基于定向水平鉆陷落柱綜合探查與阻水塞立體建造技術

田 干，南生輝，林旭東，樊 娟

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室，陜西 西安 710077)

巖溶水害一直是影響我國煤礦安全生產的主要水害之一。隨著我國淺部煤炭資源逐漸枯竭，煤炭開采深度不斷增大，煤礦生產受巖溶水害影響更加突出。根據國內巖溶水害事故統計資料，80%突水事故為構造突水，且多為陷落柱突水，其突水具有通道規模大、突水強度高、致災危害大的特點，如1984年6月開灤范各莊煤礦發生的世界最大陷落柱突水事故、2003年4月邢臺東龐礦陷落柱突水事故、2010年3月神華駱駝山陷落柱突水事故[1-8]等，上述突水事故的突水量都超過1 000 m3/min，給人民的生命和財產安全造成巨大威脅。

陷落柱的位置和導水性探查是治理的基礎，通常采用井下物探、鉆探相結合的方法綜合探查陷落柱的位置和范圍[9]。陷落柱治理技術目前主要包括巷道截流、構建“止水塞”、陷落柱“三段式”堵水、直接封堵、返流注漿和引流注漿等[1,8,10]；治理技術的發展過程大概可劃分為3個階段，第1階段(1984—1996年)，以開灤范各莊礦2171綜采工作面突水陷落柱治理為代表；此為國內外第1例陷落柱突水災害，采用分段下行式注漿實施全面封堵的治理技術，這種方法存在鉆探精度低、工程量大、費用高的缺點。第2階段(1996—2006年)，陷落柱內“堵水塞”技術廣泛應用，即在突水陷落柱內預定層位建造一定長度的“堵水塞”，截斷陷落柱突水通道，如皖北任樓煤礦7277工作面陷落柱治理工程。該階段采用普通鉆機施工，缺點是陷落柱內鉆孔無法精確控制鉆進，只能采用“蛇形”鉆進，工程量也相對較大。第3階段(2006年至今)，定向分支造孔技術大量應用，使陷落柱內“堵水塞”建造技術更加成熟和完善，如東龐礦2903工作面突水陷落柱治理工程[1]。該階段采用定向鉆技術在陷落柱松散體內精確定向鉆進，形成以定向分支造孔為主的“堵水塞”建造技術，該階段探查精度大大提高，且工程量和治理成本大幅減少[8-11]。

目前，陷落柱水害探查和治理大多采用定向分支斜孔“堵水塞”建造技術，此技術一般工程量小、易于投注骨料，可對陷落柱柱體進行立體探測和治理，但需在陷落柱位置及邊界相對清楚、地形相對平坦的條件下應用。同煤集團塔山煤礦8228工作面內的突水陷落柱位置和邊界條件不清楚，在施工環境復雜條件下，利用定向斜孔無法實現導水陷落柱探查和治理工作，因此，結合現場施工條件特點，采用特殊的多水平多分支定向水平建造“阻水塞”技術，在水平面上可以最大程度上有效控制工作面陷落柱突水區域，對研究區陷落柱進行綜合探查和治理，以期為類似條件下的構造探查與治理工程提供借鑒。

1 陷落柱探查與治理方案設計

1.1 研究區概況

同煤大唐集團塔山煤礦為石炭–侏羅系雙系礦井。塔山煤礦8228工作面設計走向長度3 101 m，傾向長度230.5 m，開采3-5號煤層，平均厚度19 m。根據工作面地質及水文地質條件分析，3-5號煤層距奧灰含水層頂面80 m，煤層底板的奧灰含水層水壓1.84 MPa，為帶壓開采，突水系數0.023 MPa/m，根據《煤礦防治水細則》的評價標準，工作面處于相對安全區。2016年11月底，8228工作面運輸巷掘進至2 060 m時發生底板突水事故，最大水量約270 m3/h，造成部分巷道被淹，嚴重影響和威脅礦井安全生產。工作面運輸巷發生突水后，井下奧灰含水層G1觀測孔水位下降約60 m，判斷突水水源為奧灰水[12-13]。根據工作面井下電法、瑞利波探查和地面三維地震、大地可控源物探勘探資料綜合分析，工作面運輸巷突水是掘進前方導水陷落柱引起的底板奧灰含水層突水，并初步劃定地質異常區范圍。

為進一步查清工作面導水陷落柱邊界及充填發育特征，并對其進行注漿治理，礦井擬采用基于地面定向水平鉆技術對陷落柱進行綜合探查和治理[14-16]。

1.2 探查鉆孔布設方案

陷落柱治理方案設計以“邊探查、邊治理、邊設計”為主要原則，以“以治為主、探治結合、堵水截源、根治水患”為指導思想，其目標為陷落柱治理后能實現3-5號煤層和下組煤8號煤層安全帶壓開采。根據8228工作面地質條件分3-5號煤層距奧灰含水層頂面80 m，8號煤層底板下距奧灰含水層38 m，8號煤層厚度約6 m，8號煤層回采后底板破壞深度基本導通奧灰含水層，因此，為確保3-5號煤和8號煤層的安全回采，導水陷落柱探查和阻水塞建造注漿層位應選擇在奧灰頂面上10 m至頂面下30 m范圍，根據探查和治理目的，擬在地面共設計XZ1和XZ2兩個主孔，每個主孔分別施工7～8個分支孔(圖1)，分支孔布置3層(層間距20 m)共15個，其中奧灰頂面下30 m布置10個分支孔(第一層水平孔)，編號為XZ1-1—XZ1-5和XZ2-1—XZ2-5，分支孔間距40 m；奧灰頂面下10 m布置3個分支孔(第二層水平孔)，編號分別為XZ1-6、XZ1-7和XZ2-6，分支孔間距120 m；奧灰頂面上10 m布置2個分支孔(第三層水平孔)，編號為XZ1-8和XZ2-7，分支孔間距160 m。在實現注漿截源的同時，增加和加固陷落柱范圍內煤層底板隔水層，最終實現工作面安全回采。

圖1 阻水塞方案設計Fig.1 Schematic diagram of water blocking-plug design

1.3 分析方法

在基于地面定向水平鉆綜合探查過程中，利用巖屑錄井、隨鉆測井、鉆速變化和鉆井液漏失量等多種分析方法，對陷落柱的發育邊界、破碎體膠結程度等進行綜合分析，為陷落柱注漿治理提供依據。

1.3.1 巖屑微觀分析

巖屑錄井是定向鉆鉆探過程中判斷地層的重要技術手段。鉆孔中巖石經鉆進破碎形成巖屑，并通過鉆井液帶出地面，由振動篩篩選過濾，再分析巖屑成分。擬每鉆進一段距離(一般2～4 m)撈取巖屑1次，通過巖屑對比可達到判層目的。

當鉆進接近陷落柱物探邊界外50 m時，減小至鉆進距離1～2 m撈取巖屑1次。巖屑撈取后經清水沖洗、烘干，先通過肉眼和稀鹽酸滴定溶解的方法對巖屑進行初步判斷，再利用電子顯微鏡將巖屑放大500倍后，根據巖屑的顏色、礦物、結構特征等對巖屑巖性進行辨識[17-18]。

1.3.2 隨鉆測井分析

隨鉆測井技術是在鉆孔鉆進地層的同時實時對地層信息測量的測井技術，目前在地質勘探中已廣泛應用[19-20]。由于陷落柱柱體一般由不同地層塌落堆積而成，與周邊圍巖地層存在很大差異，因此，在各分支孔施工過程中，對揭露地層進行隨鉆伽馬測井探測，當鉆孔從灰巖進入陷落柱混合充填柱體時，地層伽馬值將突然增大，由此通過鉆孔伽馬曲線變化對陷落柱發育范圍進行分析判斷。

1.3.3 鉆孔鉆速分析

鉆孔鉆進速度的快慢在一定程度上反映地層的完整性、膠結程度和空洞、孔隙和裂隙發育情況，因此，可利用各分支孔的鉆速變化分析陷落柱內部充填物破碎分布情況，并為礦井水害注漿治理選擇合適工藝提供參考依據。

1.3.4 鉆井液漏失量變化分析

在鉆探過程中，鉆井液漏失量的多少在一定程度上反映裂隙發育程度，鉆井液漏失量越大說明該段地層裂隙較為發育，巖層破碎。因此，可利用各分支孔鉆井液漏失量的變化特征對陷落柱充填破碎體膠結程度及發育特征進行分析。

2 基于地面定向鉆陷落柱綜合探查技術

2.1 巖屑微觀分析結果

圖2為部分分支孔巖屑放大500倍的顯微鏡微觀圖片。由圖可知，鉆孔正常地層巖屑為含白云巖、方解石的均一亮白色晶體狀奧灰地層巖屑；進入陷落柱后巖屑變為灰色砂巖碎屑、煤屑和泥巖等混合碎屑，巖屑巖性和顏色雜亂；根據各分支孔巖屑變化位置分布，最終判斷出陷落柱發育范圍見表1，分布如圖3所示紅色線圈定區域，陷落柱長短軸分別約為410、180 m。

圖2 部分分支鉆孔巖屑顯微鏡照片Fig.2 Microscopic photos of cuttings from some branched boreholes

表1 各分支鉆孔巖屑微觀判識陷落柱范圍Table 1 The scope of collapse column identified by cuttings from each branch borehole

圖3 巖屑微晶分析陷落柱發育邊界成果Fig.3 Development boundary of collapse column by debris microcrystal

2.2 鉆孔隨鉆測井資料

圖4為XZ2-3分支鉆孔隨鉆測井變化曲線。由圖4可以看出，分支孔在灰巖中鉆進時，伽馬值一般小于100 API；當分支孔鉆進至孔深約1 000 m進入陷落柱破碎體時，伽馬值突然增大到250 API左右；當分支孔由陷落柱破碎體再次進入灰巖正常地層時(孔深約1 150 m)，伽馬值又突然降低至100 API以下，說明測井曲線對陷落柱邊界反映較明顯。

同樣，其他分支鉆孔隨鉆測井變化曲線也能明顯判斷出陷落柱邊界范圍(圖3，橙色線圈定區域)。陷落柱長短軸分別約為335、220 m。

2.3 鉆孔鉆速變化

圖5為XZ2-2分支孔鉆速變化曲線。由圖5可以看出，鉆進至約930 m時，鉆速達到0.5 m/min；在孔深約1 100 m時，鉆速達到0.3 m/min，說明此區段巖體比較破碎，膠結程度較差，為導水陷落柱的主通道區，陷落柱導水并引發水害事故。同樣，其他鉆孔鉆速變化曲線也可判斷各分支孔在陷落柱柱體中破碎區的分布范圍。根據各分支孔鉆速變化分布特征分析，在靠近8228運輸巷掘進工作面一側陷落柱充填體破碎、膠結差，是導水陷落柱的主通道區。

圖4 XZ2-3分支孔隨鉆測井伽馬變化曲線Fig.4 Gamma change curve of XZ2-3 branch borehole while drilling

圖5 XZ2-2分支孔鉆速變化曲線Fig.5 Variation curve of drilling speed of XZ2-2 branch bore hole

2.4 鉆井液漏失量變化

圖6為XZ2-1分支孔鉆探過程中鉆井液漏失量變化曲線。由圖6可以看出，當鉆孔鉆進至孔深750、883、1 010 m等位置時，鉆孔漏水量突然增大，甚至完全漏失，說明這些區段地層破碎，孔隙、裂隙發育，充填物膠結差。同樣，其他分支孔鉆井液漏失量變化曲線也可判斷出各分支孔在陷落柱充填體中地層破碎、膠結差的區段分布特征。根據各分支孔鉆井液漏失量變化分布特征分析，同樣在靠近8228運輸巷掘進工作面一側，陷落柱充填體破碎、膠結差，是導水陷落柱的主通道區。

2.5 陷落柱發育特征綜合分析

基于定向鉆精細探查結果，基本探明陷落柱規模為410 m×200 m，破碎區主要分布在靠近8228運輸巷掘進工作面方向。結合地面斜孔探查及測井結果綜合分析，3-5號煤層部分區段下移25 m，8號煤層部分區段塌落55 m，說明陷落柱形成年代相對較年輕，下部地層溶蝕后塌落并被水流帶走，塌落程度相對上部地層較大，且陷落柱頂部空腔還未完全形成。

圖6 XZ2-1分支孔鉆井液漏失量變化曲線Fig.6 Variation curve of drilling fluid consumption in branch of XZ2-1

3 陷落柱破碎體三維刻畫分區技術

根據定向水平鉆各分支孔探查過程中鉆速、鉆井液漏失量等數據，利用Surpac軟件對陷落柱發育區段建立三維地質模型，并根據陷落柱破碎體空洞、孔隙、裂隙等分布特征，對破碎體進行三維刻畫分區(圖7—圖8)。紅色區域為鉆速和鉆井液漏失量大的區域，表示陷落柱充填體非常破碎，空洞、孔隙發育，劃分為主通道區，是陷落柱導水主要通道；黃色區為鉆速和鉆井液漏失量較大區域，陷落柱充填體相對破碎，膠結較差，劃分為裂隙區；綠色區域為鉆速和鉆井液漏失量均較小的區域，為陷落柱影響帶，裂隙較少，劃分為次生裂隙區。

圖7 陷落柱破碎體鉆速三維刻畫分區Fig.7 Three-dimensional partition map of drilling time of collapse column broken body

圖8 陷落柱破碎體鉆井液漏失量三維刻畫分區Fig.8 Three-dimensional partition map of drilling fluid consumption of collapse column broken body

4 陷落柱阻水塞立體建造技術

4.1 阻水塞建造注漿技術

4.1.1 定向水平鉆立體控制技術

阻水塞建造采用地面水平定向鉆精準定位技術，對陷落柱破碎體各分區進行立體定向、精準控制鉆探探查和注漿治理。

在分支孔鉆進過程中，通過泥漿脈沖信號方式傳輸鉆孔信息數據，對施工分支孔鉆進層位和方位實時進行立體監測和精準控制。同時利用巖屑錄井、隨鉆測井等關鍵技術資料，對陷落柱破碎體發育情況和分布特征實時進行綜合分析，保證各分支孔按照設計阻水塞立體框架進行精準定位施工。

4.1.2 陷落柱破碎體定向水平鉆成孔控制技術

陷落柱破碎體一般膠結比較差，裂隙發育，在鉆孔施工過程中，容易發生掉塊兒、塌孔、卡鉆等不良現象，造成施工難、成孔難等情況；定向水平鉆在陷落柱破碎體中成孔難度更大。因此，如何有效控制定向水平鉆在陷落柱松散體中實現安全鉆進成孔，是本次建造阻水塞、實現注漿堵水成功與否的關鍵。

①次生裂隙區 正常情況下，地層不易出現掉塊、塌孔現象，且一般鉆井液漏失量較小，在定向水平鉆施工中相對容易成孔。因此，在該區分支孔施工過程中，主要采用常規無固相化學漿液進行鉆進，鉆壓、鉆速采用常規參數，在次生裂隙區可實現定向水平鉆順利成孔。

②裂隙區 鉆進速度有所增加，在水平鉆分支孔施工過程中偶爾出現塌孔現象，且鉆井液漏失量有所增大。因此，在施工過程中加大鉆井液相對密度，采用高相對密度化學漿液，可控制鉆井液的漏失量，同時也可保持鉆孔圍巖的穩定性，在陷落柱破碎體裂隙區可實現定向水平鉆順利成孔。

③主通道區 鉆速明顯加快，經常出現鉆進一根鉆桿僅20 min左右，且鉆孔施工中經常出現塌孔，施工難度大。因此，在加大鉆井液相對密度的同時，在鉆井液中還需添加黏土、鋸末等，采用高相對密度固相泥漿鉆井液，一是對大空洞、裂隙進行充填堵漏，減小鉆孔施工中鉆井液漏失量；二是對鉆孔壁形成較強支撐力，降低鉆井孔出現掉塊、塌孔概率，最終在主通道區實現定向水平鉆順利成孔。

4.2 注漿工藝分區控制技術

在陷落柱定向水平鉆綜合探查過程中，根據陷落柱破碎體的三維刻畫分區，實時分析各分支孔鉆進所處區域，根據破碎體不同區域膠結程度不同而選取充填、擠密、劈裂等不同的注漿工藝，利用不同注漿材料、漿液配比、注漿方式，構框架，堵溶隙，固裂隙，實現阻水塞的建造，并封堵水源。

①主通道區 主通道區阻水塞建造注漿一般采用定量間歇式注漿工藝，材料采用粉煤灰、水泥等混合漿液，漿液相對密度一般大于1.5，注漿期間一般孔口無壓。該注漿工藝是采用間歇注漿方式、水泥粉煤灰大相對密度混合漿液控制漿液擴散半徑和跑漿現象，對陷落柱空洞、孔隙進行快速充填，封堵大導水通道，短期內在陷落柱主通道區形成帷幕，構筑阻水塞基本框架，為后期陷落柱阻水塞的形成奠定基礎。

②裂隙區 裂隙區阻水塞建造主要采用連續注漿逐漸升壓的注漿工藝，注漿材料采用單液水泥漿為主，漿液相對密度一般介于1.3～1.5，孔口一般為逐漸升壓。該注漿工藝主要是采用連續注漿逐漸升壓、相對密度較大的單液水泥漿，對陷落柱破碎體大的裂隙、溶隙進行充填和擠密，初步形成導水陷落柱阻水塞體。

③次生裂隙區 次生裂隙區阻水塞建造主要采用連續注漿逐漸升壓的注漿工藝，注漿材料采用單液稀水泥漿液為主，漿液相對密度一般介于1.2～1.3，孔口一般逐漸升壓。該注漿工藝主要是采用連續注漿逐漸升壓、小相對密度的單液水泥漿，對陷落柱破碎體原生裂隙和次生溶隙進行擠密和劈裂注漿加固，基本完成導水陷落柱三維立體阻水塞體建造。

4.3 阻水塞建造效果分析

當每個分支鉆孔注漿量不大于50 L/min，并持續30 min時，注漿結束；結束時壓力孔口達3 MPa，達到阻水塞建造注漿結束標準。

根據分支孔序次注漿量分布情況，注漿量主要集中在一序分支孔，占總注漿量的60%(圖9)，二序孔漏失量較小，充分說明前期注漿對陷落柱內破碎體溶隙、裂隙等具有很好的充填、擠密效果，為導水陷落柱阻水塞建造起到關鍵作用。

圖9 各分支孔注漿量分布Fig.9 Distribution diagram of grouting amount for each branch bore hole

分支孔注水試驗吸水率小于1 Lu，達到治理要求，阻水塞建造效果良好。

導水陷落柱通道、煤層底板隔水層進行有效封堵和加固，突水點得到有效治理，G1觀測孔奧灰水位基本恢復，工作面涌水已疏放約30萬m3，疏放期間觀測孔水位正常，已實現8228工作面安全回采。

5 結論

a.采用地面定向水平鉆巖屑微晶成分對比、鉆速、鉆井液漏失量和隨鉆測井等綜合分析，對陷落柱進行精細探查，查明同煤集團塔山礦8228工作面突水陷落柱規模為410 m×200 m，破碎區主要靠近8228運輸巷掘進工作面一側分布。

b.利用Surpac軟件對陷落柱破碎體空洞、孔隙和裂隙等分布特征進行立體地質建模刻畫分區，劃分為主通道區、裂隙區和次生裂隙區。

c.對陷落柱破碎體不同分區采用針對性注漿工藝，實現陷落柱阻水塞精準立體建造，塔山煤礦8228工作面安全順利回采。基于地面定向水平鉆陷落柱綜合探查技術與阻水塞立體建造技術對類似工程具有很好的借鑒意義。