煤层底板水害防治地面定向水平孔技术研究

王翔

摘要：地面定向水平孔煤层底板预注浆防治水技术已经成为矿井煤层底板水害防治主要方法之一，利用地面定向水平孔可对煤层底板含水层进行超前探查和注浆治理。根据赵固一矿18031工作面地层条件，介绍了地面定向水平孔煤层底板超前注浆防治水技术方案。结合现场施工情况，总结了大水垂比地面定向水平孔施工技术要点及参数，为地面定向水平孔在煤层底板水害防治中的进一步推广提供了参考。

关键词：定向水平孔；煤层底板；水害防治

前言

赵固一矿18031工作面治理区域长为950m左右，宽为180m左右，地质条件复杂，太原组上段灰岩含水层组主要含水层L8厚度6.9-10.9m，上距二1煤层底板25-28.7m，水压5.0～6.3 MPa，突水系数为0.17-0.25MPa/m，受张性断裂构造及大断层影响，容易与O2灰岩和L2灰岩含水层产生水力联系，给采掘及回采工作带来严重的水害威胁。为了避免煤层底板突水，保证巷道顺利掘进和煤层安全开采，赵固一矿采用新型的地面水平孔煤层底板超前注浆防治水技术对18031工作面二1主采煤层以下L8灰岩含水层进行探查治理。

一、地质概况

（一）地层条件

赵固一矿18031工作面主采煤层为二叠系山西组二1煤层，煤层厚度为5.5-6.2m，平均5.8m，煤层倾角3°～10°，属全区可采的近水平稳定型厚煤层，煤层埋深为525-590m，上覆巨厚层冲积层，属第四系、新近系全掩盖层，岩性为黄土、砂质黏土及砾石层，厚度为460-530m，并且煤层顶板基岩较薄，岩性为砂岩、砂质泥岩互层，厚度为60-65m，二1煤层属于典型的巨厚冲积层薄基岩煤层。

（二）水文地质条件

二1煤层底板直接含水层为太原组上段灰岩含水层（L9、L8、L7灰岩），距二1煤层底板的距离为25.00-28.7m，其中L8灰岩发育较好，含水层厚度平均8.75m，岩溶裂隙较发育，渗透系数9.82～10.94m/d；间接含水层为太原组下段灰岩含水层（L2、L3灰岩）及中奥陶统灰岩岩溶裂隙含水层（O2灰岩），上距二1煤层底板距离分别为89.27～104.36m、118.26～142.58m，其中L2灰岩发育较好，一般厚度15m左右，为富水性较强的含水层。O2和L2灰岩含水层会与L8灰岩含水层产生水力联系，给采掘工程带来严重的水害威胁。

二、地面定向水平孔煤层底板注浆治理方案

（一）总体方案

鉴于18031工作面水文地质条件的复杂性，采用地面定向水平孔煤层底板超前注浆防治水技术，在地面施工长距离大水垂比定向钻孔对L8灰岩含水层进行超前探查及注浆加固，通过钻孔注浆来充填底板灰岩含水层的岩溶裂隙和导水裂隙，从而减弱含水层的富水性并切断水源补给通道，使受注含水层变为隔水层或弱含水层，同时提高二1煤层底板一定厚度范围内抗水压的能力，降低井下采掘期间水害威胁程度。

（二）地面定向水平孔设计

1.钻孔布置

地面定向水平孔煤层底板超前注浆防治水技术，在地面合适位置布置钻机，通过直孔段、造斜段的施工，使钻孔变为水平方向，可沿巷道和煤层底板顺层钻进，同时充分利用地面定向钻孔技术的优点，可利用一个主孔施工多个水平分支孔，参考传统的井筒地面预注浆经验，同时结合赵固一矿18031工作面煤层底板超前注浆技术和地层条件，选择在18031北部布置一个主孔，即注2主孔对18031工作面北部进行治理，根据浆液扩散距离，水平分支的间距为45m左右，所以，注2主孔进行6个水平分支孔施工，对整个采面进行探查和治理。

2.钻孔结构

结合以往类似项目施工经验，同时考虑到赵固一矿地层条件，加之定向水平孔注浆要求，地面定向水平孔多采用三开结构、两层套管的形式， 即一开孔段和二开孔段均需下入套管，一开套管将钻孔与表土层隔离，以保证下部钻孔顺利钻进；二开套管下至治理灰岩层上部，将钻孔与煤层等隔离，以保证灰岩段注浆效果；三开为裸孔段（注浆段），沿治理灰岩层钻进。

（1）一开孔段，孔径Φ350mm，下入Φ244.5×8.94mm套管，进入基岩内不少于10m，并用单液水泥浆进行固管。

（2）二開孔段，孔径Φ215.9mm，下入Φ177.8×8.05mm套管，下至L8灰岩层位上部，并用单液水泥浆对套管下部分孔段进行固管。

（3）三开孔段，孔径Φ152.4mm，沿L8灰岩顺层钻进，为裸孔段。

该钻孔结构采用三开形式，其优点是钻孔安全，但由于表土层较深，一开孔段既需要造斜，还需要下入大孔径套管，导致施工难度大，同时一开孔段和二开孔段套管重合段长，所以施工时间长，施工费用高。

三、现场施工情况

赵固一矿18031工作面注2钻孔采用该施工工艺，成功克服了地面水平孔孔在深厚冲积层、薄基岩煤层底板加固技术中的施工难点，成功实现了深厚层冲积层大顶角造斜成孔、大口径套管下放、固管工作；三开水平孔段水垂比突破了以往地面L型水平孔在岩层中钻进水垂比为2的惯例，创造了水垂比为2.39的记录；三开水平孔段钻孔轨迹偏差控制在3 m的误差范围之内，其成功揭示了灰岩层段以及断层的存在。

四、结论与展望

地面定向水平孔为煤层底板探查和治理提供了更多选择，大大避免了井下探查和治理不安全因素，有效调高了施工安全可靠性；同时钻孔水垂比的提高，也大大提高了钻孔的有效利用率，缩短了钻孔施工时间，从经济角度，其效果也是相当可观的。虽然大水垂比地面定向水平孔技术得到了应用，但在以后的工作中，仍需进一步探索，例如，如何更合理的设计钻孔布孔间距，如何将采面治理转变为区域治理，进而进一步在时间和空间上提高钻孔的有效利用率，这是我们后续工作中仍需努力的。