郭慶武

（冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲 056200）

1 概 況

峰峰礦區(qū)是大水礦區(qū)，受煤系基底奧灰含水層及薄層灰?guī)r含水層等影響，區(qū)內(nèi)各礦尤其是老礦井涌水量普遍較大，給礦井排水帶來了很大困難，也不利于地下水資源和環(huán)境保護(hù)。積極開展出水點(diǎn)封堵方面的研究，降低礦井涌水量，具有十分重要的安全及環(huán)保意義。過去常用的堵水方法主要有井下施工堵水鉆孔、地面施工垂直鉆孔等。薄層灰?guī)r含水層出水點(diǎn)因含水層厚度較薄、富水性及巖溶裂隙發(fā)育不均一等原因，一直是探查封堵的難點(diǎn)。峰峰礦區(qū)牛兒莊礦56603 工作面出水點(diǎn)水量5.7 m3/min，為過去注漿堵水工程未能實(shí)現(xiàn)徹底封堵的殘余出水點(diǎn)，其確切位置等已無法確定，過去地面施工垂直鉆孔探查效率低、準(zhǔn)確性及效果差，井下附近出水點(diǎn)附近巷道也早已封閉，已不具備井下施工條件，因此常規(guī)堵水方法很難達(dá)到堵水效果。定向水平井技術(shù)在煤礦地面區(qū)域治理工程中的應(yīng)用為該礦堵水提供了新的思路，以牛兒莊礦56603 工作面大青灰?guī)r殘余出水點(diǎn)的封堵為實(shí)例，介紹了定向水平井技術(shù)在煤系薄層灰?guī)r含水層殘余出水點(diǎn)封堵中的研究應(yīng)用，以期對類似條件的出水點(diǎn)封堵提供借鑒。

2 出水點(diǎn)情況

2.1 突水過程簡述

牛兒莊礦56603 工作面位于牛兒莊礦一水平南翼六盤區(qū)中部，開采6 號煤，煤厚1.5 m，傾角10°～20°，開采標(biāo)高-69—-128 m，走向長度610～700 m，傾向長度90～180 m。煤層底板距大青灰?guī)r含水層45 m，大青水位+120 m 左右。構(gòu)造上，工作面為寬緩背斜構(gòu)造，運(yùn)料巷及溜子道分別沿上、下兩條斷層布置，其中與運(yùn)料巷相鄰的FY1 斷層落差4 m 左右，運(yùn)料巷基本沿?cái)鄬硬贾?，工作面位于斷層上盤，面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造則較為簡單。

1993 年6 月工作面回采過程中發(fā)生突水，突水水源為煤系薄層大青灰?guī)r水，突水通道為FY1斷層，最大突水量達(dá)39.8 m3/min，穩(wěn)定突水量25 m3/min，導(dǎo)致工作面停產(chǎn)。事故發(fā)生后，采用地面動水注漿的方案進(jìn)行堵水，共施工地面鉆孔12 個(gè)，進(jìn)尺4 217 m。堵水工程結(jié)束后，出水量減小了19.3 m3/min，但仍有5.7 m3/min 的殘余水量，導(dǎo)致該工作面長期出水，給礦井的排水及安全生產(chǎn)工作帶來了很大困難，礦井每年因該出水點(diǎn)增加的排水費(fèi)用約365 萬元。

2.2 出水點(diǎn)特征

2.2.1 出水水源

突水事故發(fā)生后，突水點(diǎn)南北鄰近范圍內(nèi)，大青水位下降4.5～5.8 m，奧灰水位未發(fā)現(xiàn)任何變化。經(jīng)水質(zhì)化驗(yàn)，出水水質(zhì)為低礦化重碳酸鹽水，與該地區(qū)大青灰?guī)r水水質(zhì)一致。堵水鉆孔注6 孔在大青灰?guī)r層位注漿結(jié)束后，延深至奧灰含水層，奧灰頂部15 m 范圍內(nèi)裂隙發(fā)育程度非常微弱，鉆進(jìn)16 m 后才進(jìn)入奧灰富水地段，鉆進(jìn)27 m 做奧灰水聯(lián)通試驗(yàn)，190 h 后在與該礦相鄰的五礦發(fā)現(xiàn)試劑，該礦始終未發(fā)現(xiàn)試劑。

通過水位觀測、水質(zhì)化驗(yàn)、連通試驗(yàn)等工作證實(shí)，該工作面出水水源為大青灰?guī)r水，奧灰水未參與直接補(bǔ)給。

2.2.2 出水機(jī)理

56603 工作面西側(cè)為FY1斷層，工作面運(yùn)料巷曾揭露該斷層并沿?cái)鄬硬贾?，斷層落? m 左右，走向NNE，傾向NEE，工作面位于斷層上盤。斷層面向工作面底板方向延伸，并發(fā)育至大青灰?guī)r。

初始應(yīng)力狀態(tài)下，F(xiàn)Y1斷層及次生裂隙被泥質(zhì)充填膠結(jié)，斷層面不構(gòu)成導(dǎo)通大青灰?guī)r和工作面的通道，所以工作面運(yùn)料巷在掘進(jìn)揭露該斷層時(shí)并未發(fā)生出水現(xiàn)象。隨著工作面的推進(jìn)，圍巖應(yīng)力狀態(tài)重新分布，底板應(yīng)力釋放，使采空區(qū)部分泄壓，采壁邊緣及上下兩巷煤幫側(cè)內(nèi)部增壓，產(chǎn)生的剪應(yīng)力使底板巖層產(chǎn)生剪切變形和錯位。自然狀態(tài)下，工作面采動造成的底板破壞深度較小，不會導(dǎo)通下伏的大青含水層，所以工作面接近FY1斷層前并未發(fā)生出水情況。但當(dāng)工作面接近該斷層時(shí)，F(xiàn)Y1斷層逐步成為剪應(yīng)力最為集中的地段，斷層面相對比較薄弱，其上下盤便產(chǎn)生錯動，使兩盤由膠結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為張開狀態(tài)，為大青水沿?cái)鄬用嫔仙峁┝送ǖ?。由于底板大青灰?guī)r水水頭高度遠(yuǎn)高于工作面標(biāo)高（高190 m 左右），在礦山壓力和底板高承壓水的聯(lián)合作用下，大青灰?guī)r水沿著斷層面導(dǎo)升并進(jìn)入工作面發(fā)生突水。隨著大青灰?guī)r水對斷層裂隙的不斷沖刷，原本充填于斷層裂隙的物質(zhì)被水流帶走，突水通道進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)致突水量不斷增加。

2.2.3 殘余出水點(diǎn)位置較分散

56603 工作面第一次進(jìn)行堵水共施工地面鉆孔12 個(gè)，總進(jìn)尺4 217 m，注水泥4 893 t，水玻璃552 t，石子 313.86 m3，砂 1 209.2 m3，布條 603 kg，共減少水量19.3 m3/min，殘余水量5.7 m3/min，堵水效率77%。由于基本完成了堵水任務(wù)，殘余出水通道主要為漿液未覆蓋到的小型通道，這些通道過水流量小，位置較為分散且難以確定。如果繼續(xù)施工堵水鉆孔，探查治理難度極大，經(jīng)濟(jì)上也不合理，因此堵水工程結(jié)束。

3 堵水方案的提出

原堵水工程已經(jīng)證明，如果仍采用地面垂直鉆孔對殘余出水通道進(jìn)行探查封堵，探查封堵難度極大。出水點(diǎn)所在采區(qū)也早已開采完畢，已不具備施工井下鉆孔的條件。

定向水平井技術(shù)在煤層底板含水層治理方面得到了廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鉆孔在目標(biāo)層位的長距離順層鉆進(jìn)，提高了對導(dǎo)含水裂隙的探查效率。該礦堵水項(xiàng)目引入該技術(shù)對殘余出水點(diǎn)實(shí)施封堵具有以下優(yōu)勢：①本區(qū)地層產(chǎn)狀較為穩(wěn)定，大青灰?guī)r沿?cái)鄬幼呦蜓財(cái)鄬幼呦蚍较蜻B續(xù)性較好，有利于鉆孔孔沿大青灰?guī)r長距離鉆進(jìn)；②大青導(dǎo)水裂隙以高角度裂隙為主，一般貫穿大青含水層頂?shù)酌妫宜椒较蜓诱馆^遠(yuǎn)，水平孔沿大青灰?guī)r順層鉆進(jìn)幾乎能夠揭露鉆孔附近所有導(dǎo)水裂隙；③大青灰?guī)r厚度僅5 m 左右，而水平孔的注漿擴(kuò)散半徑一般在30～40 m，遠(yuǎn)大于大青灰?guī)r厚度，通過注漿能在鉆孔周圍夠形成長距離連續(xù)注漿帷幕。可通過利用水平鉆孔對斷層附近導(dǎo)水裂隙實(shí)施探查封堵，對附近大青灰?guī)r進(jìn)行改造，截?cái)嘀車驍鄬拥倪^水通道，可以達(dá)到堵水目標(biāo)。

因此，此次堵水確定采用定向水平井技術(shù)對FY1斷層周邊的導(dǎo)水裂隙進(jìn)行探查封堵，以實(shí)現(xiàn)封堵出水點(diǎn)的目的。

4 堵水方案

4.1 布孔方案

如圖1 所示，本次堵水工程布置1 口地面主井注1 井，以大青灰?guī)r含水層為目標(biāo)層，以FY1斷層突水點(diǎn)附近大青灰?guī)r為治理區(qū)域，分支水平孔沿與斷層走向平行方向布置，斷層兩側(cè)各布置2 個(gè)分支，自東向西分別為注1-1、注1-2、注1-3、注1-4 孔，為保證注漿堵水的封堵效果，水平孔間距適當(dāng)縮小，取15～20 m。

圖1 鉆孔布置Fig.1 Borehole layout

4.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

鉆孔采用二開井身結(jié)構(gòu)。一開采用φ311.15 mm 牙輪鉆頭，進(jìn)入穩(wěn)定基巖10 m 后，下入φ244.5 mm 的表層套管；二開采用φ215.9 mmPDC 鉆頭/三牙輪鉆頭鉆至造斜點(diǎn)后開始定向鉆進(jìn)，進(jìn)入大青灰?guī)r后完成造斜，下入φ177.8 mm 二級套管；三開采用φ152.4 mm 鉆頭，開始大青灰?guī)r順層鉆進(jìn)，并對漏失點(diǎn)進(jìn)行注漿加固。預(yù)計(jì)整體工作量為1 470 m，其中直井段130 m，造斜段370 m，水平段969 m，4 個(gè)分支工程量分別為注1-1 分支274 m，注1-2 分支231 m，注1-3分支251 m，注1-4 分支213 m。

4.3 注漿方案

水平鉆進(jìn)過程中，采用分段下行式注漿法注漿，即遇漏失則進(jìn)行注漿，根據(jù)漏失量大小確定注漿參數(shù)，待注漿壓力及泵量達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后即可停止注漿，然后繼續(xù)掃孔鉆進(jìn)，直至完成設(shè)計(jì)進(jìn)尺。考慮到工作面一側(cè)斷層受力比較集中，對底板破壞大，導(dǎo)水通道位于該側(cè)的可能性較高，首先施工作面一側(cè)的M1 分支，如果堵水成功則工程結(jié)束，否則繼續(xù)施工下一分支，直至堵水成功。

5 施工過程

首先施工注1-1 分支，一開用φ311.15 mm 鉆進(jìn)至56.45 m 后進(jìn)入基巖，下套管φ244.5 mm 石油套管56 m。二開定向鉆進(jìn)至孔深352.17 m 時(shí)發(fā)生漏失，經(jīng)堵漏后仍發(fā)生漏失，經(jīng)分析為漏失點(diǎn)位于野青巷道上方，因此未能堵漏成功。隨后封固200～352.17 m 孔段，從200 m 處重新側(cè)鉆，在該野青巷道上方上提10 m 繞開野青巷道，鉆進(jìn)至450.29 m 進(jìn)入大青灰?guī)r，下入φ177.8 mm×8.05 mm 石油套管450 m，二開完鉆。

水平鉆進(jìn)過程中，注1-1 分支共揭露3 處較大大青灰?guī)r漏失點(diǎn)，位置分別為477.56、649.13、676.92 m，其中477.56m處注水泥40t，砂子7t；648 m處注水泥830t；676.92m處注水泥5790t，該處注漿后井下涌水量減小4m3/min，說明該處應(yīng)為出水點(diǎn)的主要過水補(bǔ)給通道。鉆進(jìn)至801m完成設(shè)計(jì)工程量后對全鉆孔進(jìn)行注漿，共注水泥1410 t。注漿后經(jīng)井下涌水量觀測，出水點(diǎn)已無涌水，實(shí)現(xiàn)徹底封堵。

由于注1-1 分支完成后已實(shí)現(xiàn)出水點(diǎn)的徹底封堵，達(dá)到堵水目標(biāo)，故沒有繼續(xù)施工其他3 個(gè)分支。整個(gè)工程共完成主孔進(jìn)尺56 m，造斜孔進(jìn)尺472 m，1 個(gè)分支水平孔進(jìn)尺351.69 m，共注水泥8 030 t，沙子、料石等骨料約40 t。

6 結(jié) 論

（1） 經(jīng)現(xiàn)場測定，56603 工作面 5.7 m3/min 的殘余水量實(shí)現(xiàn)全部封堵，堵水率100%。

（2） 利用定向水平井技術(shù)堵水僅需施工1 口主井，然后通過造斜分支，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)水平孔探查導(dǎo)水通道，解決了過去堵水工程中往往需要施工多個(gè)垂直井，施工工程量大的問題。

（3） 定向水平井技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對薄層灰?guī)r含水層的連續(xù)順層鉆進(jìn)，增加了對薄層灰?guī)r導(dǎo)含水裂隙的探查效率。

（4） 通過對水平分支孔周圍大青灰?guī)r導(dǎo)含水裂隙進(jìn)行注漿治理，能夠截?cái)嘀苓吽磁c斷層的水力聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)對出水點(diǎn)有效封堵，解決了過去在封堵薄層灰?guī)r出水時(shí)不掌握出水點(diǎn)確切位置就難以實(shí)現(xiàn)出水點(diǎn)有效封堵的難題。