過采空區(qū)鉆孔靜止水位分析

摘" 要：現(xiàn)今，隨著煤礦資源逐漸往地下深部的開采，不可避免地存在需要進(jìn)行地面瓦斯采動井過采空區(qū)的施工，以減少礦井瓦斯危害。礦區(qū)地面瓦斯采動井過采空區(qū)的施工往往存在較大風(fēng)險(xiǎn)，采空區(qū)范圍及其頂?shù)装逵捎诓蓜有纬煽涨蝗源嬖谝欢ǖ牧严叮揖邆湟欢ǖ倪B通性，鉆進(jìn)過程中會出現(xiàn)漏失現(xiàn)象，同時(shí)在鉆孔施工中也會發(fā)生掉塊、卡鉆等復(fù)雜情況。如果在施工過程中能夠提前分析預(yù)測漏失最嚴(yán)重區(qū)域深度，并提前采取適當(dāng)措施，將最大限度降低工程施工風(fēng)險(xiǎn)。通過注水試驗(yàn)，運(yùn)用裘布依公式的推算，以求最大漏失點(diǎn)即靜止水位。分析表明，計(jì)算結(jié)果能夠可靠地對鉆進(jìn)過程中后續(xù)遇到的最大漏點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測。該方法能夠很好地輔助進(jìn)一步的施工，為過采空區(qū)提供精準(zhǔn)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：童亭煤礦；地面瓦斯采動井；采空區(qū)；裘布依公式；靜止水位

中圖分類號：X752" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）06-0065-04

Abstract： Nowadays， with the gradual mining of coal resources deep underground， it is inevitable that there is a need to carry out the construction of surface gas mining wells through goaf areas to reduce mine gas hazards. The construction of surface gas mining wells through the goaf in the mine area often has great risks. There are still certain cracks in the goaf area and its roof and floor due to mining， and they have certain connectivity. Leakage will occur during the drilling process. At the same time， complex situations such as block dropping and drill sticking will also occur during drilling construction. If the depth of the most serious leakage area can be analyzed and predicted in advance during the construction process， and appropriate measures are taken in advance， the project construction risks will be minimized. Through water injection test， the maximum leakage point， i.e. the static water level， is calculated by using the calculation of Dupuit formula. The result of the analysis shows that the calculation results can reliably predict the maximum leakage point encountered subsequently during drilling. This method can well assist further construction and provide accurate guidance for passing through the goaf.

Keywords： Tongting Coal Mine; surface gas mining well; goaf; Dupuit formula; static water level

地面垂直瓦斯采動井是目前國內(nèi)技術(shù)較為成熟且應(yīng)用廣泛的一種瓦斯抽采井型，適用于各種地質(zhì)條件下的煤層氣開采，其擁有施工工藝簡單、投入成本低、風(fēng)險(xiǎn)性小等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-4]。然而，現(xiàn)今煤礦開采日益嚴(yán)重，淺層煤礦資源逐漸枯竭，深部煤礦資源的開采同樣需要進(jìn)行瓦斯治理，這就意味著不可避免地存在過采空區(qū)區(qū)域的瓦斯采動井的施工。而過采空區(qū)大口徑瓦斯采動井在施工過程中存在施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、未知性強(qiáng)等諸多困難。

國內(nèi)大孔徑采空區(qū)瓦斯抽采的主要鉆井施工方式有水基鉆井液常規(guī)鉆井技術(shù)、空氣鉆井技術(shù)和氮?dú)忏@井技術(shù)，但在施工過程中也暴露出了一些問題和缺陷。如果能在施工過程中提前預(yù)測最大漏失點(diǎn)，將會為后續(xù)施工降低很大風(fēng)險(xiǎn)且減少一定損失。本文通過注水試驗(yàn)，觀測水位變化，運(yùn)用裘布依公式計(jì)算預(yù)測采空區(qū)空洞位置，所得結(jié)果與實(shí)際相符，或可對同類型工程施工起到參考借鑒作用。

1" 工程概況

1.1" 工程簡介

童亭煤礦位于淮北市濉溪縣境內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬五溝鎮(zhèn)，北距淮北市約42 km，東距宿州市30 km。東西走向長10 km，南北傾向?qū)?～4 km，礦井面積23.751 km2。

863工作面位于86采區(qū)8煤層無突出危險(xiǎn)，實(shí)測最大瓦斯含量3.54 m3/t，最大瓦斯壓力為0.31 MPa。根據(jù)工作面走向長度及抽采半徑，設(shè)計(jì)7口地面瓦斯采動井（圖1），總工程量4 340 m，井型為C+型結(jié)構(gòu)，一開直徑D630 mm，二開直徑D444.5 mm，三開直徑D269.9 mm。

所有井型均為C+型結(jié)構(gòu)，井深為三開落底位置。863工作面地面瓦斯采動井三開落底距離8煤層頂板約8 m，8煤層平均煤厚2.1 m。施工直徑D152 mm導(dǎo)眼至8煤層底板0.3 m，每口瓦斯井采動井導(dǎo)眼深約10.4 m。

1.2" 區(qū)域地質(zhì)條件

該項(xiàng)目在施工863工作面施工瓦斯采動井會穿越淺部3煤老采空區(qū)。由于淺部3煤采空區(qū)的時(shí)間久遠(yuǎn)，存在煤與采空區(qū)、采空區(qū)“三帶”（圖2）交互等復(fù)雜地層[5]，地面瓦斯采動井的鉆進(jìn)難度大。采空區(qū)已回采近二三十年，形成的采空區(qū)已被冒落巖石逐步壓實(shí)，經(jīng)大量的鉆探工程證實(shí)，因采動效應(yīng)產(chǎn)生的次生裂隙和空隙較發(fā)育，鉆進(jìn)過程中會出現(xiàn)漏失現(xiàn)象（如2015年施工的2015-2孔和2015-4孔在穿3煤采空區(qū)時(shí)，發(fā)生全漏失且有掉鉆現(xiàn)象，經(jīng)過較長時(shí)間封堵后恢復(fù)正常施工；2021年施工的2021-9孔在鉆進(jìn)至3煤采空區(qū)時(shí)，發(fā)生漏失現(xiàn)象，封堵后恢復(fù)正常施工，2021-10孔和2021-12孔鉆進(jìn)至3煤采空區(qū)時(shí)，發(fā)生全漏失現(xiàn)象，2021-11孔發(fā)生全漏失現(xiàn)象，經(jīng)過較長時(shí)間封堵無果后，采用清水無芯鉆進(jìn)至孔底；2023年施工地質(zhì)孔漏失近一個(gè)月）。

采空區(qū)范圍及其頂?shù)装逵捎诓蓜有纬煽涨蝗源嬖谝欢ǖ牧严?，且具備一定的連通性，前期鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)漏失現(xiàn)象，同時(shí)在鉆孔施工中多發(fā)生掉塊、卡鉆等復(fù)雜情況，故瓦斯采動井鉆井過程中也將會出現(xiàn)漏失、掉塊、卡鉆等事故，施工存在較大風(fēng)險(xiǎn)和隱患。

綜上，區(qū)域大口徑瓦斯采動井在施工過程中極易發(fā)生泥漿漏失甚至全漏情況，如果在施工過程中能夠提前分析預(yù)測漏失最嚴(yán)重區(qū)域深度，并提前采取適當(dāng)措施，將最大限度降低工程施工風(fēng)險(xiǎn)。

2" 施工情況及注水、水位測量

2.1" 施工情況

采區(qū)863-2#井于2024年4月21日23時(shí)50分進(jìn)行鉆進(jìn)施工至358.50 m深度出現(xiàn)完全漏失情況，泵量80 m3/h，管徑內(nèi)徑456 mm。頂漏鉆進(jìn)至365 m，螺桿堵死，安全提鉆。提鉆完畢后，于12時(shí)15分進(jìn)行了水位測量，此時(shí)水位深度為252 m。

2.2" 水位測量記錄

隨后注水41 m3至井口處，13時(shí)40分測量水位深度81 m，13時(shí)50分測量水位深度91 m，14時(shí)05分測量水位105 m，14時(shí)15分測量水位115 m，2個(gè)小時(shí)內(nèi)平均降速為1 m/min，合9.8 m3/h。14時(shí)30分測量水位130 m，15時(shí)00分測量水位160 m，16時(shí)40分測量水位220 m，2個(gè)小時(shí)內(nèi)平均降速為0.6 m/min，合5.88 m3/h（表1）。

3" 裘布依公式的計(jì)算

3.1" 裘布依公式及其應(yīng)用條件

裘布依公式是法國水力學(xué)家裘布依在達(dá)西定律的基礎(chǔ)上導(dǎo)出的，用以描述地下水流向井內(nèi)的平面流穩(wěn)定運(yùn)動[6]。裘布依推導(dǎo)公式時(shí)基于以下假定條件。

含水層是均質(zhì)、各向同性、等厚和水平的。

地下水為層流，符合達(dá)西定律，且地下水運(yùn)動處于穩(wěn)定狀態(tài)（圖3）。

靜水位是水平的，抽水井具有圓柱形定水頭補(bǔ)給邊界。

對于承壓水，頂?shù)装迨峭耆羲?；對于潛水，井邊水力坡度不大?/4，底板完全隔水。

3.2" 裘布依公式推導(dǎo)及計(jì)算

通過注水試驗(yàn)，測量水位降速計(jì)算得出2個(gè)較為均勻穩(wěn)定的降速，即115 m深度處的1.00 m/min及220 m深度處的0.60 m/min。將其帶入公式計(jì)算如下

式中：Q為鉆孔內(nèi)水的流量；K為含水層滲透系數(shù)；h為水頭高度；dh為計(jì)算點(diǎn)水頭損失；r為水面計(jì)算點(diǎn)距離鉆孔中心距離；dr為計(jì)算點(diǎn)半徑變化量；M為承壓含水層厚度。

式中：A0為鉆孔斷面面積；r0為鉆孔半徑；Rw為含水層影響半徑；v為鉆孔內(nèi)水位升/降速度；S為水位降深。

在一定情況下認(rèn)為影響半徑基本一致，則水位下降速度與降深呈現(xiàn)正相關(guān)。

通過后續(xù)小口徑鉆頭鉆進(jìn)至375.50 m處，出現(xiàn)泥漿全部漏失情況，且在375.50～377.00 m深度位置處鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭無鉆壓，疑似采空區(qū)。繼續(xù)往下頂漏鉆進(jìn)至406 m處，進(jìn)行循環(huán)攜渣，并使用清水護(hù)鉆，確保井下窺視效果明顯。提鉆之后，下放井下窺視儀器，通過井下窺視發(fā)現(xiàn)376.00～377.00 m深度范圍有一明顯空洞，高度達(dá)1 m（圖4），圍巖巖性為泥巖，裂隙發(fā)育，且被方解石充填，表現(xiàn)出水量較大，持續(xù)性地下水流動環(huán)境。通過窺視結(jié)果發(fā)現(xiàn)，空洞區(qū)下方普遍發(fā)育縱向裂隙（圖5），地層破碎嚴(yán)重，有較多掉塊，與空洞區(qū)上方地質(zhì)條件區(qū)別較大。

通過分析認(rèn)為，3煤采空區(qū)年代久遠(yuǎn)，被塌落的煤層頂部泥巖填充壓實(shí)，空洞區(qū)巖性相對薄弱，屬于煤層頂板應(yīng)力集中區(qū)，位于彎曲下沉帶和裂隙帶之間。層間破碎的泥巖長期受到地下水的沖蝕，方解石充填于裂隙，空洞發(fā)育?？斩聪路降貙佑捎趹?yīng)力釋放，普遍發(fā)育縱向裂隙，連接彎曲下沉帶與采空區(qū)底板成為天然導(dǎo)水通道。

4" 結(jié)論

通過注水試驗(yàn)，對鉆孔水位變化規(guī)律的觀測，運(yùn)用裘布依公式的推算，可以對靜止水位進(jìn)行大致判斷，得出的結(jié)果與實(shí)際井下地質(zhì)情況較為符合。亦可反推不同降深對應(yīng)地下水的滲流量，對于施工中泵量選取、堵漏具有重要參考意義。該方法能夠很好地對采空區(qū)鉆探施工起到預(yù)警作用，對進(jìn)一步的施工做到有的放矢，精準(zhǔn)應(yīng)對。

參考文獻(xiàn)：

[1] 唐建平，李日富.采動影響下地面井抽采瓦斯運(yùn)移影響因素?cái)?shù)值模擬研究[J].中國礦山工程，2023，52（4）：30-36.

[2] 付軍輝，李日富，王然，等.采動區(qū)瓦斯地面井抽采技術(shù)在含水地層礦區(qū)的應(yīng)用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2020，47（2）：66-69.

[3] 張為，李兵，張永成.低瓦斯礦井高產(chǎn)高效工作面瓦斯地面抽采技術(shù)[J].煤礦開采，2019，24（1）：136-139.

[4] 文光才，孫海濤.煤礦采動區(qū)地面井瓦斯抽采技術(shù)[J].煤礦安全，2015，46（S1）：26-30.

[5] 李延河，趙曉舉.地面井“三圈”耦合瓦斯抽采技術(shù)理論與應(yīng)用[J].能源與環(huán)保，2023，45（3）：1-6.

[6] 王蘋.基于裘布依公式的某礦涌水量預(yù)測[J].中國金屬通報(bào)，2021（4）：112-113.

第一作者簡介：吳國棟（1990-），男，工程師。研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)。

*通信作者：葉傳紅（1994-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)。