長距離定向鉆進防治老窯積水實踐

張雷磊，李 陽

(國家能源集團寧夏煤業(yè)公司羊場灣煤礦，寧夏 靈武 750409)

0 引言

煤礦水害是與瓦斯、火災(zāi)等并列的礦山建設(shè)與生產(chǎn)過程中的主要安全災(zāi)害之一。長期以來，煤礦水害帶來的人身傷亡和經(jīng)濟損失極為慘重[1]。近年來，老窯透水成為礦井突水的顯著特點之一，由于歷史原因，在我國不少煤礦周邊都存在著老窯，這些老窯大多數(shù)都位置不詳，圖紙資料不全，儲存有大量積水，猶如一座座地下水庫，充水的特點是來勢猛、時間短、破壞性大。其下部和相鄰的礦井一旦揭露和接近常會造成突水，輕則增大礦井涌水量，重則淹井，造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失。對已知危及煤礦安全開采的老窯水處置方法通常是采用鉆探疏放水，但是傳統(tǒng)鉆探技術(shù)施工的探放水鉆孔淺，鉆孔軌跡控制難，經(jīng)常偏離設(shè)計層位，達不到有效探查疏放的目的[2]。近年來，定向鉆進技術(shù)快速發(fā)展，其具有鉆孔軌跡可控、鉆孔精度高、目標(biāo)層位鉆遇率高等優(yōu)點[3]，被廣泛應(yīng)用于老窯水治理中，具有明顯的優(yōu)勢和良好的應(yīng)用前景[4]，符合目前煤炭企業(yè)降本增效、安全高效的理念與發(fā)展思路。

羊場灣煤礦Ⅱ020613工作面為6煤層第一個工作面，上臨磁窯堡擴建井采空區(qū)，采空區(qū)總積水量達72.2萬m3，水頭高度達2.749 MPa，嚴(yán)重威脅Ⅱ020613工作面的安全生產(chǎn)。為消除磁窯堡擴建井采空區(qū)積水隱患，提出在緩坡斜井合適的位置引進長距離定向鉆探技術(shù)進行探查疏放，以期取得良好效果。

1 工程背景

1.1 礦井概況

羊場灣煤礦為寧東第一座大型千萬噸現(xiàn)代化礦井，礦井由1號井和2號井組成，Ⅱ020613工作面上臨磁窯堡擴建井，根據(jù)前期對老窯采空區(qū)的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，磁窯堡擴建井老窯生產(chǎn)時所留礦界煤柱不符合要求，已回采了靠近其一側(cè)的邊界煤柱。為確保安全生產(chǎn)，必須提前做好Ⅱ020613工作面對磁窯堡擴建井采空區(qū)積水的探查工作。

1.2 工作面充水水源

地表水：西天河從工作面東側(cè)穿過，主要影響Ⅱ020613工作面，影響范圍約2 100 m。在《磁窯堡技改井初步設(shè)計》中經(jīng)過論證，認定為工作面在西天河下開采是安全的，2煤Y152、Y212、Y232工作面的回采也證實了上述論證；6煤埋深大于300 m，一般情況下導(dǎo)水裂縫帶難以直接發(fā)育到地表，大氣降水難以產(chǎn)生直接影響。

頂板水：Ⅱ020613工作面開采6煤，它與頂板2煤之間的距離約為62 m，煤層間存在薄層砂巖含水層，直接充水水源為延安組2～6煤間砂巖含水層水。根據(jù)5126、5228#鉆孔資料，6煤頂板巖性為泥巖、粉砂、細砂互層為主，偶有薄層中、粗粒砂巖，砂巖成分以石英、長石為主，硅質(zhì)膠結(jié)，堅硬，含泥質(zhì)包體，因此判斷該含水層富水性弱，可疏放性不強。

老窯水：據(jù)礦井地質(zhì)調(diào)查資料，Ⅱ020613工作面主要受磁窯堡擴建井老窯水的影響。本礦自身開采后形成的采空區(qū)范圍清晰，積水可通過聯(lián)絡(luò)巷排出，預(yù)計無積水。磁窯堡擴建井南翼2煤、6煤老窯水(主要是6煤C256工作面和2煤C272工作面)與羊場灣2號井相鄰，位于Ⅱ020613工作面西北側(cè)。磁窯堡擴建井現(xiàn)已關(guān)閉，當(dāng)時生產(chǎn)時其2、6煤各工作面涌水量約20～30 m3/h。

2 工程實踐及效果評價

2.1 老窯水積水量和水壓

根據(jù)現(xiàn)有資料分析，主要威脅羊場灣煤礦2號井的積水區(qū)分為7塊，見表1，利用式(1)可估算出各采空區(qū)積水水量。

表1 磁窯堡擴建井采空區(qū)分區(qū)

Q采=K·M·F/cosα

(1)

式中，Q采—老空積水量，m3；K—老窯區(qū)或巷道的充水系數(shù)，采空區(qū)一般取0.25～0.5，巷道充水系數(shù)一般煤巷取0.5～0.8，巖巷取0.8～1.0；M—采空區(qū)的平均采高或者煤厚，m；F—采空積水區(qū)的水平投影面積，m2；α—煤層傾角，°。采空區(qū)積水水量估算結(jié)果見表2，初步預(yù)計，磁窯堡擴建井老窯積水總積水量為72.2萬m3。對Ⅱ020613工作面有直接威脅的為1#和5#積水區(qū)，其積水量約24.0萬m3。

表2 磁窯堡擴建井老窯區(qū)積水量計算表

2.2 工程實施

準(zhǔn)備措施：①鉆孔位置。根據(jù)對老窯采空區(qū)的地質(zhì)調(diào)查和計算結(jié)果，預(yù)計該老窯范圍內(nèi)積水量達72.2萬m3，水頭高度達2.749 MPa。依據(jù)《煤礦防治水細則》的相關(guān)規(guī)定，煤層內(nèi)，原則上禁止在水壓高于1 MPa的地點探放水。因Ⅱ020601工作面順槽為沿煤層頂板施工煤巷，所以需將探查鉆孔布置在其它完整圍巖的井巷；②地質(zhì)探查。根據(jù)礦井生產(chǎn)地質(zhì)資料，選擇在緩坡斜井合適的位置引進長距離定向鉆探技術(shù)，利用定向鉆孔軌跡可控、定位精確的優(yōu)點，確保鉆孔能夠準(zhǔn)確施工至預(yù)定靶點。探查磁窯堡擴建井采掘范圍和采空區(qū)水文地質(zhì)資料，并利用緩坡斜井長距離定向疏水降壓至Ⅱ020613回風(fēng)順槽鉆場處水頭壓力不大于1 MPa時，再在回風(fēng)順槽超前探查磁窯堡擴建井防隔水煤巖柱的安全措施；③設(shè)備參數(shù)。本次施工鉆機選用西安煤科院生產(chǎn)的ZDY6000LD鉆機，其具體參數(shù)見表3。

表3 施工設(shè)備表

施工過程：2019年5月份，在緩坡斜井探放水硐室開始施工2個長距離定向鉆探鉆孔，開孔采用φ96 mm鉆頭鉆進至18 m，更換為φ165 mm鉆頭擴孔至16 m，下入φ127 mm封孔管16 m，利用水泥漿液進行封孔。封孔先采用外環(huán)孔進行注漿，注漿后凝固8～10 h結(jié)束后進行內(nèi)環(huán)空注漿，注漿壓力≥3 MPa，注漿后凝固36 h。凝固結(jié)束后后進行打壓試驗，壓力4 MPa，持續(xù)30 min，確保封孔質(zhì)量。本次共設(shè)計2個疏放水孔，總進尺504 m，見表4。鉆孔開孔層位為2煤頂板粉砂巖，開孔后依次鉆遇粉砂巖、細沙巖、3煤、粉砂巖、細沙巖、4煤、粉砂巖、細沙巖、5煤、粉砂巖、細沙巖，終孔點為6煤C256采空區(qū)上部冒落帶。

表4 長距離定向鉆孔施工技術(shù)參數(shù)

鉆孔效果：該鉆孔終孔位置位于磁窯堡擴建井采空區(qū)冒落帶，可以準(zhǔn)確探查到磁窯堡擴建井采掘位置，在實現(xiàn)了對采空區(qū)積水水量和水壓的探查情況下，有效避免了鉆孔堵塞現(xiàn)象。既可以實現(xiàn)對磁窯堡擴建井采空區(qū)積水進行疏水降壓，為Ⅱ020613回風(fēng)順槽超前探查磁窯堡擴建井采掘活動提供安全技術(shù)參數(shù)，也可以作為磁窯堡擴建井采空區(qū)水文動態(tài)監(jiān)測鉆孔長期使用。

圖1 緩坡斜井長距離定向鉆孔施工平面

2.3 探放水效果評價

Ⅱ020613工作面從2019年5月中旬起正式開始施工疏放鉆孔，于2019年5月中下旬施工完畢，當(dāng)時鉆孔最大涌水量達182 m3/h，之后鉆孔涌水量呈逐漸衰減的趨勢，于10月1日緩坡斜井鉆孔涌水衰減完成。同時，緩坡斜井疏放水鉆孔水壓由最初的1MPa呈現(xiàn)出逐漸衰減的趨勢，到8月22日降到0，如圖2所示。截至10月初，通過長距離定向鉆孔的疏放總量達21.15萬m3，有效達到了“疏水降壓”的目的。

圖2 緩坡斜井疏放磁窯堡采空區(qū)疏放鉆孔水量/水壓隨時間變化

3 結(jié)論

(1)羊場灣煤礦Ⅱ020613工作面實施的2個定向探查鉆孔，疏放總量達21.15萬m3，成功實現(xiàn)了對上臨磁窯堡擴建井采空區(qū)“疏水降壓”的目標(biāo)，為后期Ⅱ020613回風(fēng)順槽超前探查磁窯堡擴建井采掘活動提供安全技術(shù)參數(shù)，確保礦井安全生產(chǎn)工作。

(2)施工的2個長距離定向鉆探鉆孔終孔位置位于磁窯堡擴建井采空區(qū)冒落帶，可有效避免鉆孔堵塞現(xiàn)象，也可以作為對磁窯堡擴建井采空區(qū)水文動態(tài)監(jiān)測鉆孔長期使用。

(3)井下長距離定向鉆進技術(shù)運用在煤礦采空區(qū)疏放水工程中，其探查距離遠、目標(biāo)層鉆遇率高，縮短了工作面的準(zhǔn)備周期，為煤礦安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。