準格爾礦區井下水害區域超前探查防治技術

劉明軍，王 鋼，崔巖波

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077； 2.鄂爾多斯市國源礦業開發有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

隨著我國煤礦開采逐步向深部發展，煤層開采受水害威脅日趨突出，尤其是煤層底板水害已嚴重制約煤炭安全高效持續發展[1-3]。準格爾煤田6號煤層全區可采較穩定，是目前主要開采煤層，煤田的中西部絕大部分位于奧灰含水層靜水位以下，屬帶壓開采[4]。奧灰含水層具有富水性強、補給水源充足穩定、煤層底板隔水層厚度薄等特點，采動影響對底板破壞深度較大。雖然6號煤層底板突水系數小于臨界突水系數，突水的可能性比較小，但通過斷層、陷落柱以及底板擾動裂隙等形成垂向導水通道，導通奧陶系巖溶含水層，局部存在發生突水的可能。據調查發現在建井或采煤過程中，區域內曾先后發生過酸刺溝、黃玉川、龍王溝、唐家會礦井出水甚至淹井事故，奧灰水害已成為制約準格爾煤田礦井安全生產的重大隱患。

目前煤礦井下奧灰水害探查多采用物探方法進行，但物探解釋結果的多解性、探查距離短等不足，影響工作面開采。利用定向水平鉆孔進行區域底板探查注漿改造應用廣泛，例如焦作、韓城、邢臺、兩淮、皖北等礦區，普遍通過探查改造煤層底板薄層灰巖實現帶壓開采[5-7]。不論是地面水平鉆孔還是井下近水平鉆孔，由于受裝備能力與技術水平的限制，水平段在目的層中延伸距離大部分在600～700m[8-10]，不能滿足工作面推進長度的煤層底板探查與治理的需要。目前普遍采取多做鉆場來彌補水平段長度不夠的缺陷，增加了施工工期、成本，影響工作面的接續。準格爾煤田煤層與奧灰之間薄層灰巖缺失，為了充分利用煤層底板至承壓含水層間隔來阻隔承壓水，實現帶壓安全開采，筆者根據準格爾煤田區域地質特征、礦井水害特征、采煤方法，采用井下超長定向鉆孔工藝技術，以龍王溝煤礦6號煤層61605工作面水害防治為例，對煤層頂板砂巖水進行預疏放；對煤層底板巖溶陷落柱、斷層及裂隙帶進行探查與封堵，切斷垂向導水通道，對該區域煤礦開采具有重要現實意義。

1 礦井水害特征

龍王溝煤礦位于準格爾煤田中西部，地層沉積序列與華北石炭二疊紀各煤田基本相似[11，12]，主采石炭二疊系煤層。受奧灰水和頂板砂巖水雙重威脅，水文地質條件復雜。6號煤層頂板充水水源有山西組砂巖含水層和上、下石盒子組砂巖含水層。山西組砂巖含水層厚度約20.57m，分3層，與含煤地層互層，下層距6號煤頂板約5.6m，頂層距6號煤頂板約27.1m；下石盒子組砂巖含水層厚度約61.6m，距6號煤頂板43.6m；上石盒子組砂巖含水層厚度約89.4m，距6號煤頂板163.1m。6號煤層底板以下賦存太原組砂巖含水層和奧陶系灰巖含水層。太原組砂巖含水層厚度約28.9m，距6號煤底板約9.7m；奧灰含水層厚度超235m，距6號煤底板約44.3m，煤層與各含、隔水層位置關系如圖1所示。

圖1 煤層與各含、隔水層位置關系

開采標高為1100～575m，奧陶紀灰巖水水位實測標高867.93～871.02m，主采煤層6號煤層可采范圍底板標高826～856m，處于奧灰水水位以下約14～35m，屬承壓采掘，水頭壓力0.14～0.5MPa。

2 煤層底板區域超前探查治理關鍵技術

龍王溝煤礦6號煤層底板奧灰巖巖溶發育，具有陷落柱集中發育的基本條件，奧灰水與黃河具有較強水力聯系，奧灰水疏降不可行。防治水對策以巖溶陷落柱及導水構造的探查為重點，采取底板隔水層探查與注漿封堵相結合，實現煤層安全開采。

2.1 超長鉆孔超前探查治理原理

在采掘活動中遇煤層下方隱伏陷落柱或裂隙帶，在承壓水和采動應力作用下，誘發工作面底板斷層活化導水或煤層下方隱伏陷落柱溝通，承壓水突破有限隔水帶形成集中過水通道，導致奧灰水從煤層底板突出的可能性。

準確探查陷落柱或裂隙帶發育情況成為解決6號煤層受底板奧灰水威脅的關鍵，探查的方法有物探、鉆探、化探等方法，相比鉆探方法是最直接的手段。利用超長鉆孔超前探查主要目的是探查封堵導水通道或水源，如圖2所示。定向孔在目的層延伸，利用低密度高壓漿液連續注漿，使漿液在受注層中滲透、擴散、充填，經過一定時間后凝固和硬化，從而達到加固受注層和抗滲防水的目的。

圖2 超長鉆孔探查與治理

2.2 目標層位優選原則

利用超長定向鉆孔進行水害超前探查，合理選擇鉆孔延伸層位至關重要。根據探查區域、鉆場、目標層的空間層位關系，設計合理的鉆孔結構及鉆孔軌跡，選擇合理的目標地層及鉆孔參數，以達到鉆孔精確控制，為實現超長鉆孔創造條件。

考慮鉆進效率以及煤層底板的下三帶分布情況，目標層選擇原則：①目標層本身需要有一定的厚度；②地層穩定，不易塌孔、縮徑；③普氏硬度系數f<6的巖層；④軌道設計在完整巖層帶。

2.3 超長鉆孔軌跡精確控制技術

隨著采煤工作面走向長度不斷增加，利用超長鉆孔進行區域超前探查勢在必行[13，14]，超長鉆孔軌跡精確控制采用“滑動糾偏+復合穩斜”的方法。

影響超長鉆孔軌跡主要有鉆具組合的結構、地層特征、鉆進參數、鉆孔幾何形狀等因素，主要根據已鉆鉆孔的實際地質情況、幾何形態，原則上每3m對鉆孔進行一次參數測定，預測調整鉆進方向，力求鉆孔按照設計軌道和要求鉆進。鉆孔造斜段，采用滑動定向鉆進，通過調整傾角、方位角，對鉆孔軌跡實時監控，順利進入目的層；鉆孔穩斜段，由于隨鉆孔深度增加，鉆具摩阻不斷增大，滑動鉆進給進壓力增大呈指數上升趨勢[15]。通過復合鉆進傾角控制可有效減少滑動定向鉆進進尺比例，從而起到降低鉆進阻力、提高鉆孔深度和鉆進效率的作用。

2.4 超長鉆孔注漿工藝技術

超長鉆孔注漿采用前進式分段注漿工藝，以鉆孔施工和注漿交替進行，當達到啟動注漿條件時，提鉆注漿直至達到注漿結束標準，侯凝后掃孔繼續鉆進，如此反復，直至設計深度。

進入目的層段，根據鉆孔涌水量大小、吸水率高低、進尺情況，啟動注漿作業。注漿遵循“先稀后濃”注漿原則，采用單液水泥漿，比重維持在1.2～1.5g/cm3，每次注漿如實測定并記錄每罐漿液的比重、泵量、泵壓、孔口壓力等參數，及時匯總注漿量、注漿前后壓水試驗情況，分析注漿效果，為下一步施工提供依據。鉆孔注漿終壓為4MPa，注漿泵泵量為不超過50L/min，維持30min后，結束該段注漿。只要未達到全孔注漿結束標準，每次注漿前后均須壓水，若壓不進水，則下鉆具進行透、掃鉆孔至孔底，以便下次再注。每次注漿結束后，均要向孔內壓水，壓水量為管路與孔內體積之和的兩倍，要對壓水試驗及注漿過程進行詳細記錄。

3 水害區域超前治理工程及效果

利用超長定向長鉆孔技術，對龍王溝煤礦61605工作面煤層底板進行探查治理，確保61605工作面的安全回采，促進安全與生產相銜接。

3.1 工作面概況

龍王溝煤礦61605工作面，位于井田第一撓曲帶東側，YC7號物探異常區以西，切眼設計長度255m，推采長度約1160m，開采面積約0.18km2，工作面可采儲量546.8萬t，采用綜采放頂煤一次采全高工藝。所采煤層為6號煤層，煤層埋深370m，長焰煤，煤層厚度20.80～24.95m，均厚23.10m，煤層傾角5°，采高23.1m，采動影響對底板破壞深度較大，采用綜采放頂煤一次采全高工藝。工作面地面標高1173.1～1290.9m，煤層底板標高826～856m，處于奧灰水水位以下14～50m，工作面底板距奧灰頂界面44.3m(觀8孔參數)。

3.2 底板破壞深度

煤層底板巖層在采動影響下也會出現一定程度的破碎、裂隙發育，在斷層、陷落柱及巖體松軟破碎等巖層抗壓薄弱區域受采動影響，存在奧灰水突水的可能，威脅煤礦生產安全，嚴重時甚至可能造成淹井等重大事故[16]。

工作面采動對底板破壞深度受底板巖性、采深、工作面長度、開采厚度、地層傾角等地質影響。根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》中經驗公式(1)計算61605工作面范圍內底板破壞深度。

h=0.0085H+0.1665a+0.1079L-4.3579

(1)

式中，h為底板破壞深度，m；L為開采工作面斜長，m；H為開采深度，m；a為開采煤層傾角，(°)。

6號煤層在開采過程中會產生底板破壞帶溝通煤層底板的太原組砂巖裂隙含水層，可能會對底板的奧灰水含水層產生影響。根據經驗公式(1)計算得61605工作面底板破壞深度為27.03m，實測底板破壞深度為15m，底板擾動帶深度為25m。

3.3 超長定向長鉆孔設計

3.3.1 鉆孔平面布設

定向長鉆孔孔間距主要依據漿液擴算半徑確定，漿液的擴散半徑隨巖石的滲透系數、注漿壓力、注入時間的增加而增大，隨漿液的濃度和黏度的增加而減少。據礦井現場經驗，巖石漿液平均擴散半徑為20 ～25m。

在61605工作面主運巷和輔運巷各布置一個鉆場(1D鉆場、31D鉆場)，1D鉆場布置3個底板定向孔(1D-1、1D-2、1D-3)和1個頂板定向孔(1F-4)；31D鉆場布置2個底板定向孔(31D-1、31D-2)和1個頂板定向孔(31F-3)，兩個鉆場共7個鉆孔，如圖3所示。探查孔平行工作面巷道方向布置，31D-2距輔運巷47m；1D-1孔距主運巷47m；孔間距40m。頂板孔探查層位布置在山西組砂巖中，1F-4孔水平段距6號煤層頂板約27m；31F-3孔水平段距6號煤層頂板約6m，兩孔間距95m，都平行工作面巷道方向布置。

圖3 61605工作面頂底板定向鉆孔軌跡

鉆探工程目的在于探查61605工作面頂板、底板的富水性，底板隔水巖層導水構造發育情況，并對富水異常區、構造復雜區域進行注漿改造，對頂板富水異常區砂巖水疏放，保障龍王溝煤礦61605工作面的順利、安全回采。

3.3.2 目標地層優選

6號煤層直接底多為灰黑色泥巖、砂質泥巖，質軟，風化易碎，層厚5.37～11.54m，平均厚度7.4m，分布連續，普氏硬度系數f<2；基本底為砂質泥巖，層厚6.43～18.72m，灰白色，巨厚層狀，粗粒砂狀結構，以長石石英為主，分選差，磨圓差，棱角狀，孔隙式泥質膠結，半堅硬，參差狀斷口，塊狀，普氏硬度f=1～3；基本底下伏地層砂泥巖互層，層厚9.87～16.43m，處于理論底板破壞深度以下，層位穩定，符合目標層原則，探查孔沿鋁土質泥巖頂部的砂泥巖互層延伸，距巷道底板約37m，平行工作面巷道方向布置；奧灰含水層上覆巖層為鋁土泥巖與砂巖互層，層厚穩定約4.37～11.84m，隔水性能良好。

3.3.3 鉆孔結構優化

根據礦井水文地質特點，底板鉆孔孔身結構采用三級類型：一級孔身結構主要目的為下入孔口管，安裝控水閥門；二級孔身結構主要是穿過泥巖、煤層等不穩定地層；三級孔身結構為定向造斜段和定向穩斜段，目的是通過鉆孔彎曲使鉆孔沿著設定軌跡到達靶區。鉆孔孔身結構見表1。

表1 鉆孔孔身結構

3.4 超長定向長鉆孔施工

工作面兩巷及工作面中部位于應力集中區、受剪切應力，易發生底鼓出水。因此，本鉆探工程目的在于探查61605工作面底板隔水巖層導水構造發育情況，并對富水異常區、構造復雜區域進行注漿改造，保障61605工作面的順利、安全回采。

選用大功率ZDY12000LD鉆機、BLY460泵車，配套?89mm鉆具，采用YHD3-1500泥漿脈沖測量系統，進行復合定向鉆孔施工。以1D-1鉆孔施工為例，一開鉆進12m，擴孔11m，下?219mm套管10m，注水泥0.75t，侯凝72h。掃孔結束后做耐壓試驗，耐壓6MPa，穩壓時長30min，鉆孔周圍無滲漏。二開鉆進78m，擴孔78m，下?146mm套管75m，注水泥2.5t，侯凝72h，掃孔結束后做耐壓試驗，耐壓6MPa，穩壓時長30min，鉆孔周圍無滲漏。三開鉆進至642m時，鉆孔開始出水，出水量約1.7m3/h；鉆進至987m時，鉆孔出水量加大約8.1m3/h；1227m終孔出水量約10.8m3/h。鉆遇裂隙為主，鉆探結果分析以裂隙滲水為主，累計注水泥量49.31t。

3.5 應用效果

以往準格爾地區各煤礦施工頂底板定向鉆孔，由于設備及工藝局限性，鉆孔深度一般不超過800m。龍王溝61605工作面共布設2個鉆場，5個底板孔，2個頂板孔，采用復合鉆進工藝，單孔深度均超過1100m，其中主運巷繞道1#鉆場1D-1鉆孔為下斜鉆孔，順利穿越多個層位，最大垂距37m，終孔1227m，隨著孔深的增加出水量逐漸增大，終孔出水量10.8m3/h。5個底板孔總注水泥量460.42t，其中施工31D-1孔在618m處遇見裂隙，注漿量為70.18t，2個頂板孔最大出水量1.5m3/h，靠近物探異常區主運巷出水量較大，底板孔注漿量詳見表2。根據注漿效果得出61605工作面底板局部裂隙發育，揭示并注漿改造局部裂隙發育異常區，保障工作面安全回采，目前已安全回采。

表2 底板孔注漿量

4 結 論

1)針對準格爾煤田水害特征、特厚煤層、大采高、工作面長情況，提出了利用井下超長定向水平孔技術，以底板隔水層探查與注漿改造相結合，最終實現工作面安全帶壓開采。

2)選用大功率鉆機，采用YHD3-1500泥漿脈沖隨鉆測量裝置進行復合定向巖層鉆孔施工，鉆孔孔深普遍大于1100m，最大孔深達1227m，達到超前探查目的。

3)煤層底板超長定向長鉆孔探查注漿層位選擇6號煤層底板以下30～40m范圍內，鋁土質泥巖上部的砂泥巖互層，施工順利，層位選擇合理可行。

4)龍王溝煤礦灰巖含水層，巖石裂隙發育不均，富水性強弱不一，61605工作面靠近物探異常區主運巷出水量較大，底板探查孔涌水及注漿量表明，局部裂隙發育，未發現大的導水通道及強富水區。