陳超

煤礦水害防治中定向鉆探注漿技術(shù)的應(yīng)用

陳超

（淮北楊柳煤業(yè)有限公司，安徽 淮北 235119）

中國地質(zhì)構(gòu)造多樣且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隨著煤礦行業(yè)的深入開發(fā)，礦井水害問題尤為突出，定向鉆探注漿技術(shù)結(jié)合了注漿與定向鉆進(jìn)兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。將結(jié)合煤礦水害防治必要性及定向鉆探注漿技術(shù)特點(diǎn)，討論其在奧灰水層注漿、底板頂板水害治理等方面的具體應(yīng)用，為進(jìn)一步改善煤礦水害的問題提供參考。

煤礦水害；定向鉆探；注漿技術(shù)；技術(shù)應(yīng)用

近幾年，煤礦生產(chǎn)安全問題得到重視，礦難發(fā)生率與死亡率也在下降。眾所周知，煤礦開采需要在井下進(jìn)行，地下環(huán)境及地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安全隱患較大，其中水害事故排名重大事故的前三名，常見水害有大氣降水水害、地下水源水害、老空水源水害等，其中部分水害還具有隱蔽性，防控難度大。

1 煤礦水害防治必要性

中國自然資源現(xiàn)狀為少油多煤，全國煤炭?jī)?chǔ)量可達(dá)全球煤炭?jī)?chǔ)量的11.7%，因此煤炭行業(yè)發(fā)展比較快。但是隨著開采深度加大，安全風(fēng)險(xiǎn)也在增強(qiáng)，尤其是很多煤層的水文地質(zhì)條件及工程條件相對(duì)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)多樣，所以容易引發(fā)水害事故。

“十二五”期間，中國各地共發(fā)生煤礦水害事故121起，死亡人數(shù)達(dá)546人，其中較嚴(yán)重水害事故50起，占全國重大事故數(shù)量的17.5%。水害事故一旦發(fā)生，不僅會(huì)使煤礦企業(yè)蒙受巨大經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還嚴(yán)重威脅著開采人員的生命安全。例如，很多礦井開采深度、規(guī)模較大，作業(yè)時(shí)會(huì)對(duì)地質(zhì)頂板、底板的含水層結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞，進(jìn)而引發(fā)水害事故?！睹旱V防治水細(xì)則》中的第五章提到，在煤礦開采時(shí)，需要做好防治水工作，采用注漿技術(shù)改造煤層強(qiáng)度，并做好區(qū)域治理，實(shí)現(xiàn)井下注漿加固、注漿封堵突水點(diǎn)、注漿井筒堵水，同時(shí)文件還對(duì)技術(shù)使用及技術(shù)管理作出說明。因此，為了提高煤礦作業(yè)的安全性，促進(jìn)行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，必須采取水害防治措施[1]。

2 定向鉆探注漿技術(shù)的特點(diǎn)

以往煤礦單位在開展井下作業(yè)時(shí)，多采取三維地震勘探、地質(zhì)雷達(dá)、地質(zhì)電法等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘測(cè)，從反饋數(shù)據(jù)來分析井下地質(zhì)是否存在斷層、褶曲、陷落柱等問題。但是此類技術(shù)在勘測(cè)大斷層地質(zhì)時(shí)結(jié)果精準(zhǔn)度不高。例如，鉆孔深度不夠，所以不能掌握鉆孔實(shí)際的探測(cè)軌跡，無法實(shí)現(xiàn)巷道超前勘測(cè)，井下掘進(jìn)時(shí)的安全性得不到保障，容易出現(xiàn)煤礦或瓦斯沖突問題以及滲水事故。而定向鉆探技術(shù)的鉆孔深度較大，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的鉆孔軌跡控制，提高井下作業(yè)的安全性，優(yōu)化勘測(cè)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度。該技術(shù)最早起源于19世紀(jì)后期的美國，中國于20世紀(jì)50年代引進(jìn)，有效提高了地下煤礦施工的空間位置布局效果。而注漿技術(shù)最早發(fā)明于1802年，貝魯尼為了提高地質(zhì)層的物理穩(wěn)定性，嘗試在地質(zhì)層中注入石膏及黏土，經(jīng)過近200年的改進(jìn)與研究，最終注漿技術(shù)在加固巖土、防滲堵水等方面發(fā)揮出了良好作用。定向鉆探技術(shù)能夠讓井身沿著預(yù)先設(shè)定的方向及軌跡達(dá)到目的層，也被稱為斜向鉆井技術(shù)。注漿技術(shù)則是將制備好的泥漿填充到巖土層中，通過擠壓、充填的方式改變煤層物理力學(xué)。泥漿與化學(xué)漿通過定向鉆探管道擠壓緊煤礦井下的巖層縫隙中，經(jīng)過擴(kuò)散與凝固，最終完成硬化，提高了巖層的硬度與強(qiáng)度，使得巖層具有良好的密實(shí)性與不透水性。將定向鉆探技術(shù)與井下注漿結(jié)技術(shù)結(jié)合起來能夠幫助封堵井下滲水點(diǎn)，恢復(fù)被淹礦井，降低礦井有水量，加固煤礦層底板，避免突水問題的出現(xiàn)[2]。

3 定向鉆探注漿技術(shù)在煤礦水害防治中的應(yīng)用

3.1 多分支鉆探注漿

多分支鉆探注漿技術(shù)的原理結(jié)合了地面注漿技術(shù)與隨鉆導(dǎo)向測(cè)量技術(shù)，通過定向鉆孔來確定地下水害位置，實(shí)現(xiàn)超前注漿，減少地下水害風(fēng)險(xiǎn)。施工鉆孔地面包含指控段、造斜段、順層分支空段等。本文以三灰?guī)r層為例，在治理時(shí)，首先要順層鉆探三灰?guī)r層，利用區(qū)域性超前定向鉆探技術(shù)來勘察灰層底板構(gòu)造，觀察是否存在溶洞縫隙以及隱伏構(gòu)造。然后使用高壓注漿，封堵縫隙。在使用多分支鉆探注漿技術(shù)時(shí)，應(yīng)分段施工、探注結(jié)合。在整個(gè)煤層底板出構(gòu)建完整的“水泥止水塞”，隔絕三灰層以及地下含水層的水源，表面底板高壓灰?guī)r出現(xiàn)突水災(zāi)害。多分支鉆探技術(shù)能夠在煤層地表的多分支近水平層進(jìn)行水層鉆孔，使其形成順層鉆孔群，最終呈現(xiàn)為“網(wǎng)狀分布”。鉆孔距離應(yīng)保持在50～90 m，這樣有利于后期對(duì)含水層的含水空間、壓漿通道、導(dǎo)水通道進(jìn)行注漿封堵，從而徹底斷絕突水問題。隔絕三灰及奧陶系灰?guī)r水層突入工作區(qū)，提高地下作業(yè)安全性。需要注意的是，順層多分支鉆探注漿技術(shù)使用起來比較復(fù)雜，需要前期設(shè)計(jì)好施工圖紙，確保施工流程的精準(zhǔn)性，例如鉆探設(shè)計(jì)、鉆孔導(dǎo)向、注漿系統(tǒng)、判層都要標(biāo)注清楚，以確保注漿工藝的順利使用。

3.2 不同地質(zhì)勘探

定向鉆進(jìn)技術(shù)更加適用于巖層以及穩(wěn)定性強(qiáng)的煤層，該技術(shù)使用的機(jī)械設(shè)備為強(qiáng)度較高的中心通纜鉆桿以及孔底螺桿馬達(dá)。使用時(shí)采取彎外管孔底螺旋馬達(dá)、高壓水灰?guī)?dòng)鉆孔底部馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)力促使馬達(dá)回旋，檢測(cè)器向地面?zhèn)鬏斻@探信息及鉆探軌道，然后隨鉆測(cè)量技術(shù)會(huì)將鉆探軌跡數(shù)據(jù)傳達(dá)到鉆頭底部，螺桿馬達(dá)對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)鉆頭角度及方位，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)鉆探。該技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)就是能人為控制鉆頭走向，因此對(duì)多種巖層及地下結(jié)構(gòu)都有良好的適用性。例如，勘探礦井采空區(qū)時(shí)，施工人員只需要找準(zhǔn)定向打鉆目標(biāo)，然后保證打孔間隔在20 m左右，使用定向鉆進(jìn)技術(shù)開始下鉆，如果在鉆探過程中未能發(fā)現(xiàn)速度突然加快然后卡鉆或地下水返水等情況，就可以判斷該區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)，并利用隨鉆系統(tǒng)確定該區(qū)域的坐標(biāo)，做好采空區(qū)標(biāo)記，為礦井施工提供安全保障。除此之外，定向鉆進(jìn)技術(shù)還可以使用于陷落柱的勘探，首先在勘探區(qū)做好打鉆目標(biāo)，然后下鉆，如果過程中出現(xiàn)速度減慢、鉆進(jìn)卡鉆、鉆頭處出現(xiàn)較大巖粒，就可以確定該位置為陷落柱，并用隨鉆系統(tǒng)確定坐標(biāo)。一般在開掘地質(zhì)較為松軟的巷道時(shí)，掘進(jìn)過程需要依靠超前鉆探來確定煤層情況，這時(shí)在煤層底板或頂板處使用定向打鉆技術(shù)，就可以探測(cè)處煤點(diǎn)位置，然后技術(shù)人員以此繪制煤點(diǎn)分布圖，確定斷層位置，設(shè)計(jì)出后期掘進(jìn)軌跡。

3.3 奧灰水層注漿

對(duì)奧灰水層注漿時(shí)，往往使用的注漿技術(shù)為“升壓滲透”法，壓力作用下，漿液隨之?dāng)U散，等到漿液完全將礦井煤層中的縫隙填滿后，壓力仍在加大，這時(shí)，地下水就會(huì)被注入的漿液所代替，并形成注漿區(qū)域地下水區(qū)兩部分。奧灰水層注漿時(shí)，應(yīng)選用水泥與粉煤灰混合作為注漿材料。首先，在地面搭建一個(gè)注漿站，然后用水力射流工藝將水泥與粉煤灰均勻混合，水灰比應(yīng)在1.3∶1～3∶1之間。如果采用定向鉆探技術(shù)后勘測(cè)到煤層存在大裂縫，就需要使用上文中提到的水灰漿。如果發(fā)現(xiàn)溶洞或結(jié)構(gòu)斷裂時(shí)，則應(yīng)當(dāng)使用砂石骨料注漿。使用定向注漿技術(shù)時(shí)，應(yīng)控制注漿壓力在5～12 MPa之間。根據(jù)礦井的實(shí)際情況、封堵漿液損耗量、定向鉆井距離來及時(shí)停止注漿操作。例如，當(dāng)煤礦鉆井漿液損耗量大于5 m3/h時(shí)，即可以停止注漿；當(dāng)煤礦鉆井漿液沒有出現(xiàn)明顯漏失，且鉆井距離達(dá)到150 m（或以上）時(shí)，就要停止壓水操作，檢查壓水量是否超過0.5 m3/min，然后開始注漿。需要注意的是，技術(shù)人員在使用定向鉆探注漿技術(shù)時(shí)，要考慮到鋪底控制工作，一旦鉆探過程中發(fā)現(xiàn)有“格子”形狀的斷層或溶洞結(jié)構(gòu)需要采取注漿操作時(shí)，一旦注漿壓力超出定制，漿液就會(huì)沿著縫隙或溶洞延伸到不需要注漿的奧灰水層下方，這樣容易導(dǎo)致含水層損壞，也會(huì)造成大量漿液消耗，產(chǎn)生成本浪費(fèi)問題。因此，在對(duì)巨厚含水層采取注漿操作時(shí)，要做好鋪底控制。例如，當(dāng)漏失量小于0.5 m3/h時(shí)，可以使用1∶1注漿作為鋪底材料；當(dāng)漏失量為0.5～1 m3/h時(shí)，可采用注漿或者早強(qiáng)水泥預(yù)制漿作為鋪底材料；當(dāng)漏失量大于1 m3/h時(shí)，需要使用粉煤灰當(dāng)中鋪底材料。另外，如果發(fā)生掉鉆問題，就要用碎石或細(xì)沙來做鋪底[3]。

3.4 底板水頂板水治理

中國很多地區(qū)的煤層頂部都存在含水層，且面積分布較大，所以在開采過程中很容易發(fā)生水害，在地面上使用定向注漿技術(shù)可以有效封堵水層，隔絕導(dǎo)水通道，降低涌水量，避免煤層頂板縫隙含水層突水問題，提高井下作業(yè)的安全性。另外底板水害也是威脅礦井作業(yè)安全性的主要因素，例如，中國華北、華東地區(qū)石炭二疊系煤田面積較大，此類煤田地質(zhì)條件比較復(fù)雜，一旦底板充水會(huì)含水量高，就會(huì)導(dǎo)致煤層隔水底板變薄、變脆，在開采過程中，很容易出現(xiàn)導(dǎo)水縫隙帶破裂，引發(fā)突水災(zāi)害。所以使用定向鉆探注漿技術(shù)可以將底板隔水層封堵，提高煤層底板的完整性及強(qiáng)度，降低水頭壓力的威脅，以往技術(shù)人員在治理底板水時(shí)常使用疏排水或建立防水煤柱等方法，但是費(fèi)用較高。采取定向鉆探注漿技術(shù)能夠大大節(jié)約施工成本，而且能夠保護(hù)地下自然環(huán)境，減少生態(tài)污染。

4 結(jié)論

綜上所述，中國自然地質(zhì)條件具有多樣性，地下煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了提高煤礦開采的安全性，保障施工人員生命安全，使用定向鉆探技術(shù)與注漿技術(shù)十分必要，不僅能降低水害威脅，防治地下突水，同時(shí)還可以減少礦井排水費(fèi)用，充分保護(hù)地下水資源，對(duì)自然生態(tài)也有保護(hù)作用。

［1］范永鑫.針對(duì)煤礦水害原因分析及防治技術(shù)［J］.低碳世界，2019，9（10）：126-127.

［2］周振方，董陽，董興玲，等.基于多源空間信息融合的含水煤層頂板復(fù)合巖層富水性分區(qū)［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2019，47（1）：114-120.

［3］王永全.羽狀分支水平孔在煤礦水害地面區(qū)域探查與治理中的應(yīng)用探討［J］.中國煤炭地質(zhì)，2018，30（Suppl 1）：84-89.

TD745

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.067

2095－6835（2020）14－0158－02

陳超（1987—），男，安徽無為人，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事礦井地質(zhì)及水害防治技術(shù)工作。

〔編輯：王霞〕