張雷磊，李 陽(yáng)

(國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司羊場(chǎng)灣煤礦，寧夏 靈武 750409)

0 引言

煤礦水害是與瓦斯、火災(zāi)等并列的礦山建設(shè)與生產(chǎn)過(guò)程中的主要安全災(zāi)害之一。長(zhǎng)期以來(lái)，煤礦水害帶來(lái)的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失極為慘重[1]。近年來(lái)，老窯透水成為礦井突水的顯著特點(diǎn)之一，由于歷史原因，在我國(guó)不少煤礦周邊都存在著老窯，這些老窯大多數(shù)都位置不詳，圖紙資料不全，儲(chǔ)存有大量積水，猶如一座座地下水庫(kù)，充水的特點(diǎn)是來(lái)勢(shì)猛、時(shí)間短、破壞性大。其下部和相鄰的礦井一旦揭露和接近常會(huì)造成突水，輕則增大礦井涌水量，重則淹井，造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)已知危及煤礦安全開(kāi)采的老窯水處置方法通常是采用鉆探疏放水，但是傳統(tǒng)鉆探技術(shù)施工的探放水鉆孔淺，鉆孔軌跡控制難，經(jīng)常偏離設(shè)計(jì)層位，達(dá)不到有效探查疏放的目的[2]。近年來(lái)，定向鉆進(jìn)技術(shù)快速發(fā)展，其具有鉆孔軌跡可控、鉆孔精度高、目標(biāo)層位鉆遇率高等優(yōu)點(diǎn)[3]，被廣泛應(yīng)用于老窯水治理中，具有明顯的優(yōu)勢(shì)和良好的應(yīng)用前景[4]，符合目前煤炭企業(yè)降本增效、安全高效的理念與發(fā)展思路。

羊場(chǎng)灣煤礦Ⅱ020613工作面為6煤層第一個(gè)工作面，上臨磁窯堡擴(kuò)建井采空區(qū)，采空區(qū)總積水量達(dá)72.2萬(wàn)m3，水頭高度達(dá)2.749 MPa，嚴(yán)重威脅Ⅱ020613工作面的安全生產(chǎn)。為消除磁窯堡擴(kuò)建井采空區(qū)積水隱患，提出在緩坡斜井合適的位置引進(jìn)長(zhǎng)距離定向鉆探技術(shù)進(jìn)行探查疏放，以期取得良好效果。

1 工程背景

1.1 礦井概況

羊場(chǎng)灣煤礦為寧東第一座大型千萬(wàn)噸現(xiàn)代化礦井，礦井由1號(hào)井和2號(hào)井組成，Ⅱ020613工作面上臨磁窯堡擴(kuò)建井，根據(jù)前期對(duì)老窯采空區(qū)的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，磁窯堡擴(kuò)建井老窯生產(chǎn)時(shí)所留礦界煤柱不符合要求，已回采了靠近其一側(cè)的邊界煤柱。為確保安全生產(chǎn)，必須提前做好Ⅱ020613工作面對(duì)磁窯堡擴(kuò)建井采空區(qū)積水的探查工作。

1.2 工作面充水水源

地表水：西天河從工作面東側(cè)穿過(guò)，主要影響Ⅱ020613工作面，影響范圍約2 100 m。在《磁窯堡技改井初步設(shè)計(jì)》中經(jīng)過(guò)論證，認(rèn)定為工作面在西天河下開(kāi)采是安全的，2煤Y152、Y212、Y232工作面的回采也證實(shí)了上述論證；6煤埋深大于300 m，一般情況下導(dǎo)水裂縫帶難以直接發(fā)育到地表，大氣降水難以產(chǎn)生直接影響。

頂板水：Ⅱ020613工作面開(kāi)采6煤，它與頂板2煤之間的距離約為62 m，煤層間存在薄層砂巖含水層，直接充水水源為延安組2～6煤間砂巖含水層水。根據(jù)5126、5228#鉆孔資料，6煤頂板巖性為泥巖、粉砂、細(xì)砂互層為主，偶有薄層中、粗粒砂巖，砂巖成分以石英、長(zhǎng)石為主，硅質(zhì)膠結(jié)，堅(jiān)硬，含泥質(zhì)包體，因此判斷該含水層富水性弱，可疏放性不強(qiáng)。

老窯水：據(jù)礦井地質(zhì)調(diào)查資料，Ⅱ020613工作面主要受磁窯堡擴(kuò)建井老窯水的影響。本礦自身開(kāi)采后形成的采空區(qū)范圍清晰，積水可通過(guò)聯(lián)絡(luò)巷排出，預(yù)計(jì)無(wú)積水。磁窯堡擴(kuò)建井南翼2煤、6煤老窯水(主要是6煤C256工作面和2煤C272工作面)與羊場(chǎng)灣2號(hào)井相鄰，位于Ⅱ020613工作面西北側(cè)。磁窯堡擴(kuò)建井現(xiàn)已關(guān)閉，當(dāng)時(shí)生產(chǎn)時(shí)其2、6煤各工作面涌水量約20～30 m3/h。

2 工程實(shí)踐及效果評(píng)價(jià)

2.1 老窯水積水量和水壓

根據(jù)現(xiàn)有資料分析，主要威脅羊場(chǎng)灣煤礦2號(hào)井的積水區(qū)分為7塊，見(jiàn)表1，利用式(1)可估算出各采空區(qū)積水水量。

表1 磁窯堡擴(kuò)建井采空區(qū)分區(qū)

Q采=K·M·F/cosα

(1)

式中，Q采—老空積水量，m3；K—老窯區(qū)或巷道的充水系數(shù)，采空區(qū)一般取0.25～0.5，巷道充水系數(shù)一般煤巷取0.5～0.8，巖巷取0.8～1.0；M—采空區(qū)的平均采高或者煤厚，m；F—采空積水區(qū)的水平投影面積，m2；α—煤層傾角，°。采空區(qū)積水水量估算結(jié)果見(jiàn)表2，初步預(yù)計(jì)，磁窯堡擴(kuò)建井老窯積水總積水量為72.2萬(wàn)m3。對(duì)Ⅱ020613工作面有直接威脅的為1#和5#積水區(qū)，其積水量約24.0萬(wàn)m3。

表2 磁窯堡擴(kuò)建井老窯區(qū)積水量計(jì)算表

2.2 工程實(shí)施

準(zhǔn)備措施：①鉆孔位置。根據(jù)對(duì)老窯采空區(qū)的地質(zhì)調(diào)查和計(jì)算結(jié)果，預(yù)計(jì)該老窯范圍內(nèi)積水量達(dá)72.2萬(wàn)m3，水頭高度達(dá)2.749 MPa。依據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》的相關(guān)規(guī)定，煤層內(nèi)，原則上禁止在水壓高于1 MPa的地點(diǎn)探放水。因Ⅱ020601工作面順槽為沿煤層頂板施工煤巷，所以需將探查鉆孔布置在其它完整圍巖的井巷；②地質(zhì)探查。根據(jù)礦井生產(chǎn)地質(zhì)資料，選擇在緩坡斜井合適的位置引進(jìn)長(zhǎng)距離定向鉆探技術(shù)，利用定向鉆孔軌跡可控、定位精確的優(yōu)點(diǎn)，確保鉆孔能夠準(zhǔn)確施工至預(yù)定靶點(diǎn)。探查磁窯堡擴(kuò)建井采掘范圍和采空區(qū)水文地質(zhì)資料，并利用緩坡斜井長(zhǎng)距離定向疏水降壓至Ⅱ020613回風(fēng)順槽鉆場(chǎng)處水頭壓力不大于1 MPa時(shí)，再在回風(fēng)順槽超前探查磁窯堡擴(kuò)建井防隔水煤巖柱的安全措施；③設(shè)備參數(shù)。本次施工鉆機(jī)選用西安煤科院生產(chǎn)的ZDY6000LD鉆機(jī)，其具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 施工設(shè)備表

施工過(guò)程：2019年5月份，在緩坡斜井探放水硐室開(kāi)始施工2個(gè)長(zhǎng)距離定向鉆探鉆孔，開(kāi)孔采用φ96 mm鉆頭鉆進(jìn)至18 m，更換為φ165 mm鉆頭擴(kuò)孔至16 m，下入φ127 mm封孔管16 m，利用水泥漿液進(jìn)行封孔。封孔先采用外環(huán)孔進(jìn)行注漿，注漿后凝固8～10 h結(jié)束后進(jìn)行內(nèi)環(huán)空注漿，注漿壓力≥3 MPa，注漿后凝固36 h。凝固結(jié)束后后進(jìn)行打壓試驗(yàn)，壓力4 MPa，持續(xù)30 min，確保封孔質(zhì)量。本次共設(shè)計(jì)2個(gè)疏放水孔，總進(jìn)尺504 m，見(jiàn)表4。鉆孔開(kāi)孔層位為2煤頂板粉砂巖，開(kāi)孔后依次鉆遇粉砂巖、細(xì)沙巖、3煤、粉砂巖、細(xì)沙巖、4煤、粉砂巖、細(xì)沙巖、5煤、粉砂巖、細(xì)沙巖，終孔點(diǎn)為6煤C256采空區(qū)上部冒落帶。

表4 長(zhǎng)距離定向鉆孔施工技術(shù)參數(shù)

鉆孔效果：該鉆孔終孔位置位于磁窯堡擴(kuò)建井采空區(qū)冒落帶，可以準(zhǔn)確探查到磁窯堡擴(kuò)建井采掘位置，在實(shí)現(xiàn)了對(duì)采空區(qū)積水水量和水壓的探查情況下，有效避免了鉆孔堵塞現(xiàn)象。既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁窯堡擴(kuò)建井采空區(qū)積水進(jìn)行疏水降壓，為Ⅱ020613回風(fēng)順槽超前探查磁窯堡擴(kuò)建井采掘活動(dòng)提供安全技術(shù)參數(shù)，也可以作為磁窯堡擴(kuò)建井采空區(qū)水文動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)鉆孔長(zhǎng)期使用。

圖1 緩坡斜井長(zhǎng)距離定向鉆孔施工平面

2.3 探放水效果評(píng)價(jià)

Ⅱ020613工作面從2019年5月中旬起正式開(kāi)始施工疏放鉆孔，于2019年5月中下旬施工完畢，當(dāng)時(shí)鉆孔最大涌水量達(dá)182 m3/h，之后鉆孔涌水量呈逐漸衰減的趨勢(shì)，于10月1日緩坡斜井鉆孔涌水衰減完成。同時(shí)，緩坡斜井疏放水鉆孔水壓由最初的1MPa呈現(xiàn)出逐漸衰減的趨勢(shì)，到8月22日降到0，如圖2所示。截至10月初，通過(guò)長(zhǎng)距離定向鉆孔的疏放總量達(dá)21.15萬(wàn)m3，有效達(dá)到了“疏水降壓”的目的。

圖2 緩坡斜井疏放磁窯堡采空區(qū)疏放鉆孔水量/水壓隨時(shí)間變化

3 結(jié)論

(1)羊場(chǎng)灣煤礦Ⅱ020613工作面實(shí)施的2個(gè)定向探查鉆孔，疏放總量達(dá)21.15萬(wàn)m3，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)上臨磁窯堡擴(kuò)建井采空區(qū)“疏水降壓”的目標(biāo)，為后期Ⅱ020613回風(fēng)順槽超前探查磁窯堡擴(kuò)建井采掘活動(dòng)提供安全技術(shù)參數(shù)，確保礦井安全生產(chǎn)工作。

(2)施工的2個(gè)長(zhǎng)距離定向鉆探鉆孔終孔位置位于磁窯堡擴(kuò)建井采空區(qū)冒落帶，可有效避免鉆孔堵塞現(xiàn)象，也可以作為對(duì)磁窯堡擴(kuò)建井采空區(qū)水文動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)鉆孔長(zhǎng)期使用。

(3)井下長(zhǎng)距離定向鉆進(jìn)技術(shù)運(yùn)用在煤礦采空區(qū)疏放水工程中，其探查距離遠(yuǎn)、目標(biāo)層鉆遇率高，縮短了工作面的準(zhǔn)備周期，為煤礦安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。