地面定向鉆進技術在探查小煤窯越界開采中的應用研究

李 智 王宇航 張結如

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西省西安市，710054；3.淮北礦業股份有限公司朱莊煤礦，安徽省淮北市，235047）

我國華北型煤田開采歷史悠久，為國民經濟發展提供了重要支持，但隨著開采強度的不斷提高，東部煤礦區逐漸進入下組煤和深部煤層的開采階段［1-2］。在煤炭資源需求量日益增加的大環境下，部分煤礦企業尤其是一些小煤窯安全與法制觀念淡薄，越層越界開采行為時有發生。由于技術限制，小煤窯往往無法準確地確定越界開采范圍，違規生產既擾亂了正常的煤礦資源開發秩序，更對相鄰煤礦的正常開采構成了巨大的安全隱患［3］。因此，與可能存在越界開采小煤窯相鄰的大型煤礦在采掘前，應該對越界開采范圍進行探查［4］。

地面定向鉆進技術是指利用隨鉆測量儀器（WMD）、一定的鉆具組合再配合特殊泥漿鉆井液循環等技術，在地面合適位置進行開孔施工，進入目標層位后在目的層中定向鉆進，并對其進行探查與治理［5］。我國定向鉆井技術始于1956年，最早應用在石油行業。由于該技術基本不受地面場地影響，通過分支孔鉆探工藝能對導水通道以及目的層位附近進行區域性探查，避免了以往常規地面治理的盲目性，施工安全性高，又極大地節省工時、節約成本，十幾年來，該技術已被廣泛應用于煤礦水害防治領域［6-7］。目前，對于煤礦陷落柱探查與突水防治［8-9］、煤層底板斷層帶突水［10］以及煤礦區域超前治理［11-12］等方面已取得了顯著的治理效果［13-14］，技術手段日益成熟。

由于小煤窯越界開采層位以及盜采巷道位置難以確定，而采用井下或者地面直孔進行施工都難以快速有效地達到探查目的，因此本研究選擇地面定向鉆進技術對小煤窯越界開采情況進行探查。

1 礦井及小煤窯越界開采情況

1.1 礦井地質與水文地質概況

淮北礦業股份有限公司朱莊煤礦屬華北型煤田，水文地質條件極為復雜，主采煤層為二疊系下石盒子組3#、4#、5#煤層以及山西組6#煤層。井田位于閘河復向斜南段，以正斷層構造為主。Ⅲ-63采區位于井田東南部朱暗樓向斜和戴莊背斜處，褶曲、斷層較發育，地層走向變化大，傾角為6°～34°，存在疑似陷落柱。

Ⅲ-63采區6#煤層頂板為砂巖裂隙含水層，富水性弱，以靜儲量為主，突水量一般小于10 m3/h。底板下45～63 m為太原組灰巖巖溶裂隙含水層，平均厚度為158 m，共有12層石灰巖，平均厚度為69 m，其中三灰、四灰富水性強，單孔涌水量100～600 m3/h，水壓約5 MPa，與奧陶系灰巖水通過垂向導水通道發生水力聯系，直接威脅6#煤層的安全開采［15］。奧灰含水層位于6#煤層下200～240 m，一般情況下對礦井無突水威脅，但在斷層和陷落柱等垂向導水通道存在時，可能發生突水事故。而且奧灰含水層富水性強、水壓高、水量大，也是礦井安全生產的重要隱患之一。

1.2 小煤窯越界開采情況

小煤窯與朱莊煤礦Ⅲ-63采區右翼相鄰，目前已閉坑。朱莊煤礦在2013年Ⅲ-631機巷掘進期間聽到不明來源的放炮聲，懷疑鄰近的小煤窯存在越界開采現象，但開采煤層層位不清，若與朱莊煤礦毗鄰巷道為6#煤層巷道，將會對朱莊煤礦Ⅲ-63采區右翼工作面的開采造成影響；此外，老窯水積水范圍、積水量不清，會嚴重威脅朱莊礦Ⅲ-63采區右翼6#煤層的安全開采。為確定小煤窯是否存在6#煤層越界開采現象以及消除老窯水隱患，本研究采用地面定向鉆技術探查小煤窯越界開采層位、巷道所處層位和展布等情況，根據探查結果調整原工作面設計，并為礦方留設防隔水煤（巖）柱提供依據。

2 探查設計方案

2.1 治理思路

采用地面定向鉆進技術，結合礦方提供的地質與小煤窯資料對鄰近Ⅲ-63采區右翼的小煤窯越界開采進行準確探查，假定存在的巷道為6#煤層巷道并預計盜采巷道的大致位置。在注漿封堵6#煤層以上砂巖層的基礎上，通過鉆探過程中在6#煤層附近鉆井液的漏失量以及壓水試驗情況判斷是否存在越界開采；并結合地層條件和前期地質資料綜合分析確定小煤窯巷道所處的煤層層位和展布情況，為礦方留設防隔水煤（巖）柱提供依據。

2.2 鉆探設計

基于地面定向鉆孔的施工能力，設計T孔組進行定向探查，包括1個主孔和2個分支孔，呈扇狀布孔，鉆孔結構采取一開下表層套管，二開為裸孔段。從主孔一開套管下合適位置進行側鉆，施工分支孔，鉆孔結構示意圖見圖1。其中T1鉆孔對Ⅲ-633工作面切眼外小煤窯巷道進行探查，從推測的小煤窯西側6#煤層巷道外約10 m穿過6#煤層；T2鉆孔位于T1孔南部，對Ⅲ-635工作面切眼外小煤窯巷道進行探查；T3鉆孔位于T2孔南部，對Ⅲ-635工作面切眼外小煤窯巷道進行探查，沿西側6#煤層巷道穿過6#煤層。鉆孔設計平面布置圖見圖2。

圖1 鉆孔結構示意圖

圖2 鉆孔設計平面布置圖

2.3 注漿設計

注漿方式采用孔口止漿靜壓分段下行式注漿法，漿體使用通用硅酸鹽32.5水泥輔以Ⅱ級新鮮粉煤灰。

當鉆探過程中鉆井液較大漏失后，監測水位并判定漏失層位，若為6#煤層破壞邊界，則用稠漿注漿封孔，如稠漿無法封孔，則利用木塞、鋸末、骨料等進行封孔；若鉆遇其他層位，如砂巖含水層或4#、5#煤層采空區，則進行注漿封堵，注漿終壓設計為6 MPa。當注漿壓力達到結束標準后，逐次降低泵量，直至泵量達到60 L/min，并維持30 min，堵漏后繼續鉆進直至設計終孔深度。

2.4 鉆遇采空區判別依據

（1）鉆孔附近煤層沒有越界開采的依據：若鉆探過程中鉆井液正常消耗，且鉆孔巖屑錄井顯示全部為實體煤，說明探查范圍內煤層完整，不存在越界開采現象。

（2）鉆孔附近煤層存在越界開采的依據：若鉆進過程中發生鉆井液漏失（漏失量＞2 m3/h）或鉆井液雖無消耗，但提鉆后進行的壓水試驗發生壓力突降的情況，則說明在壓力的作用下鉆孔與井下盜采巷道發生貫通。

3 地面定向鉆探查成果

3.1 T1孔探查概況

T1主孔終孔孔深612 m，其中一開段0～150.13 m，二開段150.13～612 m；單孔注漿量976 t，其中注水泥量為940 t、粉煤灰36 t。

為避免6#煤層上覆含水層對小煤窯越界開采巷道判別產生影響，在5#煤層附近和6#煤層上進行2次壓水試驗。其中孔深358～402 m處見5#煤層，鉆探過程中無漏失，在5#煤層附近孔深421 m處砂巖層進行壓水試驗，壓力為2.0 MPa，進行注漿，單次注漿量756 t，其中水泥量為720 t、粉煤灰量為36 t，終孔壓力為6 MPa。

在6#煤層附近孔深564 m處砂巖層進行壓水試驗，壓力為2.3 MPa，單次注漿量為189 t，終孔壓力為6 MPa。T1孔穿過假定巷道時，位于巷道下方2.77 m、孔深608 m處發生鉆井液漏失，漏失量為15 m3/h，水位埋深超過200 m，鉆孔繼續延伸4 m，達到終孔612 m，隨后進行注漿加鋸末封孔，單次注水泥31 t。

通過探查揭露6#煤層位置為孔深564～571 m（標高-479.28～-481.43 m），破碎含有矸石，鉆探探測6#煤層偽厚度為2.14 m，根據6#煤層傾角、鉆孔井斜換算6#煤層真厚度為0.37 m。結果表明T1探查范圍內小煤窯存在越界開采現象。

3.2 T2孔探查概況

T2分支孔終孔孔深631 m，側鉆點232 m，二開進尺399 m，單孔注水泥量為395 t。

在孔深402～407 m處見5#煤層，鉆探過程中無漏失。在6#煤層附近孔深602 m處砂巖層進行壓水試驗，壓力為0 MPa，注漿封堵，單次注漿量為385 t，終孔壓力為6 MPa。鉆進至610 m時發生鉆井液全漏失，漏失量＞60 m3/h，水位埋深超過200 m，說明T2孔穿過小煤窯盜采巷道。遇漏后鉆孔繼續延伸4 m，達到終孔614 m，注漿加鋸末封孔，單次注水泥10 t。

T2孔揭露6#煤層位置為孔深610～614 m（標高-491.92～-492.84 m），鉆探探測6#煤層偽厚度為0.92 m，根據6#煤層傾角、鉆孔井斜換算煤層真厚度為0.08 m。表明T2探查范圍內小煤窯存在越界開采現象。

3.3 T3孔探查概況

T3分支孔終孔孔深690 m，側鉆點266 m，二開進尺424 m，單孔注水泥量為170 t。

在孔深441～444 m處見5#煤層，鉆探過程中無漏失。在6#煤層附近孔深630 m處砂巖層進行壓水試驗，壓力為1.8 MPa，注漿封堵，單次注漿量為160 t，終孔壓力為6 MPa。鉆進至644 m時發生鉆井漏失，漏失量為5 m3/h，水位埋深超過200 m。遇漏后鉆孔繼續延伸至46 m，達到終孔656 m，注漿加鋸末封孔，單次注水泥量為10 t。

通過T3孔揭露6#煤層位置為孔深644～656 m（標高-496.93～-498.33 m），煤層完整，鉆探探測6#煤層偽厚度為1.4 m。T3探查范圍內小煤窯存在越界開采現象。

4 探查效果分析

地面定向孔組實施的3個鉆孔均在6#煤層附近發生了漏失，以T2孔漏失量最大，超過60 m3/h。T1孔、T2孔、T3孔漏失點的平面位置所確定的盜采巷道位置與前期收集到的資料基本吻合，漏失點、見6#煤層位置、盜采巷道大致位置以及孔組實鉆平面軌跡如圖3所示。漏失點見煤情況見表1。

探查結果表明T1、T2、T3孔探查到的6#煤層均有不同程度的開采，以T2孔探查范圍內的6#煤層開采最為嚴重。說明小煤窯對朱莊煤礦Ⅲ-63采區右翼6#煤層存在越界開采現象。

圖3 小煤窯越界開采實鉆平面軌跡圖

表1 探查小煤窯越界開采漏失點情況匯總表

5 結論與建議

（1）為了查明朱莊煤礦Ⅲ-63采區右翼毗鄰的小煤窯是否對6#煤層存在越界開采，設計1個地面定向孔組對其進行準確探查，孔組包括1個主孔和2個分支孔，鉆探工程量為1435 m；注水泥漿總量為1505 t、粉煤灰總量為36 t。

（2）提出通過鉆井液的漏失情況、巖屑錄井情況以及壓水試驗等手段綜合判定鉆探過程中是否遇到采空區的方法。

（3）通過3個鉆孔施工，查明了與朱莊煤礦Ⅲ-63采區右翼毗鄰的小煤窯存在越界開采現象且盜采層位為6#煤層，并確定了巷道的展布情況。說明地面定向鉆進技術是探查小煤窯越界開采的一種高效準確的方法。

（4）為保證Ⅲ-63采區右翼的安全開采，建議礦方根據探查結果合理留設安全煤柱，并在必要情況下對盜采巷道進行封堵治理。