準格爾礦區煤礦井下水害綜合防治技術

2021-06-23 09:44:46王慶

煤礦安全 2021年6期

王慶

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077）

煤礦中水害類型按照充水水源不同可分為地表水水害、老空水水害、孔隙水水害、裂隙水水害、薄層灰巖水害、厚層灰巖巖溶水害；按充水通道分類水害可分為直接揭露型水害、頂板水害、底板水害、斷層水害、陷落柱水害、封閉不良鉆孔水害；通常在研究礦井水害的時候對充水水源進行研究分析，從充水通道著手對水害進行治理、防控[1－3]。目前國內煤礦防治水技術已初步形成物探結合常規鉆探的配套技術[4－8]，但是也顯現出諸多問題和不足。尤其是煤礦井下鉆探技術發展緩慢，一直存在鉆孔施工工程量大、鉆孔深度較小、鉆孔軌跡無法實時控制、難以精確探查等技術難題[9－12]。為此以準格爾礦區某煤礦底板奧灰水防治為例，提出一種基于定向鉆進工藝的綜合勘探與防治技術，從而為相似礦井提供技術理論及實踐依據。

1 礦井地質概況

某礦位于鄂爾多斯市臺向斜東段準格爾煤田，井田總體構造為波狀起伏，近南北走向。井田主采6#煤層厚9.64～30.01 m，平均18.93 m，底板多為泥巖、砂質黏土巖，局部為粗粒砂巖，底板標高為+777.8～+791.7 m，下部為奧灰強富水含水層，奧灰水位標高為+868.8～+872.7 m，奧灰水位較工作面底板高84～101 m，屬于帶壓開采，預計奧灰水壓最大值為1.5 MPa。6#煤底板至奧灰頂界面，即6#煤底板隔水層厚度為33.69～66.48 m，平均距離為49.16 m，工作面回采后底板破壞深度平均約28.5 m，奧灰承壓水自然導水斷裂帶高度為6.3 m，底板有效隔水層厚度不足20 m，礦井奧灰水的突水可能性較大，同時也存在奧灰水以斷層等構造為導水通道突入礦井造成事故的風險。

2 水害綜合防治技術

2.1 物探勘探技術

礦井物探技術具有覆蓋區域廣，綜合成本低等特點，目前常用的有三維地震勘探、瞬變電磁探測、瑞利波探測、礦井音頻電穿透、井下槽波地震探測、地質雷達探測等技術手段。其中井下探測常用的為槽波地震探測及音頻電穿透技術，可用于探查小斷層、陷落柱、煤層分叉與變薄帶、采空區及廢棄巷道等地質異常，其設備及技術具有適應性強、探測距離大、精度高、抗干擾能力強等特點。

2.1.1 槽波地震探測

槽波地震勘探是利用在煤層中激發和傳播的導波，探查煤層不連續性的1種地球物理方法，是地震勘探的1個分支。在該工作面回風巷、運輸巷及切眼均采用10 m接收道距、30 m炮間距，工作面槽波振幅衰減成像圖如圖1。圖1中藍色（冷色）區域代表槽波能量正常穿透區，紅黃色（暖色）區域代表槽波能量低穿透區，工作面內槽波振幅衰減成像基本在正常范圍內，內部構造相對簡單，但在靠近巷道及切眼有較明顯的小范圍槽波衰減強烈，代表該區域巖層松散。

圖1 工作面槽波振幅衰減成像圖Fig.1 Amp litude attenuation imaging of groove wave in working face

結合巷道揭露情況，其原因可能是由于煤層巷道的掘進，破壞了原有地層應力平衡，巷道側幫一定厚度的煤層處于松動圈范圍，松動圈的煤層對彈性波吸收作用明顯，但也不排除為小斷層、裂隙發育等異常構造情況，因此需對該區域松散破碎地層重點預防處理。

2.1.2 礦井音頻電穿透

礦井音頻電穿透技術是最有效探測采煤工作面頂底部巖層中含水構造的礦井物探技術之一。一般情況下，在地層層位分布穩定、巖性相對均一的情況下，電性分布穩定，視電導率等值線分布均勻、變化平緩。若存在含導水構造情況下的電性均勻分布規律被打破，反映在圖上為視電導率值增大，視電導率等值線扭曲、變形為圈閉或呈密集條帶狀等。在彩色平面圖上則高電導異常區更為直觀，表現為青色，且導電性越好，青色越深。視電導率值越高，說明地層的相對綜合導電性越好，若含水，則相對也就越豐富。

音頻電穿透巖層視電導率等值線圖如圖2。音頻電穿透巖層視電導率表明工作面底板下部0～40 m巖層視電導率范圍為1.29～13.12 S/m，平均值為5.13 S/m，標準偏差為1.74 S/m，結合工作面已知地質條件，異常閾值取為6.0 S/m。工作面底板下部40～80 m巖層視電導率范圍為0.94～9.11 S/m，平均值為4.50 S/m，標準偏差為1.33 S/m，異常閾值取為5.0 S/m。切眼處下部0～80 m均發現低阻異常區，異常范圍較小，幅值中等，推測切眼異常附近裂隙較為發育。

圖2 音頻電穿透巖層視電導率等值線圖Fig.2 Contour map of apparent conductivity of audio frequency electric penetration

2.2 定向鉆探技術

1）設備配套。定向鉆探裝備選用ZDY6000LD型頂線鉆機及配套測量系統，采用1.25°彎角螺桿鉆具主動造斜方式，泥漿泵輸出沖洗液經通纜鉆具進入螺桿馬達，在馬達進出口形成一定壓差，推動馬達轉子旋轉，通過萬向軸和傳動軸將轉速和扭矩傳遞給鉆頭，從而達到碎巖的目的。在鉆進過程中通過改變彎頭的朝向，使鉆孔實現定向彎曲變化，通過隨鉆測斜數據來調整彎外管的工具面向角，從而使鉆孔的傾角和方位基本達到預定目標。該配套設備廣泛應用于地質構造及異常體探查、瓦斯抽采、防滅火、頂板疏放水及底板注漿加固等煤礦安全領域。設備配套及連接工藝如圖3。

圖3 定向鉆探設備配套連接圖Fig.3 M atching connection diagram of directional drilling equipment

2）孔身結構設計。定向鉆孔為三級孔身結構設計，一級孔身結構為φ168 mm×6 m孔口管，用于安裝閘閥、避開孔口破碎圍巖；二級孔身結構為φ127 mm孔口管，目的為穿過煤線、泥巖等塌孔層位，三級孔深結構為定向孔段，主要是在目的層位進行延伸，對異常區進行探查。定向鉆孔孔身結構設計如圖4。

圖4 定向鉆孔孔身結構設計Fig.4 Structural design of directional drilling hole

3）鉆孔軌跡。針對物探技術探查出的異常區域，在回風巷5號鉆場向工作面切眼中部施工D1底板探查注漿定向鉆孔，平面水平方位為115°，垂直剖面為6#煤底板下部35～40 m。定向鉆孔一開使用φ193 mm鉆頭鉆進至8.5 m（孔深7 m時見砂巖），下入φ168mm無縫鋼套管8.5 m，采用水泥～水玻璃雙液漿固管，帶壓4.0 MPa注漿對套管進行封固；二開使用φ153 mm鉆頭鉆進至9 m，做壓水試驗，憋壓3.0 MPa，30 min后壓降為0，固管質量合格，繼續用φ153 mm鉆頭鉆進至63 m，下入φ127 mm無縫鋼套管63 m；三開使用φ98 mm鉆頭鉆進至63.5 m，做壓水試驗，憋壓3.0 MPa，30 min后壓降為0，二級固管質量合格。在孔口安裝φ150 mm高壓閘閥，使用φ98 mm鉆頭通過閘閥裸孔鉆進至終孔480 m，終孔水量12.4 m3/h。D1定向探查鉆孔平面軌跡如圖5。

圖5 定向探查鉆孔平面軌跡示意圖Fig.5 Plane trajectory of directional exploration borehole

2.3 水文地球化學分析

1）涌水量分析。D1孔施工過程中觀測鉆孔涌水量，鉆進至72 m處水量變化為1.6 m3/h，水量隨后隨著孔深而增加，終孔水量為12.4 m3/h。定向探查鉆孔涌水量曲線如圖6，圖6中顯示在約330 m處涌水量由約5 m3/h變為9 m3/h，在460 m到切眼處出水量由約9 m3/h變為12 m3/h，涌水量增加較大，推測該處底板巖層裂隙較發育，含水量較豐富。

圖6 定向探查鉆孔涌水量曲線Fig.6 W ater inflow curve of directional exploration borehole

2）水質分析。D1定向探查鉆孔施工過程中取水樣進行水質化驗，水質分析結果如圖7。在0～320 m孔段鉆孔水中Cl-含量范圍為230.8～280.1 mg/L，平均為257 mg/L，在330～480 m孔段中Cl-含量突增，保持在331.4～439.9 mg/L，平均為396.1 mg/L。一般情況下礦井頂板砂巖水中Cl-含量較低，而奧灰水中Cl-含量較高，因此初步推測該鉆孔在330 m到終孔切眼處存在與底板奧灰水導通的可能性。

圖7 鉆孔出水中Cl-含量曲線圖Fig.7 Curve of Cl-content in drilling water

3 綜合勘探分析與防治

3.1 綜合勘探分析

地質勘探一般遵循“物探先行、鉆探驗證、化探跟進”的原則，在該礦井工作面槽波地震發現在切眼有一處較明顯的小范圍槽波衰減強烈，音頻電穿透結果也表明該處存在低阻異常區，因此推測切眼異常附近裂隙較為發育。運用定向鉆進技術對圈定異常區進行探查，表明在鉆孔320 m至切眼終孔點孔段涌水量有突然增加的趨勢，且水質分析結果亦表明該孔段Cl-含量可達439.9 mg/L，明顯高于普通砂巖水中Cl-含量。建議將綜合勘探技術共同發現的切眼附近異常作為本工作面的防治水重點區域。

3.2 異常區注漿加固治理

該礦井對于底板奧灰水害，采取注漿加固底板隔水層的方式進行治理。針對該工作面異常區域，采用地面注漿站及井上下注漿管路系統，把地面注漿泵組和井下D1孔孔口閘閥連接起來進行注漿，結合井下高壓泥漿泵穩壓補漿的地面-井下聯合注漿工藝對煤層底板進行注漿加固治理。

注漿前先壓清水1 h，疏通注漿管路并對地層進行壓水；采用密度為1.2（水灰比約為3∶1）的稀漿進行試注漿，注漿50 t后地面注漿泵壓力小（＜1 MPa），逐步提高漿液密度為1.3（水灰比約為2∶1）繼續注漿，該水灰比水泥注漿量達到100 t，地面注漿泵壓力仍較小（＜1 MPa），逐步提高漿液密度為1.36（水灰比約為1.5∶1）繼續注漿，地面注漿站壓力升高為6 MPa，穩壓約60 min后停止地面注漿；在該水灰比下繼續采用井下高壓泥漿泵注漿，壓力提高為9 MPa且穩壓30 min后停止注漿。利用該注漿工藝，共注入水泥457.5 t，注漿終壓9 MPa，對圈定異常區地層進行了有效加固。

3.3 效果驗證

實際揭露結果表明，該工作面回采時近切眼處所圈定異常區域巖石松散破碎、地層層理紊亂，疑是小規模陷落柱的地質異常構造，揭露時無底板奧灰水涌入現象。采用取心鉆孔對異常區進行探查時可見水泥樣，工作面回采過程中未發生奧灰水通過煤層底板導入現象發生，表明注漿水泥對該破碎異常區域進行了有效的膠結固化，切斷了底板奧灰水的連接通道，保障了工作面的安全回采。