周學(xué)年，程世貴，夏小亮，朱印兵，紀(jì)卓辰，蒲治國(guó)

(1.中煤新集能源股份有限公司 新集二礦，安徽 淮南 232170；2.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；3.中煤沖擊地壓與水害防治研究中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200)

1 研究區(qū)概況

圖1 下組煤底板地層柱狀圖

井田底層煤組(1上煤、1煤)和奧陶系灰?guī)r之間隔水層為1煤底板至太原組第1層灰?guī)r頂板和本溪組。1煤底板至太原組第1層灰?guī)r頂板段隔水層厚度為16.02～21.93m，平均為19.83m；本溪組鐵鋁質(zhì)泥巖隔水層厚度為0.77～10.01m，平均為4.21m。1煤下伏含水層為太原組灰?guī)r含水層和奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層單位涌水量為0.000019～0.00217L/(s·m)，富水性弱；奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層單位涌水量為0.00037～0.722L/(s·m)，富水性弱到中等。根據(jù)井田內(nèi)現(xiàn)有奧陶系灰?guī)r含水層水位長(zhǎng)觀孔資料可知，當(dāng)前奧灰水位標(biāo)高為-47.94～-62.05m，水壓約為7.0MPa。利用《煤礦防治水細(xì)則》中突水系數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算1煤底板突水系數(shù)超過(guò)了臨界突水系數(shù)0.10MPa/m。同時(shí)煤炭資源的回收導(dǎo)致其底板被破壞，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)底板實(shí)際破壞深度為18～20m，井田內(nèi)大多數(shù)區(qū)域1煤底板至太原組灰?guī)r頂界之間的隔水層被完全破壞，使得1煤在回采過(guò)程中面臨高水壓和薄隔水層條件，奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層成為礦井主要充水含水層，對(duì)礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

2 定向鉆進(jìn)設(shè)備及奧灰水害防治技術(shù)

2.1 地面定向近水平鉆進(jìn)設(shè)備

鑒于施工工藝要求，選擇采用ZJ-30型定向鉆機(jī)[10]，該鉆機(jī)具有模塊化程度高，占地面積小，方便山區(qū)道路運(yùn)輸，適于地面作業(yè)的特點(diǎn)。隨鉆測(cè)量系統(tǒng)選用YST-48R無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀，該測(cè)量?jī)x相較于上一代的YST-48X泥漿脈沖隨鉆測(cè)斜儀，加入了γ測(cè)量項(xiàng)目，提高了傳感器定向探管的精度和性能[11]。螺桿鉆具是通過(guò)和無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀進(jìn)行配合，可對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)調(diào)整和實(shí)時(shí)控制，從而使井眼更加光滑[12，13]。結(jié)合研究區(qū)地層特點(diǎn)和鉆孔結(jié)構(gòu)，造斜率二開(kāi)孔段選用造斜強(qiáng)度為(1.25°～2.0°)/3m。泥漿泵是地面定向鉆進(jìn)設(shè)備的關(guān)鍵，主要用于向鉆孔內(nèi)提供高壓沖洗液[14]，本次采用NBB-390型。剩余配套鉆具包括鉆桿、鉆頭和扶正器[15]，一開(kāi)直井段和二開(kāi)造斜段選用外徑為127mm鉆桿，三開(kāi)近水平段選用外徑為89mm鉆桿；根據(jù)施工方案和地層巖性情況一開(kāi)選用直徑為311mm的PDC鉆頭，二開(kāi)選用直徑為216mm PDC鉆頭，三開(kāi)選用直徑為152mm的PDC鉆頭；扶正器為在完成定向側(cè)鉆后，利用其在有水泥斜面的側(cè)鉆井段劃眼，達(dá)到控制井眼軌跡的目的。

2.2 區(qū)域超前治理奧灰水害技術(shù)路線

圖2 采區(qū)回采前奧灰水區(qū)域治理技術(shù)路線

1)區(qū)域治理模式的轉(zhuǎn)變。調(diào)整了區(qū)域治理方法，防治水治理工程從過(guò)去的以單個(gè)采煤工作面為單元，調(diào)整為以采區(qū)為治理單元。

2)在時(shí)間上超前治理。采取順層注漿治理時(shí)間要超前于巷道掘進(jìn)和工作面回采的時(shí)間，形成集“鉆探、注漿和異常區(qū)探查”的一體化定向近水平鉆進(jìn)模式。

3 地面定向近水平鉆孔煤層底板超前注漿防治水技術(shù)

3.1 地面定向近水平鉆孔設(shè)計(jì)

3.1.1 目標(biāo)地層的選取

3.1.2 近水平鉆孔注漿漿液擴(kuò)散及距離設(shè)計(jì)

奧灰頂部目標(biāo)層區(qū)域注漿屬于升壓滲透注漿，漿液主要在該時(shí)段發(fā)生擴(kuò)散，當(dāng)漿液進(jìn)入裂隙后，伴隨著漿液壓力的上升，逐漸對(duì)地下水進(jìn)行驅(qū)替[16，17]。注漿分支孔方位及間距主要依據(jù)以下原則進(jìn)行設(shè)計(jì)：一是分支孔應(yīng)盡可能與裂隙、斷層呈大角度斜交；二是孔間距不得大于注漿擴(kuò)散半徑的2倍；三是鉆孔注漿擴(kuò)散范圍應(yīng)覆蓋整個(gè)探查治理區(qū)。

漿液類型和漿液配比通過(guò)鉆探過(guò)程中揭露的巖溶發(fā)育情況及壓水試驗(yàn)測(cè)定的單位吸水率共同確定，漿液類型包括水泥單漿、水泥-粉煤灰混合漿、粉煤灰漿和雙液漿等，初始濃度一般為3∶1～0.5∶1，單位吸水率與漿液初始濃度見(jiàn)表1。

表1 單位吸水率與漿液初始濃度

通過(guò)對(duì)比分析、工業(yè)試驗(yàn)和地面探查鉆孔檢驗(yàn)等手段，確定了新集二礦地面探查注漿擴(kuò)散半徑為39.0～52.4m。

3.2 地面定向近水平鉆進(jìn)工程施工

3.2.1 工程概況

新集二礦位于淮南煤田南緣老人倉(cāng)斷層北側(cè)，采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤方法，一次采全高，全部垮落法管理頂板。目前主采1號(hào)煤(底層煤)，規(guī)劃的2201和2301采區(qū)受區(qū)域阜鳳推覆構(gòu)造影響，三維地震勘探技術(shù)無(wú)法查明隱伏裂隙、斷層和陷落柱等垂向?qū)ǖ?，直接威脅2201和2301待采區(qū)的安全掘進(jìn)和回采。

3.2.2 施工流程

圖3 新集二礦2201和2301采區(qū)鉆孔軌跡

灰?guī)r段鉆進(jìn)遇漏失時(shí)，漏失量達(dá)5m3/h時(shí)進(jìn)行注漿，過(guò)漏失段10m后起鉆，注漿之前進(jìn)行壓水試驗(yàn)，根據(jù)壓水試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算注漿段單位吸水量，然后根據(jù)表1中的對(duì)應(yīng)關(guān)系確定漿液配比關(guān)系，達(dá)到靜水壓力的1.5～2.0倍作為注漿結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)。

4 區(qū)域治理效果驗(yàn)證及評(píng)價(jià)

4.1 井上水文觀測(cè)孔水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

圖4 注漿前后水0101長(zhǎng)觀孔奧灰水位變化曲線

4.2 井下物探、鉆探驗(yàn)證

巷道和工作面在準(zhǔn)備進(jìn)行掘進(jìn)和回采前，采用瞬變電磁方法進(jìn)行探查，探查太原組灰?guī)r富水異常區(qū)及垂向隱伏導(dǎo)水通道，進(jìn)行注漿封堵效果的驗(yàn)證。220106工作面回采前在風(fēng)巷和機(jī)巷分別進(jìn)行了瞬變電磁探測(cè)，得到了220106工作面垂直底板方向視電阻率剖面圖，如圖5所示。220106工作面風(fēng)巷剖面探測(cè)結(jié)果表明視電阻率值相對(duì)均勻，說(shuō)明其底板巖體相對(duì)完整；220106工作面機(jī)巷剖面探測(cè)結(jié)果同樣表明底板巖體相對(duì)完整，工作面內(nèi)不存在明顯的低阻異常區(qū)。

圖5 220106工作面垂直底板方向視電阻率剖面圖

針對(duì)井下物探異常區(qū)、注漿量偏小但單孔涌水量較大區(qū)、注漿孔密度相對(duì)較小區(qū)、構(gòu)造發(fā)育地段、初次來(lái)壓及停采線附近區(qū)域，施工了井下鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。220106工作面共施工底板探放水鉆孔17個(gè)，如圖6所示。其中YZ1-1#鉆孔終孔層位為6灰底板，鉆孔水量為1m3/h，迅速衰減為無(wú)水；YZ3-2#鉆孔終孔層位為9灰底板，鉆孔水量為0.5m3/h，迅速衰減為無(wú)水；YZ6-2#鉆孔終孔層位為8灰底板，鉆孔水量為5m3/h，1h后迅速衰減為無(wú)水；YZ12-2#鉆孔終孔層位為8灰底板，鉆孔水量為3m3/h，8h后衰減為無(wú)水。其余YZ1-2#和YZ1-3#鉆孔終孔層位為6灰底板，YZ4-2#、YZ4-3#、YZ4-4#和YZ6-1#鉆孔終孔層位為8灰底板，YZ3-1#、YZ8-1#、YZ8-2#、YZ8-3#、YZ10-1#、YZ10-2#和YZ12-1#鉆孔終孔層位為9灰底板，均為無(wú)水鉆孔。

圖6 220106工作面底板巷探放水鉆孔

4.3 治理效果評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)區(qū)域探查治理施工后，利用瞬變電磁物探方法進(jìn)行了巷道和工作面的物探，發(fā)現(xiàn)太原組灰?guī)r含水層富水性明顯變?nèi)?；在進(jìn)行井下探放水工作時(shí)，終孔單孔涌水量均未大于5m3/h，注漿效果顯著，解放2201、2301采區(qū)1煤和1上煤10個(gè)工作面，資源儲(chǔ)量共計(jì)約為952.5萬(wàn)t。

2201采區(qū)首先施工了S1-2鉆孔，然后在施工S1-1鉆孔時(shí)通過(guò)巖屑錄井發(fā)現(xiàn)巖屑中存在水泥碎塊，在施工S1-4和S1-5分支鉆孔時(shí)，同樣發(fā)現(xiàn)了水泥碎塊；2301采區(qū)S2-2鉆孔為第一個(gè)施工的鉆孔，在后施工的S2-1、S2-3和S2-4鉆孔巖屑中均發(fā)現(xiàn)了水泥碎塊。在分支鉆孔定向鉆進(jìn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了水泥碎塊，這充分說(shuō)明了利用定向分支順層鉆進(jìn)、井上水文觀測(cè)孔水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和井下物探、鉆探驗(yàn)證的方式，實(shí)現(xiàn)了在巨厚推覆體下運(yùn)用地面定向近水平鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行奧灰水害的有效探查治理。

5 結(jié) 論

2)根據(jù)鉆進(jìn)過(guò)程中巖溶發(fā)育情況、單位吸水率共同確定了漿液類型及其初始濃度；通過(guò)對(duì)比分析、工業(yè)試驗(yàn)和地面探查鉆孔檢驗(yàn)等手段，綜合確定了區(qū)內(nèi)注漿擴(kuò)散半徑為39.0～52.4m。

3)區(qū)域治理注漿結(jié)束后，區(qū)內(nèi)奧灰水位長(zhǎng)觀孔水0101鉆孔水位由注漿前的-187.27m升高至-118.90m，通過(guò)巷道和工作面物探發(fā)現(xiàn)太原組灰?guī)r含水層富水性變?nèi)?；在進(jìn)行井下探放水工作時(shí)，發(fā)現(xiàn)單孔涌水量均未大于5m3/h，最終解放2201、2301采區(qū)1煤和1上煤資源儲(chǔ)量共計(jì)約為952.5萬(wàn)t。