巨厚推覆体下奥灰水害探查治理定向钻进技术

周学年，程世贵，夏小亮，朱印兵，纪卓辰，蒲治国

(1.中煤新集能源股份有限公司 新集二矿，安徽 淮南 232170；2.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054；3.中煤冲击地压与水害防治研究中心，内蒙古 鄂尔多斯 017200)

1 研究区概况

图1 下组煤底板地层柱状图

井田底层煤组(1上煤、1煤)和奥陶系灰岩之间隔水层为1煤底板至太原组第1层灰岩顶板和本溪组。1煤底板至太原组第1层灰岩顶板段隔水层厚度为16.02～21.93m，平均为19.83m；本溪组铁铝质泥岩隔水层厚度为0.77～10.01m，平均为4.21m。1煤下伏含水层为太原组灰岩含水层和奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。太原组灰岩岩溶裂隙含水层单位涌水量为0.000019～0.00217L/(s·m)，富水性弱；奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层单位涌水量为0.00037～0.722L/(s·m)，富水性弱到中等。根据井田内现有奥陶系灰岩含水层水位长观孔资料可知，当前奥灰水位标高为-47.94～-62.05m，水压约为7.0MPa。利用《煤矿防治水细则》中突水系数计算公式，计算1煤底板突水系数超过了临界突水系数0.10MPa/m。同时煤炭资源的回收导致其底板被破坏，根据现场探测底板实际破坏深度为18～20m，井田内大多数区域1煤底板至太原组灰岩顶界之间的隔水层被完全破坏，使得1煤在回采过程中面临高水压和薄隔水层条件，奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层成为矿井主要充水含水层，对矿井安全生产构成了严重威胁。

2 定向钻进设备及奥灰水害防治技术

2.1 地面定向近水平钻进设备

鉴于施工工艺要求，选择采用ZJ-30型定向钻机[10]，该钻机具有模块化程度高，占地面积小，方便山区道路运输，适于地面作业的特点。随钻测量系统选用YST-48R无线随钻测斜仪，该测量仪相较于上一代的YST-48X泥浆脉冲随钻测斜仪，加入了γ测量项目，提高了传感器定向探管的精度和性能[11]。螺杆钻具是通过和无线随钻测斜仪进行配合，可对钻孔轨迹进行实时监测、实时调整和实时控制，从而使井眼更加光滑[12，13]。结合研究区地层特点和钻孔结构，造斜率二开孔段选用造斜强度为(1.25°～2.0°)/3m。泥浆泵是地面定向钻进设备的关键，主要用于向钻孔内提供高压冲洗液[14]，本次采用NBB-390型。剩余配套钻具包括钻杆、钻头和扶正器[15]，一开直井段和二开造斜段选用外径为127mm钻杆，三开近水平段选用外径为89mm钻杆；根据施工方案和地层岩性情况一开选用直径为311mm的PDC钻头，二开选用直径为216mm PDC钻头，三开选用直径为152mm的PDC钻头；扶正器为在完成定向侧钻后，利用其在有水泥斜面的侧钻井段划眼，达到控制井眼轨迹的目的。

2.2 区域超前治理奥灰水害技术路线

图2 采区回采前奥灰水区域治理技术路线

1)区域治理模式的转变。调整了区域治理方法，防治水治理工程从过去的以单个采煤工作面为单元，调整为以采区为治理单元。

2)在时间上超前治理。采取顺层注浆治理时间要超前于巷道掘进和工作面回采的时间，形成集“钻探、注浆和异常区探查”的一体化定向近水平钻进模式。

3 地面定向近水平钻孔煤层底板超前注浆防治水技术

3.1 地面定向近水平钻孔设计

3.1.1 目标地层的选取

3.1.2 近水平钻孔注浆浆液扩散及距离设计

奥灰顶部目标层区域注浆属于升压渗透注浆，浆液主要在该时段发生扩散，当浆液进入裂隙后，伴随着浆液压力的上升，逐渐对地下水进行驱替[16，17]。注浆分支孔方位及间距主要依据以下原则进行设计：一是分支孔应尽可能与裂隙、断层呈大角度斜交；二是孔间距不得大于注浆扩散半径的2倍；三是钻孔注浆扩散范围应覆盖整个探查治理区。

浆液类型和浆液配比通过钻探过程中揭露的岩溶发育情况及压水试验测定的单位吸水率共同确定，浆液类型包括水泥单浆、水泥-粉煤灰混合浆、粉煤灰浆和双液浆等，初始浓度一般为3∶1～0.5∶1，单位吸水率与浆液初始浓度见表1。

表1 单位吸水率与浆液初始浓度

通过对比分析、工业试验和地面探查钻孔检验等手段，确定了新集二矿地面探查注浆扩散半径为39.0～52.4m。

3.2 地面定向近水平钻进工程施工

3.2.1 工程概况

新集二矿位于淮南煤田南缘老人仓断层北侧，采用走向长壁综合机械化采煤方法，一次采全高，全部垮落法管理顶板。目前主采1号煤(底层煤)，规划的2201和2301采区受区域阜凤推覆构造影响，三维地震勘探技术无法查明隐伏裂隙、断层和陷落柱等垂向导水通道，直接威胁2201和2301待采区的安全掘进和回采。

3.2.2 施工流程

图3 新集二矿2201和2301采区钻孔轨迹

灰岩段钻进遇漏失时，漏失量达5m3/h时进行注浆，过漏失段10m后起钻，注浆之前进行压水试验，根据压水试验结果计算注浆段单位吸水量，然后根据表1中的对应关系确定浆液配比关系，达到静水压力的1.5～2.0倍作为注浆结束的标准。

4 区域治理效果验证及评价

4.1 井上水文观测孔水位实时监测

图4 注浆前后水0101长观孔奥灰水位变化曲线

4.2 井下物探、钻探验证

巷道和工作面在准备进行掘进和回采前，采用瞬变电磁方法进行探查，探查太原组灰岩富水异常区及垂向隐伏导水通道，进行注浆封堵效果的验证。220106工作面回采前在风巷和机巷分别进行了瞬变电磁探测，得到了220106工作面垂直底板方向视电阻率剖面图，如图5所示。220106工作面风巷剖面探测结果表明视电阻率值相对均匀，说明其底板岩体相对完整；220106工作面机巷剖面探测结果同样表明底板岩体相对完整，工作面内不存在明显的低阻异常区。

图5 220106工作面垂直底板方向视电阻率剖面图

针对井下物探异常区、注浆量偏小但单孔涌水量较大区、注浆孔密度相对较小区、构造发育地段、初次来压及停采线附近区域，施工了井下钻孔进行验证。220106工作面共施工底板探放水钻孔17个，如图6所示。其中YZ1-1#钻孔终孔层位为6灰底板，钻孔水量为1m3/h，迅速衰减为无水；YZ3-2#钻孔终孔层位为9灰底板，钻孔水量为0.5m3/h，迅速衰减为无水；YZ6-2#钻孔终孔层位为8灰底板，钻孔水量为5m3/h，1h后迅速衰减为无水；YZ12-2#钻孔终孔层位为8灰底板，钻孔水量为3m3/h，8h后衰减为无水。其余YZ1-2#和YZ1-3#钻孔终孔层位为6灰底板，YZ4-2#、YZ4-3#、YZ4-4#和YZ6-1#钻孔终孔层位为8灰底板，YZ3-1#、YZ8-1#、YZ8-2#、YZ8-3#、YZ10-1#、YZ10-2#和YZ12-1#钻孔终孔层位为9灰底板，均为无水钻孔。

图6 220106工作面底板巷探放水钻孔

4.3 治理效果评价

经过区域探查治理施工后，利用瞬变电磁物探方法进行了巷道和工作面的物探，发现太原组灰岩含水层富水性明显变弱；在进行井下探放水工作时，终孔单孔涌水量均未大于5m3/h，注浆效果显著，解放2201、2301采区1煤和1上煤10个工作面，资源储量共计约为952.5万t。

2201采区首先施工了S1-2钻孔，然后在施工S1-1钻孔时通过岩屑录井发现岩屑中存在水泥碎块，在施工S1-4和S1-5分支钻孔时，同样发现了水泥碎块；2301采区S2-2钻孔为第一个施工的钻孔，在后施工的S2-1、S2-3和S2-4钻孔岩屑中均发现了水泥碎块。在分支钻孔定向钻进过程中，发现了水泥碎块，这充分说明了利用定向分支顺层钻进、井上水文观测孔水位实时监测和井下物探、钻探验证的方式，实现了在巨厚推覆体下运用地面定向近水平钻孔钻进技术进行奥灰水害的有效探查治理。

5 结 论

2)根据钻进过程中岩溶发育情况、单位吸水率共同确定了浆液类型及其初始浓度；通过对比分析、工业试验和地面探查钻孔检验等手段，综合确定了区内注浆扩散半径为39.0～52.4m。

3)区域治理注浆结束后，区内奥灰水位长观孔水0101钻孔水位由注浆前的-187.27m升高至-118.90m，通过巷道和工作面物探发现太原组灰岩含水层富水性变弱；在进行井下探放水工作时，发现单孔涌水量均未大于5m3/h，最终解放2201、2301采区1煤和1上煤资源储量共计约为952.5万t。