垮落带直覆下采煤地面注浆加固顶板钻探技术研究

张桂芳，鲁海峰，年 宾，姚多喜，张曼曼，李 超

(1.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001；2.中勘资源勘探科技股份有限公司，安徽 淮北 235000)

煤炭是我国重要的基础能源和原料，煤炭行业可持续健康发展，为国民经济发展作出了重大贡献。然而，目前我国煤矿各类安全事故频繁发生[1-3]，对我国国民经济发展产生了极大的影响，造成了巨大经济损失。其中顶板事故发生率最高，占煤矿事故的主要部分。针对垮落带下采煤破碎顶板问题，众多学者采用钻孔注浆工艺技术对顶板进行了注浆加固处理[4-17]，增强了破碎顶板的整体性和强度，取得了较好的治理效果。然而上述学者都是采用井下注浆加固顶板，该法存在着浆液在无压条件下自由扩散不均匀，无法做到大面积覆盖，受现场作业环境复杂、钻孔工程量大等缺陷，严重影响工作面的接替及高产高效回采。

为进一步提高破碎顶板在特殊地质条件下安全、高效的回采，本文提出了地面钻孔预注浆加固煤层顶板的思路。在地面注浆钻探施工中，王永泉[18]、李俊杰[19]探讨了钻探技术在煤矿水害防治工作中的应用，并详细介绍了地面多分支水平井精准定向钻进技术。毛玉坤[20]分析了钻探技术在煤矿采空区处治施工中的选择与应用，归纳出各类钻探技术在煤矿采空区治理施工中的适用性。李源汇[21]提出了在地面布置钻孔，穿越上部多层采空区，施工探放水孔与大直径抽水井的防治水钻探技术。金鑫等[22]为了确保桑树坪煤矿安全生产，提出了采用井下定向钻进技术施工煤层底板注浆加固定向钻孔的工艺方法，对套管钻进工艺、定向钻进工艺和注浆工艺进行了系统的分析与研究。方刚[23]以酸刺沟煤矿带压区巷道延伸掘进超前钻探工程为例，对带压区掘进巷道煤层底板是否存在导水构造及富水异常区进行探查，发现西回风大巷部分区域煤层底板存在较大裂隙。

上述研究成果在不同程度上为注浆工程钻探技术起到了积极的指导作用。但针对垮落带直覆下煤层开采，破碎顶板介质中浆液如何顺利到达目标层位、如何防止冲洗液漏失等系统的钻探技术研究还并不多见。为此，以安徽许疃煤矿7228工作面垮落带直覆下采煤注浆工程为例，从钻孔结构设计、施工技术、孔内事故预防等方面开展了详细研究，为后续类似条件下的注浆工程钻探技术提供技术借鉴。

1 工程背景

许疃煤矿7228工作面里段260m为71、72煤层合并区，其中里段230m，工作面上段130m，上覆71煤层已于2007年回采，下段110m为未回采区域；7228工作面外段上覆71煤层7128、71210工作面已于2007年、2009年回采；72煤层距上覆采空区0～13m，平均6.83m。工作面煤厚0.50～6.00m，平均3.07m，可采储量142.2万t。工作面走向长1421m，倾斜宽245m，整体呈南北走向，向东倾斜的单斜构造，煤岩层倾角5°～30°，平均12°，工作面开采标高-417.9～-528.3m。采煤工艺为综合机械化采煤，采取直接垮落法管理顶板，工作面空间关系如图1所示。

图1 7228采煤工作面平面图

受上部采空区影响，7228工作面里段为垮落带直覆下采煤，顶板破碎，很大程度影响到工作面高产高效。为此，针对井下注浆的缺陷，采用地面注浆对采空区进行区域加固，改善工作面顶板条件，降低顶板管理难度，确保7228工作面安全高效开采。

2 钻探工程设计及施工技术

当钻孔穿过顶板破碎带时，易产生孔壁坍塌、掉块等引起卡钻事故；破碎地层冲洗液漏失严重，难以正常循环，岩粉排出不及时、钻具冷却效果不佳，导致埋钻、烧钻等事故发生。为解决上述问题，应根据地层条件、钻进目的设计合理的钻孔结构，研究有效的钻探施工技术。

2.1 钻孔结构设计

2.1.1 钻孔结构

垮落带直覆下采煤地面注浆加固顶板过程中，钻孔穿过破碎带，钻进、注浆过程均易造成孔壁坍塌，为确保顺利成孔、水泥浆液顺利到达目标层位，根据实际地层为厚松散层覆盖以及钻孔穿过破碎带情形，将钻孔设计为二开结构。一开套管主要用于护壁，防止孔壁坍塌，保证钻进形成完整孔；二开套管可作为注浆导管，将水泥浆液直接输送到套管底部的注浆目的段。

图2 7228工作面注浆钻孔结构示意图

3)钻孔布置。依据设计治理范围、地质与水文地质条件以及钻孔设计原则，一期设计施工注浆直孔3个，孔号分别为X1、X2、X3。钻孔从地面开孔钻进至72煤顶板3m位置，穿过第四系松散层、基岩段，终孔层位是72煤顶板垮落带。增补施工注浆直孔3个，孔号分别为X4、X5、X6。钻孔钻进至72煤底板下位置，穿过第四系松散层、基岩段，终孔层位是72煤底板下。各钻孔均对“垮落带”进行预注浆加固。注浆钻孔设计剖面如图3所示，同时，钻孔主要层位参数见表1。

图3 注浆钻孔设计剖面布置图

2.1.2 施工方案

表1 钻孔主要层位参数一览表 m

图4 钻孔固管止水示意图(mm)

2.2 钻探施工技术

2.2.1 施工钻场

钻场一般分钻孔区域、前后厂房、泥浆池、循环池、材料区、加工区、休息区等组成，每个钻孔施工占地约30m×45m。现场施工平面布置如图5所示。

2.2.2 泥浆工艺

为提高钻进效率，减少孔内事故的发生，必须加强泥浆管理，优化泥浆的性能，表土层开孔钻进，用优质泥浆护孔，勤捞岩粉，保持其性能指标符合要求。基岩钻进，钻孔钻至上覆煤层采空区影响带如发生冲洗液全漏不返、孔壁坍塌、掉钻等情况，需顶漏钻进。顶漏钻进过程中，需严防埋钻等孔内事故发生。为了应对这这情况，冲洗液在遇漏时需要调整如下：增加泥浆粘度护壁防塌，增加泥浆稠度，初步堵漏。

图5 钻孔钻场平面布置图(m)

1)冲洗液的选用。根据本矿区煤田钻进的特点，冲洗液应选用优质低固相膨润土，并根据地层情况合理加入相应的泥浆处理剂进行调整。常用的泥浆处理剂有：PHP、CMC、NaCO3、PM植物胶、KP共聚物、腐植酸钾(KHM)。

2)冲洗液的配制。冲洗液的参数见表2，优质低固相腐植酸钾泥浆配方：①一般配方：水+(2%～5%)膨润土+(0.3%～0.6%)NaCO3+(2‰～7‰)CMC+(100～200ppm)PHP+(0.5%～2%)KHM；②特殊配方：水+(5%～10%)膨润土+(0.3%～0.6%)NaCO3+(2‰～5‰)SM+(0.5%～2%)KHM+0.5XC。

表2 性能参数

3)冲洗液的循环与净化。冲洗液的循环方式为正循环，循环槽长度应大于18m，宽不小于250mm，坡度应为1/100—1/80，沉淀池不少于2个，循环槽、沉淀池等应抹平或铁皮平铺。冲洗液应经旋流除砂器进行净化，每班要清理循环槽2～3次，清理沉淀池1次，机场要有2m3的泥浆储备，并有专人管理。使用后的废浆应选择合适的位置，进行掩埋处理，避免造成环境污染。

2.2.3 孔内事故预防

垮落带钻进易塌孔，在该段升降钻具时，应控制升降速度，防止冲洗液压力激动或钻具抽吸作用而破坏孔壁。另外，在松散层不下套管护壁的情况，孔壁稳固的条件下允许“顶漏”钻进。但必须观察泥浆池内冲洗液消耗情况，以防供浆不足烧钻或岩粉埋钻。同时要保证孔底岩粉不得超过0.5m，超过则必须专门捞取。

2.2.4 下管安全措施

下管前调整泥浆参数，使其达到下管时要求的泥浆性能；彻底清孔，确保孔底无沉渣。钢管下放速度为每路管的前2/3最快下放速度≤5m/min，后1/3最快下放速度≤3m/min，同时做好防止墩管。

3 钻探效果验证

2017年12月6日至2018年8月30日，6个钻孔共完成钻探工程量2935.63m，终孔层位均达到设计要求。其中，一开进尺2216.13m，下入177.8mm×8.05mm套管2217.37m(75.89t)；二开进尺719.50m，下入127mm×6.5mm套管2843.55m(54.91t)，终孔后钻孔用水泥浆全封闭。

本次施工的6个钻孔均达到设计要求。在一开钻进过程中，揭露基岩位置与原有资料基本吻合；二开钻进中，基本查明了71煤采空区影响地层范围及裂隙发育特征，得出注浆区域基岩界面在深度在345～351m左右，相比附近钻孔资料，埋深略有增加，与71煤采后回填有关；71煤采空区影响地层顶界(“裂隙带”顶)距72煤约45～50m，距离煤层越近，岩层破碎程度越高。另外，钻进过程中的简易水文观测见表3。

表3 钻孔简易水文观测统计表

注：标注*代表注浆后的观测结果。

从表3可看出，未注浆改造前，钻进至71煤采空区顶界(距72煤约45～50m)时，冲洗液均漏失，漏失量较大，孔内水位较深，埋深一般大于100m；注浆加固后，注浆治理区范围内采空区裂隙得到充填加固，漏失段下移，漏失量减小。其中X5孔全漏点位于72煤层上5m，下移45m左右，X6孔全孔无明显消耗。

从以上分析可以得出，本次施工的6个地面注浆孔均达到设计要求，设计的二开钻孔结构有效的保证了钻探的顺利施工。钻探结果查明了地层的分布以及71煤采空区影响地层顶界，同时通过简易水文观测也佐证了采空区裂隙得到了很好的加固。

4 结 论

1)在钻孔结构设计上，根据实际地层分布以及钻孔穿过垮落带特点，设计了二开套管结构，一套管主要起护壁作用，目的是成孔固定，二套管是浆液通道，目的是使浆液可以直达目的层位。同时一开钻进至基岩，二开钻进至目的层，钻井过程中进行了测井与顶漏钻井，保证了成孔。

2)工程实例表明，施工的6个钻孔均达到设计要求，设计的二开钻孔结构有效的保证了钻探的顺利施工。揭露的基岩位置与原有资料基本吻合；基本查明了71煤采空区影响地层范围及裂隙发育特征，同时通过简易水文观测也佐证了采空区裂隙加固效果较好。

3)本文所作研究可以应用到类似情况下的地面注浆改造破碎顶板的工程实例中，为地面注浆改造钻探工程提供技术保障。