准格尔矿区井下水害区域超前探查防治技术

刘明军，王 钢，崔岩波

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077； 2.鄂尔多斯市国源矿业开发有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

随着我国煤矿开采逐步向深部发展，煤层开采受水害威胁日趋突出，尤其是煤层底板水害已严重制约煤炭安全高效持续发展[1-3]。准格尔煤田6号煤层全区可采较稳定，是目前主要开采煤层，煤田的中西部绝大部分位于奥灰含水层静水位以下，属带压开采[4]。奥灰含水层具有富水性强、补给水源充足稳定、煤层底板隔水层厚度薄等特点，采动影响对底板破坏深度较大。虽然6号煤层底板突水系数小于临界突水系数，突水的可能性比较小，但通过断层、陷落柱以及底板扰动裂隙等形成垂向导水通道，导通奥陶系岩溶含水层，局部存在发生突水的可能。据调查发现在建井或采煤过程中，区域内曾先后发生过酸刺沟、黄玉川、龙王沟、唐家会矿井出水甚至淹井事故，奥灰水害已成为制约准格尔煤田矿井安全生产的重大隐患。

目前煤矿井下奥灰水害探查多采用物探方法进行，但物探解释结果的多解性、探查距离短等不足，影响工作面开采。利用定向水平钻孔进行区域底板探查注浆改造应用广泛，例如焦作、韩城、邢台、两淮、皖北等矿区，普遍通过探查改造煤层底板薄层灰岩实现带压开采[5-7]。不论是地面水平钻孔还是井下近水平钻孔，由于受装备能力与技术水平的限制，水平段在目的层中延伸距离大部分在600～700m[8-10]，不能满足工作面推进长度的煤层底板探查与治理的需要。目前普遍采取多做钻场来弥补水平段长度不够的缺陷，增加了施工工期、成本，影响工作面的接续。准格尔煤田煤层与奥灰之间薄层灰岩缺失，为了充分利用煤层底板至承压含水层间隔来阻隔承压水，实现带压安全开采，笔者根据准格尔煤田区域地质特征、矿井水害特征、采煤方法，采用井下超长定向钻孔工艺技术，以龙王沟煤矿6号煤层61605工作面水害防治为例，对煤层顶板砂岩水进行预疏放；对煤层底板岩溶陷落柱、断层及裂隙带进行探查与封堵，切断垂向导水通道，对该区域煤矿开采具有重要现实意义。

1 矿井水害特征

龙王沟煤矿位于准格尔煤田中西部，地层沉积序列与华北石炭二叠纪各煤田基本相似[11，12]，主采石炭二叠系煤层。受奥灰水和顶板砂岩水双重威胁，水文地质条件复杂。6号煤层顶板充水水源有山西组砂岩含水层和上、下石盒子组砂岩含水层。山西组砂岩含水层厚度约20.57m，分3层，与含煤地层互层，下层距6号煤顶板约5.6m，顶层距6号煤顶板约27.1m；下石盒子组砂岩含水层厚度约61.6m，距6号煤顶板43.6m；上石盒子组砂岩含水层厚度约89.4m，距6号煤顶板163.1m。6号煤层底板以下赋存太原组砂岩含水层和奥陶系灰岩含水层。太原组砂岩含水层厚度约28.9m，距6号煤底板约9.7m；奥灰含水层厚度超235m，距6号煤底板约44.3m，煤层与各含、隔水层位置关系如图1所示。

图1 煤层与各含、隔水层位置关系

开采标高为1100～575m，奥陶纪灰岩水水位实测标高867.93～871.02m，主采煤层6号煤层可采范围底板标高826～856m，处于奥灰水水位以下约14～35m，属承压采掘，水头压力0.14～0.5MPa。

2 煤层底板区域超前探查治理关键技术

龙王沟煤矿6号煤层底板奥灰岩岩溶发育，具有陷落柱集中发育的基本条件，奥灰水与黄河具有较强水力联系，奥灰水疏降不可行。防治水对策以岩溶陷落柱及导水构造的探查为重点，采取底板隔水层探查与注浆封堵相结合，实现煤层安全开采。

2.1 超长钻孔超前探查治理原理

在采掘活动中遇煤层下方隐伏陷落柱或裂隙带，在承压水和采动应力作用下，诱发工作面底板断层活化导水或煤层下方隐伏陷落柱沟通，承压水突破有限隔水带形成集中过水通道，导致奥灰水从煤层底板突出的可能性。

准确探查陷落柱或裂隙带发育情况成为解决6号煤层受底板奥灰水威胁的关键，探查的方法有物探、钻探、化探等方法，相比钻探方法是最直接的手段。利用超长钻孔超前探查主要目的是探查封堵导水通道或水源，如图2所示。定向孔在目的层延伸，利用低密度高压浆液连续注浆，使浆液在受注层中渗透、扩散、充填，经过一定时间后凝固和硬化，从而达到加固受注层和抗渗防水的目的。

图2 超长钻孔探查与治理

2.2 目标层位优选原则

利用超长定向钻孔进行水害超前探查，合理选择钻孔延伸层位至关重要。根据探查区域、钻场、目标层的空间层位关系，设计合理的钻孔结构及钻孔轨迹，选择合理的目标地层及钻孔参数，以达到钻孔精确控制，为实现超长钻孔创造条件。

考虑钻进效率以及煤层底板的下三带分布情况，目标层选择原则：①目标层本身需要有一定的厚度；②地层稳定，不易塌孔、缩径；③普氏硬度系数f<6的岩层；④轨道设计在完整岩层带。

2.3 超长钻孔轨迹精确控制技术

随着采煤工作面走向长度不断增加，利用超长钻孔进行区域超前探查势在必行[13，14]，超长钻孔轨迹精确控制采用“滑动纠偏+复合稳斜”的方法。

影响超长钻孔轨迹主要有钻具组合的结构、地层特征、钻进参数、钻孔几何形状等因素，主要根据已钻钻孔的实际地质情况、几何形态，原则上每3m对钻孔进行一次参数测定，预测调整钻进方向，力求钻孔按照设计轨道和要求钻进。钻孔造斜段，采用滑动定向钻进，通过调整倾角、方位角，对钻孔轨迹实时监控，顺利进入目的层；钻孔稳斜段，由于随钻孔深度增加，钻具摩阻不断增大，滑动钻进给进压力增大呈指数上升趋势[15]。通过复合钻进倾角控制可有效减少滑动定向钻进进尺比例，从而起到降低钻进阻力、提高钻孔深度和钻进效率的作用。

2.4 超长钻孔注浆工艺技术

超长钻孔注浆采用前进式分段注浆工艺，以钻孔施工和注浆交替进行，当达到启动注浆条件时，提钻注浆直至达到注浆结束标准，侯凝后扫孔继续钻进，如此反复，直至设计深度。

进入目的层段，根据钻孔涌水量大小、吸水率高低、进尺情况，启动注浆作业。注浆遵循“先稀后浓”注浆原则，采用单液水泥浆，比重维持在1.2～1.5g/cm3，每次注浆如实测定并记录每罐浆液的比重、泵量、泵压、孔口压力等参数，及时汇总注浆量、注浆前后压水试验情况，分析注浆效果，为下一步施工提供依据。钻孔注浆终压为4MPa，注浆泵泵量为不超过50L/min，维持30min后，结束该段注浆。只要未达到全孔注浆结束标准，每次注浆前后均须压水，若压不进水，则下钻具进行透、扫钻孔至孔底，以便下次再注。每次注浆结束后，均要向孔内压水，压水量为管路与孔内体积之和的两倍，要对压水试验及注浆过程进行详细记录。

3 水害区域超前治理工程及效果

利用超长定向长钻孔技术，对龙王沟煤矿61605工作面煤层底板进行探查治理，确保61605工作面的安全回采，促进安全与生产相衔接。

3.1 工作面概况

龙王沟煤矿61605工作面，位于井田第一挠曲带东侧，YC7号物探异常区以西，切眼设计长度255m，推采长度约1160m，开采面积约0.18km2，工作面可采储量546.8万t，采用综采放顶煤一次采全高工艺。所采煤层为6号煤层，煤层埋深370m，长焰煤，煤层厚度20.80～24.95m，均厚23.10m，煤层倾角5°，采高23.1m，采动影响对底板破坏深度较大，采用综采放顶煤一次采全高工艺。工作面地面标高1173.1～1290.9m，煤层底板标高826～856m，处于奥灰水水位以下14～50m，工作面底板距奥灰顶界面44.3m(观8孔参数)。

3.2 底板破坏深度

煤层底板岩层在采动影响下也会出现一定程度的破碎、裂隙发育，在断层、陷落柱及岩体松软破碎等岩层抗压薄弱区域受采动影响，存在奥灰水突水的可能，威胁煤矿生产安全，严重时甚至可能造成淹井等重大事故[16]。

工作面采动对底板破坏深度受底板岩性、采深、工作面长度、开采厚度、地层倾角等地质影响。根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中经验公式(1)计算61605工作面范围内底板破坏深度。

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

(1)

式中，h为底板破坏深度，m；L为开采工作面斜长，m；H为开采深度，m；a为开采煤层倾角，(°)。

6号煤层在开采过程中会产生底板破坏带沟通煤层底板的太原组砂岩裂隙含水层，可能会对底板的奥灰水含水层产生影响。根据经验公式(1)计算得61605工作面底板破坏深度为27.03m，实测底板破坏深度为15m，底板扰动带深度为25m。

3.3 超长定向长钻孔设计

3.3.1 钻孔平面布设

定向长钻孔孔间距主要依据浆液扩算半径确定，浆液的扩散半径随岩石的渗透系数、注浆压力、注入时间的增加而增大，随浆液的浓度和黏度的增加而减少。据矿井现场经验，岩石浆液平均扩散半径为20 ～25m。

在61605工作面主运巷和辅运巷各布置一个钻场(1D钻场、31D钻场)，1D钻场布置3个底板定向孔(1D-1、1D-2、1D-3)和1个顶板定向孔(1F-4)；31D钻场布置2个底板定向孔(31D-1、31D-2)和1个顶板定向孔(31F-3)，两个钻场共7个钻孔，如图3所示。探查孔平行工作面巷道方向布置，31D-2距辅运巷47m；1D-1孔距主运巷47m；孔间距40m。顶板孔探查层位布置在山西组砂岩中，1F-4孔水平段距6号煤层顶板约27m；31F-3孔水平段距6号煤层顶板约6m，两孔间距95m，都平行工作面巷道方向布置。

图3 61605工作面顶底板定向钻孔轨迹

钻探工程目的在于探查61605工作面顶板、底板的富水性，底板隔水岩层导水构造发育情况，并对富水异常区、构造复杂区域进行注浆改造，对顶板富水异常区砂岩水疏放，保障龙王沟煤矿61605工作面的顺利、安全回采。

3.3.2 目标地层优选

6号煤层直接底多为灰黑色泥岩、砂质泥岩，质软，风化易碎，层厚5.37～11.54m，平均厚度7.4m，分布连续，普氏硬度系数f<2；基本底为砂质泥岩，层厚6.43～18.72m，灰白色，巨厚层状，粗粒砂状结构，以长石石英为主，分选差，磨圆差，棱角状，孔隙式泥质胶结，半坚硬，参差状断口，块状，普氏硬度f=1～3；基本底下伏地层砂泥岩互层，层厚9.87～16.43m，处于理论底板破坏深度以下，层位稳定，符合目标层原则，探查孔沿铝土质泥岩顶部的砂泥岩互层延伸，距巷道底板约37m，平行工作面巷道方向布置；奥灰含水层上覆岩层为铝土泥岩与砂岩互层，层厚稳定约4.37～11.84m，隔水性能良好。

3.3.3 钻孔结构优化

根据矿井水文地质特点，底板钻孔孔身结构采用三级类型：一级孔身结构主要目的为下入孔口管，安装控水阀门；二级孔身结构主要是穿过泥岩、煤层等不稳定地层；三级孔身结构为定向造斜段和定向稳斜段，目的是通过钻孔弯曲使钻孔沿着设定轨迹到达靶区。钻孔孔身结构见表1。

表1 钻孔孔身结构

3.4 超长定向长钻孔施工

工作面两巷及工作面中部位于应力集中区、受剪切应力，易发生底鼓出水。因此，本钻探工程目的在于探查61605工作面底板隔水岩层导水构造发育情况，并对富水异常区、构造复杂区域进行注浆改造，保障61605工作面的顺利、安全回采。

选用大功率ZDY12000LD钻机、BLY460泵车，配套∅89mm钻具，采用YHD3-1500泥浆脉冲测量系统，进行复合定向钻孔施工。以1D-1钻孔施工为例，一开钻进12m，扩孔11m，下∅219mm套管10m，注水泥0.75t，侯凝72h。扫孔结束后做耐压试验，耐压6MPa，稳压时长30min，钻孔周围无渗漏。二开钻进78m，扩孔78m，下∅146mm套管75m，注水泥2.5t，侯凝72h，扫孔结束后做耐压试验，耐压6MPa，稳压时长30min，钻孔周围无渗漏。三开钻进至642m时，钻孔开始出水，出水量约1.7m3/h；钻进至987m时，钻孔出水量加大约8.1m3/h；1227m终孔出水量约10.8m3/h。钻遇裂隙为主，钻探结果分析以裂隙渗水为主，累计注水泥量49.31t。

3.5 应用效果

以往准格尔地区各煤矿施工顶底板定向钻孔，由于设备及工艺局限性，钻孔深度一般不超过800m。龙王沟61605工作面共布设2个钻场，5个底板孔，2个顶板孔，采用复合钻进工艺，单孔深度均超过1100m，其中主运巷绕道1#钻场1D-1钻孔为下斜钻孔，顺利穿越多个层位，最大垂距37m，终孔1227m，随着孔深的增加出水量逐渐增大，终孔出水量10.8m3/h。5个底板孔总注水泥量460.42t，其中施工31D-1孔在618m处遇见裂隙，注浆量为70.18t，2个顶板孔最大出水量1.5m3/h，靠近物探异常区主运巷出水量较大，底板孔注浆量详见表2。根据注浆效果得出61605工作面底板局部裂隙发育，揭示并注浆改造局部裂隙发育异常区，保障工作面安全回采，目前已安全回采。

表2 底板孔注浆量

4 结 论

1)针对准格尔煤田水害特征、特厚煤层、大采高、工作面长情况，提出了利用井下超长定向水平孔技术，以底板隔水层探查与注浆改造相结合，最终实现工作面安全带压开采。

2)选用大功率钻机，采用YHD3-1500泥浆脉冲随钻测量装置进行复合定向岩层钻孔施工，钻孔孔深普遍大于1100m，最大孔深达1227m，达到超前探查目的。

3)煤层底板超长定向长钻孔探查注浆层位选择6号煤层底板以下30～40m范围内，铝土质泥岩上部的砂泥岩互层，施工顺利，层位选择合理可行。

4)龙王沟煤矿灰岩含水层，岩石裂隙发育不均，富水性强弱不一，61605工作面靠近物探异常区主运巷出水量较大，底板探查孔涌水及注浆量表明，局部裂隙发育，未发现大的导水通道及强富水区。