巨厚推覆體下奧灰水害探查治理定向鉆進技術

周學年，程世貴，夏小亮，朱印兵，紀卓辰，蒲治國

(1.中煤新集能源股份有限公司 新集二礦，安徽 淮南 232170；2.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054；3.中煤沖擊地壓與水害防治研究中心，內蒙古 鄂爾多斯 017200)

1 研究區概況

圖1 下組煤底板地層柱狀圖

井田底層煤組(1上煤、1煤)和奧陶系灰巖之間隔水層為1煤底板至太原組第1層灰巖頂板和本溪組。1煤底板至太原組第1層灰巖頂板段隔水層厚度為16.02～21.93m，平均為19.83m；本溪組鐵鋁質泥巖隔水層厚度為0.77～10.01m，平均為4.21m。1煤下伏含水層為太原組灰巖含水層和奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層。太原組灰巖巖溶裂隙含水層單位涌水量為0.000019～0.00217L/(s·m)，富水性弱；奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層單位涌水量為0.00037～0.722L/(s·m)，富水性弱到中等。根據井田內現有奧陶系灰巖含水層水位長觀孔資料可知，當前奧灰水位標高為-47.94～-62.05m，水壓約為7.0MPa。利用《煤礦防治水細則》中突水系數計算公式，計算1煤底板突水系數超過了臨界突水系數0.10MPa/m。同時煤炭資源的回收導致其底板被破壞，根據現場探測底板實際破壞深度為18～20m，井田內大多數區域1煤底板至太原組灰巖頂界之間的隔水層被完全破壞，使得1煤在回采過程中面臨高水壓和薄隔水層條件，奧陶系灰巖巖溶裂隙含水層成為礦井主要充水含水層，對礦井安全生產構成了嚴重威脅。

2 定向鉆進設備及奧灰水害防治技術

2.1 地面定向近水平鉆進設備

鑒于施工工藝要求，選擇采用ZJ-30型定向鉆機[10]，該鉆機具有模塊化程度高，占地面積小，方便山區道路運輸，適于地面作業的特點。隨鉆測量系統選用YST-48R無線隨鉆測斜儀，該測量儀相較于上一代的YST-48X泥漿脈沖隨鉆測斜儀，加入了γ測量項目，提高了傳感器定向探管的精度和性能[11]。螺桿鉆具是通過和無線隨鉆測斜儀進行配合，可對鉆孔軌跡進行實時監測、實時調整和實時控制，從而使井眼更加光滑[12，13]。結合研究區地層特點和鉆孔結構，造斜率二開孔段選用造斜強度為(1.25°～2.0°)/3m。泥漿泵是地面定向鉆進設備的關鍵，主要用于向鉆孔內提供高壓沖洗液[14]，本次采用NBB-390型。剩余配套鉆具包括鉆桿、鉆頭和扶正器[15]，一開直井段和二開造斜段選用外徑為127mm鉆桿，三開近水平段選用外徑為89mm鉆桿；根據施工方案和地層巖性情況一開選用直徑為311mm的PDC鉆頭，二開選用直徑為216mm PDC鉆頭，三開選用直徑為152mm的PDC鉆頭；扶正器為在完成定向側鉆后，利用其在有水泥斜面的側鉆井段劃眼，達到控制井眼軌跡的目的。

2.2 區域超前治理奧灰水害技術路線

圖2 采區回采前奧灰水區域治理技術路線

1)區域治理模式的轉變。調整了區域治理方法，防治水治理工程從過去的以單個采煤工作面為單元，調整為以采區為治理單元。

2)在時間上超前治理。采取順層注漿治理時間要超前于巷道掘進和工作面回采的時間，形成集“鉆探、注漿和異常區探查”的一體化定向近水平鉆進模式。

3 地面定向近水平鉆孔煤層底板超前注漿防治水技術

3.1 地面定向近水平鉆孔設計

3.1.1 目標地層的選取

3.1.2 近水平鉆孔注漿漿液擴散及距離設計

奧灰頂部目標層區域注漿屬于升壓滲透注漿，漿液主要在該時段發生擴散，當漿液進入裂隙后，伴隨著漿液壓力的上升，逐漸對地下水進行驅替[16，17]。注漿分支孔方位及間距主要依據以下原則進行設計：一是分支孔應盡可能與裂隙、斷層呈大角度斜交；二是孔間距不得大于注漿擴散半徑的2倍；三是鉆孔注漿擴散范圍應覆蓋整個探查治理區。

漿液類型和漿液配比通過鉆探過程中揭露的巖溶發育情況及壓水試驗測定的單位吸水率共同確定，漿液類型包括水泥單漿、水泥-粉煤灰混合漿、粉煤灰漿和雙液漿等，初始濃度一般為3∶1～0.5∶1，單位吸水率與漿液初始濃度見表1。

表1 單位吸水率與漿液初始濃度

通過對比分析、工業試驗和地面探查鉆孔檢驗等手段，確定了新集二礦地面探查注漿擴散半徑為39.0～52.4m。

3.2 地面定向近水平鉆進工程施工

3.2.1 工程概況

新集二礦位于淮南煤田南緣老人倉斷層北側，采用走向長壁綜合機械化采煤方法，一次采全高，全部垮落法管理頂板。目前主采1號煤(底層煤)，規劃的2201和2301采區受區域阜鳳推覆構造影響，三維地震勘探技術無法查明隱伏裂隙、斷層和陷落柱等垂向導水通道，直接威脅2201和2301待采區的安全掘進和回采。

3.2.2 施工流程

圖3 新集二礦2201和2301采區鉆孔軌跡

灰巖段鉆進遇漏失時，漏失量達5m3/h時進行注漿，過漏失段10m后起鉆，注漿之前進行壓水試驗，根據壓水試驗結果計算注漿段單位吸水量，然后根據表1中的對應關系確定漿液配比關系，達到靜水壓力的1.5～2.0倍作為注漿結束的標準。

4 區域治理效果驗證及評價

4.1 井上水文觀測孔水位實時監測

圖4 注漿前后水0101長觀孔奧灰水位變化曲線

4.2 井下物探、鉆探驗證

巷道和工作面在準備進行掘進和回采前，采用瞬變電磁方法進行探查，探查太原組灰巖富水異常區及垂向隱伏導水通道，進行注漿封堵效果的驗證。220106工作面回采前在風巷和機巷分別進行了瞬變電磁探測，得到了220106工作面垂直底板方向視電阻率剖面圖，如圖5所示。220106工作面風巷剖面探測結果表明視電阻率值相對均勻，說明其底板巖體相對完整；220106工作面機巷剖面探測結果同樣表明底板巖體相對完整，工作面內不存在明顯的低阻異常區。

圖5 220106工作面垂直底板方向視電阻率剖面圖

針對井下物探異常區、注漿量偏小但單孔涌水量較大區、注漿孔密度相對較小區、構造發育地段、初次來壓及停采線附近區域，施工了井下鉆孔進行驗證。220106工作面共施工底板探放水鉆孔17個，如圖6所示。其中YZ1-1#鉆孔終孔層位為6灰底板，鉆孔水量為1m3/h，迅速衰減為無水；YZ3-2#鉆孔終孔層位為9灰底板，鉆孔水量為0.5m3/h，迅速衰減為無水；YZ6-2#鉆孔終孔層位為8灰底板，鉆孔水量為5m3/h，1h后迅速衰減為無水；YZ12-2#鉆孔終孔層位為8灰底板，鉆孔水量為3m3/h，8h后衰減為無水。其余YZ1-2#和YZ1-3#鉆孔終孔層位為6灰底板，YZ4-2#、YZ4-3#、YZ4-4#和YZ6-1#鉆孔終孔層位為8灰底板，YZ3-1#、YZ8-1#、YZ8-2#、YZ8-3#、YZ10-1#、YZ10-2#和YZ12-1#鉆孔終孔層位為9灰底板，均為無水鉆孔。

圖6 220106工作面底板巷探放水鉆孔

4.3 治理效果評價

經過區域探查治理施工后，利用瞬變電磁物探方法進行了巷道和工作面的物探，發現太原組灰巖含水層富水性明顯變弱；在進行井下探放水工作時，終孔單孔涌水量均未大于5m3/h，注漿效果顯著，解放2201、2301采區1煤和1上煤10個工作面，資源儲量共計約為952.5萬t。

2201采區首先施工了S1-2鉆孔，然后在施工S1-1鉆孔時通過巖屑錄井發現巖屑中存在水泥碎塊，在施工S1-4和S1-5分支鉆孔時，同樣發現了水泥碎塊；2301采區S2-2鉆孔為第一個施工的鉆孔，在后施工的S2-1、S2-3和S2-4鉆孔巖屑中均發現了水泥碎塊。在分支鉆孔定向鉆進過程中，發現了水泥碎塊，這充分說明了利用定向分支順層鉆進、井上水文觀測孔水位實時監測和井下物探、鉆探驗證的方式，實現了在巨厚推覆體下運用地面定向近水平鉆孔鉆進技術進行奧灰水害的有效探查治理。

5 結 論

2)根據鉆進過程中巖溶發育情況、單位吸水率共同確定了漿液類型及其初始濃度；通過對比分析、工業試驗和地面探查鉆孔檢驗等手段，綜合確定了區內注漿擴散半徑為39.0～52.4m。

3)區域治理注漿結束后，區內奧灰水位長觀孔水0101鉆孔水位由注漿前的-187.27m升高至-118.90m，通過巷道和工作面物探發現太原組灰巖含水層富水性變弱；在進行井下探放水工作時，發現單孔涌水量均未大于5m3/h，最終解放2201、2301采區1煤和1上煤資源儲量共計約為952.5萬t。