復雜地質條件下定向長鉆孔遠距離精準探放老空水技術及應用

劉 振，慶先斌，趙成洲，羅 通，丁礦山

（淮北礦業股份有限公司許疃煤礦，安徽 淮北 235000）

礦井老空區積水一直是困擾煤礦安全生產的重大隱患之一，從我國已發生的煤礦水害事故水源來看，大多數是老空透水造成的[1]。老空水危害不僅嚴重威脅了井下工作人員的安全，也為后續煤層開采提出了難題[2-3]。采用鉆孔對老空水提前進行探放是避免老空水害事故發生的有效途徑[1，4-5]。但是，以往探放老空水的方法大多是采取沿空巷道掘進施工期間向采空區施工鉆孔，此方法無法一次性將采空區積水放出，只能采取沿空微壓探放水方式放水，這種放水方式不僅嚴重制約掘進效率，且存在較大的安全威脅[6]。此外，采用傳統的回轉鉆進技術進行老空水治理時存在施工工程量大、鉆孔深度較小、施工過程中鉆孔軌跡無法連續測量和實時控制、難以精確探放等技術難題[7-8]。近年來，隨著煤礦開拓范圍、開采深度和強度的不斷擴大，煤礦的水文地質條件日趨復雜，對防治老空水水害又有了新的要求，常規的探放水鉆探技術已經不能滿足煤礦安全開采的需要。因此，研究煤礦井下探放水鉆探技術，制定科學的探放水鉆進工藝，對于減少煤礦老空水害事故具有重要意義[9-11]。

基于此，許疃礦在查明探放水工程范圍內煤巖層賦存和構造發育情況的基礎上，開展了采用定向鉆進技術在巖巷遠距離集中探放老空水的成功實踐，從根本上避免沿空探放水方式存在的風險，消除了巷道沿空掘進期間的水害隱患，同時節省了探水巷巷道工程量，有效提高了施工效率，緩解了礦井接替緊張的局面。研究成果為礦井安全高效生產提供了技術保障，也為今后老空區探放水工作的開展提供了借鑒。

1 工程概況

許疃礦是淮北礦業集團主力礦井之一，有牽一發而動全身的重要地位和影響。72316 工作面位于83下采區下山右翼第三階段，北到工廣保安煤柱，南到采區下山保安煤柱，西鄰72314 工作面（已回采），東鄰72318工作面（尚未準備）。工作面走向長1 295～1 334 m，平均1 314 m，傾斜長201 m，煤層傾角6°～27°，平均15°，工作面72煤厚3.80～8.60 m，平均4.80 m。72316工作面原煤儲量173.8 萬t，是礦井下一個主采面，按計劃回采意義重大，如圖1 所示。

圖1 72316 工作面平面圖

72316 風巷掘進受上區段72314 外段老空水威脅，72314 外段老空水預計積水面積40 928 m2，積水量58 240 m3，水頭高度20 m。72314 采空區附近無可以實施探放水工程地點，就近施工探放水巷道工期較長、成本較高，無法實現“超前”探放水，同時還制約巷道掘進效率，影響礦井生產接替。為進一步緩解采掘接替緊張局面，減少72316 掘進工作面水害治理時間，實現72316工作面掘進無縫對接，經分析論證，確定在-630 m 回風大巷定向鉆遠距離集中探放72314 老空水。

2 探放水工程設計與施工

2.1 探放水工程設計

為探放72314 外段老空水，確保72316 外段風巷安全掘進，在-630 m 回風大巷H34 點后48 m 探放水鉆場（鉆中）內施工探放水工程，鉆場內布置1個定向鉆孔對72314 外段老空水進行巖巷遠距離鉆進集中探放。

2.1.1 鉆孔布設方案

鉆孔暫設計1 孔（1#），后期根據1#孔鉆孔軌跡增補2#、3#定向鉆孔。1#終孔72314 機巷J38 點向里18 m 巷道頂板上3 m（冒落帶層位）位置。設計鉆探工程量735 m，詳見-630 m 回風大巷集中探放72314 外段老空水工程設計（成果）剖面圖（圖2）及平面圖（圖3）。

圖2 -630 m 回風大巷集中探放72314 外段老空水工程設計（成果）剖面圖

圖3 -630 m 回風大巷集中探放72314 外段老空水工程設計（成果）平面圖

2.1.2 探放水設備及鉆孔結構設計

硬件設備作為遠距離定向鉆進必不可少的首要條件，本次研究選用了更大功率的鉆機及更加精準的測量設備：ZDY12000LD 型液壓鉆機、型號BLY460LP 泥漿泵、φ89 mm 鉆桿、φ120 mm 及φ153 mm鉆頭、φ146 mm 止水套管。預計探放72314 外段老空水鉆孔開孔處水頭高度為83 m，最大靜水水壓0.83 MPa。72314 外段老空水積水位置清楚，采取巖巷遠距離超前集中探放的方式，鉆孔應下置φ146 mm 止水套管不小于10 m，考慮到鉆孔開孔初期穿72煤頂板煤線（厚0.7 m），設計下置止水套管長度穿過72煤頂板煤線25 m（進入粉砂巖層位2 m），套管長度約123 m。開孔用φ89 mm 鉆桿配合φ120 mm 鉆頭鉆進，用φ153 mm 鉆頭擴孔，0～123 m 為φ153 mm孔徑，下置φ146 mm 止水套管，以下為φ120 mm 裸孔。本次探放水暫設計鉆孔數1個，總工程量735 m，測斜深度不小于設計孔深的80%。本次鉆孔設計參數見表1。

表1 鉆孔設計參數

2.2 工程施工情況

2.2.1 地質探查

地層層位、巖性、厚度、起伏變化及隱伏地質構造等等均為影響鉆孔施工軌跡控制的不利因素，因此地質探查工作必不可免[12]。鉆探軌跡設計選取在72煤層頂板厚度8~14 m 中粗粒砂巖層位，為確保定向鉆孔在穩定砂巖層位鉆進，充分利用定向鉆進的“隨鉆隨測、主孔開分支”等先進技術手段的優越性，按照定向鉆孔設計相同方位角施工了2個地質探查鉆孔，鉆探工程量260 m/2孔，查明了NFS27（∠45°～55°H=5 m）逆斷層位置，同時結合三維地震時間剖面、定向鉆孔實揭和地面鉆孔資料，解釋了一條落差5 m 以上的逆斷層，為后期定向鉆孔精準射透采空區奠定了堅實的基礎。

根據探查鉆孔施工成果針對性修改了止水套管的下置深度，以此來保證定向鉆孔開孔穿層段能得到有效護壁，防止后期鉆進過程塌孔，影響鉆孔施工質量。另外優化了防排水系統，因-630 m 回風大巷排水能力不能滿足探放水期間排水需求，在-630 m 回風大巷向-650 m 運輸大巷施工了2個泄水鉆孔（孔徑φ94 mm，全程下φ73 mm 花管），增大了排水能力，減少了電泵排水不穩定的缺點。

2.2.2 鉆探工程施工情況

本次探放水工程設計鉆孔3個，其中1個主孔、2個分支鉆孔，設計主孔鉆探工程量735 m，分支孔深度依據主孔鉆探情況即時設計，實際施工鉆孔7個，鉆探工程量2 520.5 m/7 孔，其中3個鉆孔打透采空區，實際施工鉆孔情況如下。

（1）1#孔施工情況

3月28日，1#鉆孔開始施工，下φ146 mm 套管45 m，4月5日耐壓試驗合格。鉆孔進尺35 m 后從1#地質探查孔返水，對1#地質探查孔注漿，4月6日1#孔掃孔鉆進。4月14日，1#孔孔深324 m，孔內返水不正常，洗孔無效報廢。

（2）補1#孔施工情況

4月17日，補1#孔開孔，下φ146 mm 套管44.1 m，耐壓試驗合格后正常鉆進，因工具面問題，鉆孔角度一直下垂。4月25日，鉆孔孔深146 m 開始提鉆，補1#孔重新全程注漿待掃孔。

（3）補1#孔注漿后施工情況

4月30日，補1#孔開始掃孔鉆進。5月11日，補1#孔施工至567 m，因穿煤17 m 不返水報廢。

（4）補1#孔1#分支孔施工情況

5月14日，在補1#孔225 m 處開1#分支鉆孔，鉆孔在660 m 處揭露一條落差5 m 以上的逆斷層，造成該孔660～717 m 全煤，鉆孔終孔717 m，終孔水量20 m3/h，涌水僅3 h 后鉆孔不再出水，最后抱鉆，造成該孔報廢。

（5）補1#孔2#分支孔施工情況

5月30日，在補1#鉆孔1#分支孔504 m 處開2#分支孔，因鉆孔施工前方地質條件已基本查清，6月5日，2#分支孔711 m 順利鉆進至72314 采空區頂板冒落帶內，鉆孔最大涌水量100 m3/h，水量穩定80 m3/h左右。

（6）補1#孔3#分支孔施工情況

6月28日，在補1#鉆孔1#分支孔555 m 處開3#分支孔。施工至561 m 處串孔，鉆孔報廢。

（7）補1#孔4#分支孔施工情況

6月30日，在補1#鉆孔1#分支孔393 m 處開4#分支孔。施工至519 m 處憋泵，經反復提鉆洗孔無效，鉆孔報廢。

（8）補1#孔5#分支孔施工情況

7月12日，在補1#鉆孔1#分支孔306 m 處開5#分支孔。施工至孔深726 m 無出水現象，分析該孔因穿煤自然下垂（72314 機巷底板有三角煤）至機巷底板，后退鉆持續洗孔。7月27日，孔深717 m 處鉆孔出水，水量穩定20 m3/h，水溫度31℃。

3 探放水效果評價

3.1 鉆孔出水情況分析

補1#孔1#分支孔最大涌水量20 m3/h，出水3 h后抱鉆，鉆孔報廢，共探放水量約60 m3；補1#孔2#分支孔鉆孔最大涌水量100 m3/h，水量穩定80 m3/h 左右，探放水量約17 172 m3；補1#鉆孔5#分支孔水量穩定20 m3/h，探放水量約768 m3。三孔共探放水量約18 000 m3。

3.2 探放水效果檢驗

8月3日，對補1#孔5#分支孔透孔檢驗，鉆孔涌水量維持在1.5 m3/h 左右，分析該水源為72314 外段采空區動態水量及鉆孔穿過砂巖層位時的砂巖裂隙水混合水，該水量略大于72314 機巷封閉墻探放水前涌水量（1 m3/h 左右）；鉆孔有明顯出氣現象，實測孔內瓦斯含量6.27%（采空區遺煤解析瓦斯）、氧氣含量18.69%（采空區缺氧所致，空氣中氧氣含量21%），說明鉆孔與72314 采空區通暢，無堵塞現象。以上驗證結果表明72314 外段采空區第一處低洼點積水已探放完畢。

3.3 探放水量誤差原因分析

預計72314 外段采空區靜態積水量約58 240 m3，實際共探放水量約18 000 m3，去除外段采空區第二處低洼點積水量3 330 m3，比預計靜態老空水量少36 910 m3。分析預計靜態水量誤差原因可能有以下幾個方面，一是72314 工作面采高按平均煤層厚度4.9 m計算，充水系數按經驗值選取0.3，估算采空區積水量時工作面采高及充水系數選取數值偏高；二是采區內工作面下行開采，72314 采空區上區段72312、7219 早已回采完畢，上部81 采區工作面均已回采完畢，72314 工作面上區段頂板砂巖裂隙水已近疏干，72314 采空區補給水源不足，采空區積水未按照理論預計充滿；三是利用外段采空區動態水量及開采時長反算采空區積水量，72314 外段采空區動態水量1 m3/h，工作面外段積水區范圍開采時長36個月（2018年6月開始回采），估算72314 外段采空區靜態積水量25 920 m3，去除外段采空區剩余積水量3 330 m3、去除探放數量18 000 m3等于4 590 m3，誤差水量4 590 m3。

4 結論

（1）在查明探放水工程范圍內煤巖層賦存和構造發育情況的基礎上，開展了采用定向鉆進技術在巖巷遠距離集中探放老空水的成功實踐。-630 m 回風大巷探放水鉆孔最大涌水量100 m3/h，水量穩定約80 m3/h，出水效果較好，共探放水量約18 000 m3，從根本上避免了沿空探放水方式存在的風險，消除了許疃礦72314外段老空水對主采面72316 風巷掘進期間的水害威脅。

（2）單孔鉆探距離達到726 m，刷新了淮北礦業定向鉆探放老空水新紀錄，實現了72314 外段老空水精準探放，同時節省了探水巷巷道工程量（巖巷80 m，節約資金120 萬元），有效提高了掘進效率，緩解了礦井接替緊張的局面。復雜地質條件下定向長鉆孔遠距離精準探放老空水技術及應用成功實踐，為淮北礦區探放水工程安全、高效、順利開展提供了技術保障。

（3）由于72314 外段采空區第二處低洼點積水距離-630 m 回風大巷距離超過800 m，定向鉆進距離受限，為確保72314 老空區積水“疏干、放凈”，該處積水正在72314 風巷底板鉆場利用定向鉆進技術積極進行探放。