深井顶板水害定向钻孔及控域注浆关键技术

李军卫

摘要：由于煤层上覆充水含水层大面积分布，煤层开采过程中易引发大面积突水灾害。本文论述了深井顶板水害定向钻孔及控域注浆关键技术。

关键词：顶板水害；定向钻孔；控域注浆

近年来，因浅部资源日趋枯竭，井田向大埋深、高地应力、强富水区域发展，矿井水害呈现高频率、强危害特征。另外，煤层开采易引发工作面顶板大面积突水灾害，而注浆治理技术为有效的水害治理手段。

一、工程概况

某煤矿工作面回采过程中揭露断层组斜穿工作面，断层组与轨道顺槽和胶带顺槽相交，共揭示断层8处，断层性质均为正断层，断层倾角35°～75°，断层落差1.5～13m，整个断层组平均厚度约80m。工作面回采遭遇断层时并未出现大量涌水，工作面回采通过断层组时涌水量为75m3/h，回采工作面通过断层组560m时，工作面涌水量由130m3/h快速增加至900m3/h。

二、深长注浆钻孔设计

1、突水通道分析。工作面的水源主要来自顶板侏罗系砂岩水，当工作面采动时，上覆岩层扰动导致侏罗系砂岩水沿断裂构造进入工作面，水流冲刷作用进一步加大了导水通道裂隙，为侏罗系通过工作面顶板突水提供了有效通道。

2、注浆钻孔设计。针对断裂构造引起的突水通道，累计施工侏罗系砂岩水地面注浆钻孔4个，包括启封钻孔3C-4及3C-5、施工地面钻孔1及2钻孔。导水通道注浆截流定向钻孔采用前进式钻进工艺，控制注浆参数对导水通道进行有效堵截，保证后期定向钻孔及注浆设计要求。

1）注浆压力。注浆压力控制是注浆的关键，当注浆压力过大时，就会引起浆液扩散范围过大、浆液漏失浪费；当注浆注压力过小时，造成注浆扩散半径达不到设计要求，影响注浆堵水效果。因此，注浆压力应控制在边界条件允许的最大注浆压力内。根据经验公式：

式中： 为容许注浆压力，kPa；β为系数，在1-3之间； 为注浆段以上岩土层的密度，t/m3；T为地基覆盖层厚度，m；C与注浆次序有关，次序1孔C=1，次序2孔C=1.25，次序3孔C=1.5；与注浆方式有关，前进式注浆k=0.8，后退式注浆k=0.6；与地层性质有关，结构疏松且渗透性强的地层取0.5，结构紧密且渗透性弱的地层取1.0；h为注浆段深度，m。

2）扩散半径。根据刘嘉材公式：

式中：R为扩散半径，cm； 为注浆压力，kPa； 为地下水压力，kPa；t为注浆时间，s； 为裂缝宽度，cm； 为浆液黏度，mPa·S； 为注浆孔半径，cm。

3）停注标准。采用自上而下分段灌浆法时，在规定的注浆压力下，当注入率≤4L/min时，继续注浆10min；或注浆压力达到注浆终压6.5 MPa注浆结束。

三、定向钻孔设计

1、定向钻孔结构设计。由于顶板水定向钻孔钻进时可能发生高压大流量涌水，为封固孔口不稳定煤岩层和控制含水体水压水流，需要下入钢套管，保障钻进安全。尤其是当孔口地层复杂或含水层与承压水可能沟通时，需要下入多级套管。根据钻孔轨迹特点，顶板水定向钻孔可划分为套管段、定向造斜段和定向稳斜段三部分。

1）套管孔段：根据含水体水压大小及地层情况设计套管孔段长度，为保证后期定向钻进顺利进行，套管最小规格为Φ127mm；钻孔直径比套管直径至少应大6mm，当在钻孔成孔较容易时，钻孔直径适当增大。

2）定向造斜段：直径为Φ96mm，长度根据含水层垂深确定。

3）定向稳斜段：直径为Φ96mm，长度根据钻孔设计覆盖面积和钻进装备能力确定。

2 、浆液注入量计算公式：V=AHπR2n β

式中：V—注浆孔浆液计算注入量（m3 ）；

A—浆液消耗系数，一般A=1.2～1.5 ；

H—注浆段高（m ）；

R—浆液的有效扩散半径（m），一般按20m 计算；

β—充填系数，取0.9；

n—岩石裂隙率（%），一般根据取芯和抽压水试验来确定。

四、深长钻孔注浆关键技术

通过对该煤矿进行水文地质分析，结合地球物理探测对治理区进行全方位的探查，明确富水区域及相关的水力联系，利用定向控域注浆技术和井下可控引流注浆技术，有效调节各钻孔的流量分配，形成不同形态的定向流场，引导浆液在不同方向的运移、扩散，达到注浆精确控制技术，达到该煤矿工作面突水通道堵截目的。

五、注浆效果

针对工作面侏罗系含水层导水通道注浆治理，累计施工注浆钻孔4个。

表1

1、注浆作用下工作面涌水量变化规律。由涌水量随注浆进程变化关系可知，3C-4钻孔注浆对工作面涌水量控制作用较小，说明3C-4钻孔与突水导水通道水力连通性较差；1#钻孔及3C-5钻孔对工作面涌水控制作用较好，1#钻孔及3C-5钻孔与导水通道水力连通较好；1#及3C-5钻孔大规模注浆结束后，工作面涌水稳定了较长时间，说明导水通道封堵需保证一定注浆量。

2、注浆作用下水位變化规律。自注浆以来，3C-20钻孔水位出现小幅上升，上升规律与3C-4及1#钻孔注浆情况基本吻合，随着1#钻孔持续注浆，侏罗系含水层水位持续上升，其间3C-5钻孔同步开始注浆工作，至多个注浆段施工结束，含水层水位出现显著下降，结合工作面涌水量统计数据可知，含水层对工作面补给量回升，随后进行1#钻孔第5段注浆，3C-20水位有所回升进入相对稳定阶段，其水位在2#钻孔注浆期间出现回升。

3、探水雷达注浆效果评估。注浆治理前，侏罗系含水层及工作面呈现大量青色及深蓝色区域，代表低阻异常区，显示注浆治理前侏罗系含水层及断裂构造区域为高富水状态，注浆治理结束后，侏罗系含水层及工作面深蓝色区域大幅减少，多呈现黄色、橙色及少部分红色区域，此区域代表无水区域。探测数据显示，导水通道及集中出水点注浆治理工程取得了良好的效果。

六、结语

总之，顶板突水注浆治理根据不同的采矿地质条件，研究采动过程中上覆岩层导水通道分布特征，采用注浆技术对导水通道注浆封堵，阻断上覆含水层地下水径流补给，从而减少采动过程中涌水量。

参考文献

[1]李伟民.矿井水害的预防和处理[J].中国矿业大学学报，2014（11）.

[2]陈殿赋.厚煤层顶板定向钻孔技术研究与应用[J].煤矿安全，2015（04）.

[3]范建国.深井顶板水害定向钻孔及控域注浆关键技术[J].煤矿安全，2015（10）.

（作者单位：冀中能源峰峰集团新三矿）