D2-2′分支鉆孔設(shè)計為例，開孔采用二開結(jié)構(gòu)，一開直孔段，孔深22m、孔徑Φ146mm，下入Φ127mm 孔口管20m 后固管、候凝，并進行耐壓試驗，之后按照Φ94mm 裸孔鉆進至終孔，鉆進過程中以本溪組K1 灰?guī)r作為標志層和追蹤層，D2 主孔造斜段長約100m、最大垂深為40m，在停采線前進入目標地層，剖面軌跡如圖3所示。

圖3 設(shè)計鉆孔剖面（以D2-2′為例）Figure 3 Design drilling profile（taking D2-2′as an example）

2）注漿工藝。注漿采用單液漿（水泥）與雙液漿（水泥+水玻璃）相結(jié)合的方式，水泥單液漿水灰比為3∶1～0.8∶1，雙液漿中水玻璃加入量為10～30L/m3。注漿壓力應(yīng)達到受注段靜水壓力的1.5倍，考慮到壓力損失以及注漿后返滲等因素影響，此次注漿終壓取5.0MPa。另外，對于鉆進過程中出水量或漏失量較大區(qū)域，鉆孔開展下行式分層、分段注漿封堵，且多期次注漿孔交叉進行，具體工藝流程如圖4所示。

圖4 鉆探與注漿工藝流程Figure 4 Flowchart of drilling and grouting process

3.4 工程施工

各鉆孔施工過程嚴格按照設(shè)計執(zhí)行，以D2-2′鉆孔施工實情為例進行說明。該分支孔在孔深309～312m（鉆遇F29斷層前）處，出現(xiàn)給進壓力達到20MPa仍無法繼續(xù)鉆進現(xiàn)象，鉆井液無漏失，起鉆后孔口出水1.125m3/h，水壓0.4MPa，水質(zhì)化驗結(jié)果顯示其與奧灰水存在較大差別，分析判斷該處異常為斷層破碎帶內(nèi)少量地層積水所致。此外，在孔深405～421m與435～456m（鄰近F30斷層）處，出現(xiàn)鉆進突然丟壓后又突然壓力增大的現(xiàn)象，表現(xiàn)為斷層附近地層破碎易塌孔，鉆進壓力不穩(wěn)定特征。該鉆孔注漿過程中，水泥漿液密度為1.29g/cm3，注漿終壓為5MPa，單位水泥用量為0.02t/m，消耗量較少。

從整體施工情況來看，各鉆孔出水量在0.75～4.7m3/h，水壓力為0～0.6MPa，表現(xiàn)為水量小、水壓低的特點；從探查知地層破碎區(qū)及出水點分布位置來看，分布密集區(qū)與斷層展布形態(tài)基本一致；從注漿情況來看，各分支鉆孔單位水泥消耗量在0.01～0.03t/m，整體較少。

4 治理成果分析

4.1 鉆探

從鉆探探查過程以及該區(qū)域奧灰水出水特點來看，該斷層帶表現(xiàn)為局部地層破碎且含水特征，出水點分布密集區(qū)與斷層展布形態(tài)基本一致，但出水點水量較小、水壓低；另外，結(jié)合鉆孔注漿消耗量可知（圖5），軌道巷一側(cè)注漿量相較于膠帶巷一側(cè)更大，但總體地層裂隙發(fā)育程度有限，不難判斷，斷層破碎帶與奧灰含水層尚不存在相通導水通道。

圖5 鉆孔注漿量統(tǒng)計Figure 5 Statistics of drilling grouting volume

4.2 水化學特征

在探查過程中，對D2、D2-3、D2-4、D3這4個出水分支鉆孔進行了取樣化驗，同時收集以往地面勘探過程中奧陶系灰?guī)r水質(zhì)化驗結(jié)果，通過繪制Piper圖進行對比發(fā)現(xiàn)：奧灰水礦化度為320～374mg/L，水化學類型以Ca·Mg—HCO3為主，而各分支鉆孔礦化度在540.5～697.4mg/L，水化學類型以Ca·Na·Mg—HCO3·Cl 為主，后者較前者礦化度高出220.5～323.4mg/L；另從Schoeller 圖中典型Cl-含量進行對比發(fā)現(xiàn)，奧灰水Cl-含量為10.76～17.61mg/L，而各分支鉆孔在49～85.3mg/L，后者較前者Cl-含量高出38.24～67.69mg/L，二者存在明顯區(qū)別，如圖6、圖7所示。

圖6 鉆孔出水點水質(zhì)piper圖Figure 6 Water quality piper diagram of drilled water outlet points.

圖7 鉆孔出水點水質(zhì)Schoeller圖Figure 7 Water quality Schoeller diagram of drilled water outlet points.

4.3 物探、鉆探效果驗證

1）物探。為有效驗證探查治理效果，分別在施工前、后采用音頻電穿透視物探手段對工作面底板0～80m深度富水異常區(qū)分布情況展開了探查。經(jīng)過對比可以看出，異常區(qū)范圍由治理前的大面積的成片區(qū)轉(zhuǎn)換為小面積的零散區(qū)，呈現(xiàn)為范圍較小、聯(lián)通性較差特點。其中，0～40m 深度相對低阻異常區(qū)面積縮減率達到93.92%，40～80m 相對低阻異常區(qū)面積縮減率達到85.47%，如圖8至圖11所示。

圖8 探查治理前工作面底板下0～40m音頻電穿透視電阻率平面分布Figure 8 Working face of exploring the plane distribution of 0～40m audio penetration perspective resistivity under the bottom plate before governance

圖9 探查治理后工作面底板下0～40m音頻電穿透視電阻率平面分布Figure 9 Working face of exploring the plane distribution of 0～40m audio penetration perspective resistivity under the bottom plate after governance

圖10 探查治理前工作面底板下40～80m音頻電穿透視電阻率平面分布Figure 10 Working face of exploring the plane distribution of 40～80m audio penetration perspective resistivity under the bottom plate before governance

圖11 探查治理后工作面底板下40～80m音頻電穿透視電阻率平面分布Figure 11 Working face of exploring the plane distribution of 40～80m audio penetration perspective resistivity under the bottom plate after governance

2）鉆探。為進一步驗證探查治理效果，工程結(jié)束后在工作面內(nèi)施工了7 個常規(guī)鉆孔，驗證的目標層位為治理后底板0～80m 電穿透視電阻率相對低阻異常重疊區(qū)、探查過程中地層破碎帶和先期出水點，如圖12 所示。結(jié)果顯示，各驗證孔揭露地層層位正常，均無出水和地層明顯破碎現(xiàn)象，注漿時迅速起壓，表明該區(qū)域地層裂隙已被充填密實，詳見表1。

表1 驗證鉆孔施工成果Table 1 Results of verify drilling construction

圖12 驗證鉆孔平面布置示意Figure 12 Schematic diagram of verification drilling layout plan

綜上，經(jīng)過超前探查治理成果分析、水化學特征對比驗證和物探鉆探復探驗證，工作面底板奧灰水害威脅得到了有效控制，現(xiàn)工作面已安全回采至480m，工作面涌水量小于10m3/h。

5 結(jié)論及展望

1）通過對擔水溝礦9204 工作面開展井下超前區(qū)域探查治理工作，查明了在工作面回采范圍內(nèi)未有與奧灰水存在水力聯(lián)系的導水通道。經(jīng)過目標地層注漿加固，進一步增強了底板隔水層的阻水性能，消除了底板奧灰水害威脅。

2）井下近水平定向鉆進技術(shù)在擔水溝煤礦9204 工作面中的成功應(yīng)用，探索研究出了一種適合于礦井高承壓構(gòu)造復雜采煤區(qū)的工程治理模式，為平朔礦區(qū)存在類似水害威脅的礦井提供了可參考實例。

3）大量底板水防治的成功經(jīng)驗表明，底板水害防治通過井上、下相結(jié)合，區(qū)域與局部治理相結(jié)合，工作面圈定前超前治理以及治理層位向厚層灰?guī)r含水層頂部轉(zhuǎn)移，將成為主要的發(fā)展趨勢。水平定向鉆進技術(shù)的成功應(yīng)用與發(fā)展已為平朔礦區(qū)高承壓構(gòu)造復雜采煤區(qū)底板灰?guī)r強含水層的水害防治工作開拓出了新局面。