长距离定向钻进防治老窑积水实践

2020-11-23张雷磊

陕西煤炭 2020年6期

张雷磊，李阳

(国家能源集团宁夏煤业公司羊场湾煤矿，宁夏灵武 750409)

0 引言

煤矿水害是与瓦斯、火灾等并列的矿山建设与生产过程中的主要安全灾害之一。长期以来，煤矿水害带来的人身伤亡和经济损失极为惨重[1]。近年来，老窑透水成为矿井突水的显著特点之一，由于历史原因，在我国不少煤矿周边都存在着老窑，这些老窑大多数都位置不详，图纸资料不全，储存有大量积水，犹如一座座地下水库，充水的特点是来势猛、时间短、破坏性大。其下部和相邻的矿井一旦揭露和接近常会造成突水，轻则增大矿井涌水量，重则淹井，造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失。对已知危及煤矿安全开采的老窑水处置方法通常是采用钻探疏放水，但是传统钻探技术施工的探放水钻孔浅，钻孔轨迹控制难，经常偏离设计层位，达不到有效探查疏放的目的[2]。近年来，定向钻进技术快速发展，其具有钻孔轨迹可控、钻孔精度高、目标层位钻遇率高等优点[3]，被广泛应用于老窑水治理中，具有明显的优势和良好的应用前景[4]，符合目前煤炭企业降本增效、安全高效的理念与发展思路。

羊场湾煤矿Ⅱ020613工作面为6煤层第一个工作面，上临磁窑堡扩建井采空区，采空区总积水量达72.2万m3，水头高度达2.749 MPa，严重威胁Ⅱ020613工作面的安全生产。为消除磁窑堡扩建井采空区积水隐患，提出在缓坡斜井合适的位置引进长距离定向钻探技术进行探查疏放，以期取得良好效果。

1 工程背景

1.1 矿井概况

羊场湾煤矿为宁东第一座大型千万吨现代化矿井，矿井由1号井和2号井组成，Ⅱ020613工作面上临磁窑堡扩建井，根据前期对老窑采空区的地质调查结果，磁窑堡扩建井老窑生产时所留矿界煤柱不符合要求，已回采了靠近其一侧的边界煤柱。为确保安全生产，必须提前做好Ⅱ020613工作面对磁窑堡扩建井采空区积水的探查工作。

1.2 工作面充水水源

地表水：西天河从工作面东侧穿过，主要影响Ⅱ020613工作面，影响范围约2 100 m。在《磁窑堡技改井初步设计》中经过论证，认定为工作面在西天河下开采是安全的，2煤Y152、Y212、Y232工作面的回采也证实了上述论证；6煤埋深大于300 m，一般情况下导水裂缝带难以直接发育到地表，大气降水难以产生直接影响。

顶板水：Ⅱ020613工作面开采6煤，它与顶板2煤之间的距离约为62 m，煤层间存在薄层砂岩含水层，直接充水水源为延安组2～6煤间砂岩含水层水。根据5126、5228#钻孔资料，6煤顶板岩性为泥岩、粉砂、细砂互层为主，偶有薄层中、粗粒砂岩，砂岩成分以石英、长石为主，硅质胶结，坚硬，含泥质包体，因此判断该含水层富水性弱，可疏放性不强。

老窑水：据矿井地质调查资料，Ⅱ020613工作面主要受磁窑堡扩建井老窑水的影响。本矿自身开采后形成的采空区范围清晰，积水可通过联络巷排出，预计无积水。磁窑堡扩建井南翼2煤、6煤老窑水(主要是6煤C256工作面和2煤C272工作面)与羊场湾2号井相邻，位于Ⅱ020613工作面西北侧。磁窑堡扩建井现已关闭，当时生产时其2、6煤各工作面涌水量约20～30 m3/h。

2 工程实践及效果评价

2.1 老窑水积水量和水压

根据现有资料分析，主要威胁羊场湾煤矿2号井的积水区分为7块，见表1，利用式(1)可估算出各采空区积水水量。

表1 磁窑堡扩建井采空区分区

Q采=K·M·F/cosα

(1)

式中，Q采—老空积水量，m3；K—老窑区或巷道的充水系数，采空区一般取0.25～0.5，巷道充水系数一般煤巷取0.5～0.8，岩巷取0.8～1.0；M—采空区的平均采高或者煤厚，m；F—采空积水区的水平投影面积，m2；α—煤层倾角，°。采空区积水水量估算结果见表2，初步预计，磁窑堡扩建井老窑积水总积水量为72.2万m3。对Ⅱ020613工作面有直接威胁的为1#和5#积水区，其积水量约24.0万m3。

表2 磁窑堡扩建井老窑区积水量计算表

2.2 工程实施

准备措施：①钻孔位置。根据对老窑采空区的地质调查和计算结果，预计该老窑范围内积水量达72.2万m3，水头高度达2.749 MPa。依据《煤矿防治水细则》的相关规定，煤层内，原则上禁止在水压高于1 MPa的地点探放水。因Ⅱ020601工作面顺槽为沿煤层顶板施工煤巷，所以需将探查钻孔布置在其它完整围岩的井巷；②地质探查。根据矿井生产地质资料，选择在缓坡斜井合适的位置引进长距离定向钻探技术，利用定向钻孔轨迹可控、定位精确的优点，确保钻孔能够准确施工至预定靶点。探查磁窑堡扩建井采掘范围和采空区水文地质资料，并利用缓坡斜井长距离定向疏水降压至Ⅱ020613回风顺槽钻场处水头压力不大于1 MPa时，再在回风顺槽超前探查磁窑堡扩建井防隔水煤岩柱的安全措施；③设备参数。本次施工钻机选用西安煤科院生产的ZDY6000LD钻机，其具体参数见表3。

表3 施工设备表

施工过程：2019年5月份，在缓坡斜井探放水硐室开始施工2个长距离定向钻探钻孔，开孔采用φ96 mm钻头钻进至18 m，更换为φ165 mm钻头扩孔至16 m，下入φ127 mm封孔管16 m，利用水泥浆液进行封孔。封孔先采用外环孔进行注浆，注浆后凝固8～10 h结束后进行内环空注浆，注浆压力≥3 MPa，注浆后凝固36 h。凝固结束后后进行打压试验，压力4 MPa，持续30 min，确保封孔质量。本次共设计2个疏放水孔，总进尺504 m，见表4。钻孔开孔层位为2煤顶板粉砂岩，开孔后依次钻遇粉砂岩、细沙岩、3煤、粉砂岩、细沙岩、4煤、粉砂岩、细沙岩、5煤、粉砂岩、细沙岩，终孔点为6煤C256采空区上部冒落带。

表4 长距离定向钻孔施工技术参数

钻孔效果：该钻孔终孔位置位于磁窑堡扩建井采空区冒落带，可以准确探查到磁窑堡扩建井采掘位置，在实现了对采空区积水水量和水压的探查情况下，有效避免了钻孔堵塞现象。既可以实现对磁窑堡扩建井采空区积水进行疏水降压，为Ⅱ020613回风顺槽超前探查磁窑堡扩建井采掘活动提供安全技术参数，也可以作为磁窑堡扩建井采空区水文动态监测钻孔长期使用。

图1 缓坡斜井长距离定向钻孔施工平面

2.3 探放水效果评价

Ⅱ020613工作面从2019年5月中旬起正式开始施工疏放钻孔，于2019年5月中下旬施工完毕，当时钻孔最大涌水量达182 m3/h，之后钻孔涌水量呈逐渐衰减的趋势，于10月1日缓坡斜井钻孔涌水衰减完成。同时，缓坡斜井疏放水钻孔水压由最初的1MPa呈现出逐渐衰减的趋势，到8月22日降到0，如图2所示。截至10月初，通过长距离定向钻孔的疏放总量达21.15万m3，有效达到了“疏水降压”的目的。