极软中厚煤层越界开采区老空水害防治技术

李 智，郑士田，石志远，王宇航

极软中厚煤层越界开采区老空水害防治技术

李 智1,2,3，郑士田2,3，石志远2,3，王宇航2,3

(1. 煤炭科学研究总院，北京 100013；2. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；3. 陕西省煤矿水害防治重点实验室，陕西 西安 710077)

小煤窑越界开采是我国煤炭行业极为普遍的现象。由于越界开采范围、积水量等条件不明，老空水严重威胁着毗邻大型煤矿的安全采掘工作。为快速准确地探查小煤窑越界开采边界并预防老空水的威胁，运用地面定向钻孔轨迹可控、定位精确的特点，提出了以极软中厚煤层精准钻进、不同岩性钻井液配比和采空区井漏预防与封堵为主的极软中厚煤层中地面顺层孔长距离钻进技术，并提出了越界开采区老空水害防治流程。以华北型煤田某煤矿Ⅲ63采区右翼为研究区，应用越界开采区老空水害防治技术体系，通过工程示范准确查明了越界开采边界与越界开采方向，为合理留设矿界防隔水煤柱提供依据。该方法的成功应用为同类矿井的老空水害防治提供了科学的技术，并且为地面顺层孔在探查越界开采边界与极软煤层抽取瓦斯等领域中的应用提供宝贵经验。

老空水害防治；地面顺层孔；极软中厚煤层；越界开采

煤炭是我国的主体能源，长久以来支持着国家经济的快速发展[1]。从20世纪80年代中期开始小煤窑在各地得到了迅猛发展，在一定阶段内加速了国民经济建设和地方经济的发展，但也带来许多隐患与危害。小煤窑普遍存在越界开采现象，造成查无可查的众多采空区，这些采空区与地下水、地表水和大气降水相互联系形成老空水，严重威胁相邻矿井的安全开采。老空水害事故具有突发性强、破坏性大、伤亡率高的特点，已经成为威胁矿井安全的最大水害类型之一，其防治技术的发展也越来越受到关注[2-3]。老空水的传统防治方法是超前疏干或留设防隔水煤柱[4]，但发生越界开采的小煤窑由于技术限制往往无法精准确定越界开采范围，使矿界防隔水煤柱的留设缺乏依据。因此，直接采用常规方法防治越界开采小煤窑老空水无法达到预期效果，必须在采掘前对越界开采边界进行彻底探查[5]，再据此合理留设防隔水煤柱来防治老空水害的发生。

钻探是目前查明越界开采边界最直接可靠的勘探技术。传统钻探方法有地面直孔探查与井下顺煤层探查[6]，地面直孔属于点状探查，必须依赖精确的地质资料，否则盲目性大，工程量大，经济性差。在地面直孔的基础上，李智等[7]提出利用地面定向钻技术穿透目标煤层，根据钻井液漏失等指标识别小煤窑是否存在越界开采现象，但这种方法只能定性说明小煤窑存在越界开采，无法准确划定越界开采边界。为此，必须采用顺目标煤层钻进的方法，探查出一条完整煤层线，为合理留设防隔水煤柱提供科学依据，进而预防越界开采区老空水害。目前，井下水平井顺煤层钻进主要应用于煤层气抽采领域，其技术与装备发展迅速[8-10]。针对井下水平井界面探查精度差、效率低等问题，陈刚等[11]通过模拟研究，为井下仪器的参数优化提供了依据；中煤科工集团西安研究院有限公司在保德煤矿更是完成了主孔3 353 m的顺煤层超长定向孔[12]。但井下钻孔必须在巷道形成后方可实施，且多在硬度较大的厚煤层中实现[13]，而松软煤层的钻进主要存在钻孔变形量大、孔壁破碎严重，煤屑运移阻力增大且易发生堆积等难题，针对以上问题形成了空气螺杆马达软煤定向成孔、空气泡沫钻进、双动力排渣钻进、悬浮液排渣钻进等井下钻探工艺[14]，并成功在淮北、淮南及贵州等地区煤矿实现井下顺松软煤层钻进[15-17]。而受越界开采区老空水害威胁的矿井，一般必须在井下采掘系统形成前就留设好矿界防隔水煤柱。地面定向钻技术目前广泛应用在底板区域治理[18-20]和查治隐伏导水通道[21-22]等煤矿防治水领域，具有施工安全、探查准确、不受井下条件限制的优势。因此，基于施工难度和成本、安全性以及探查准确性等方面考虑，采用地面顺煤层定向钻进是目前确定越界开采边界最高效可行的手段，但地面钻孔在松软中厚煤层中钻进技术仍处于探索阶段。

笔者在总结极软中厚煤层中地面顺层孔长距离钻进技术的基础上，提出极软中厚煤层中越界开采区老空水害防治技术体系，并成功应用在华北型煤田某煤矿工程实践中，以期为该煤矿毗邻越界开采区的Ⅲ63采区右翼矿界防隔水煤柱的留设提供可靠依据，进一步完善老空水害防治技术体系。

1 研究区概况

1.1 研究区地质与水文地质条件

研究区为华北型煤田某煤矿Ⅲ63采区右翼，矿井水文地质类型为极复杂，井田内的含煤地层为石炭系、二叠系，矿井内无基岩出露，均为厚层松散层覆盖。Ⅲ63采区位于井田东南部，朱暗楼向斜和戴庄背斜处，褶曲、断层较发育，地层走向变化大，倾角为6°～34°。

Ⅲ63采区主采山西组6号煤层。6号煤煤质极软，具有煤体破碎、渗透性低、瓦斯压力大的特点，经测量最小坚固性系数min=0.3，平均坚固性系数avg≤0.55，按照硬度标准定性为极软煤层[23](0.8>>0.5)；6号煤平均厚2.8 m，按照厚度标准[23]定性为中厚煤层(表1)，煤层渗透率≤0.1×10–3μm2。

表1 煤层厚度划分标准

6号煤层顶板为砂岩裂隙含水层，富水性弱，以静储量为主，突水量一般小于10 m3/h。底板下45～63 m为太原组灰岩岩溶–裂隙含水层，平均厚度为158 m，共有12层石灰岩，其中第三层灰岩、第四层灰岩富水性强，单孔涌水量100～600 m3/h，水压约为5 MPa，与奥陶系灰岩水通过垂向导水通道发生水力联系，直接威胁6号煤层的安全开采[19]。奥陶系灰岩含水层位于6号煤层下200～240 m，具有富水性强、水压高、水量大的特点，一般情况下对矿井无突水威胁，但在断层和陷落柱等垂向导水通道存在时，可能发生严重突水事故。

1.2 小煤窑越界开采概况

图1 矿井位置关系

2 极软中厚煤层中越界开采区老空水害防治技术体系

2.1 地面顺层孔长距离钻进技术

目前，地面顺层孔在石油开采、矿井底板水害治理等领域的应用已经十分成熟，但应用在极软中厚煤层中长距离顺层钻进面临以下几个问题：①在松软质地煤层中定向难度大，2～3 m厚度的煤层对于常规地面定向钻而言属于较薄的目标层；由于煤层硬度较低，复合钻进时井斜会微降，而螺杆在煤层中增斜能力差，井斜的增加达不到理论设计的效果，顺煤层段稳斜钻进的难度也就加大，跟层率难以保证；②钻进中若不能合理选择钻井液添加剂，造成钻井液配比不当，会导致井壁内外压力不平衡而发生塌孔；③当突然钻遇越界开采区时，极可能发生卡钻、埋钻等井下事故，严重影响钻进效率。因此，松软煤层中如何成孔是长距离顺煤层钻进的一个难题。本次通过总结分析钻探定向数据、钻井液配比参数以及钻遇特殊情况等，形成极软中厚煤层中地面顺层孔长距离钻进技术，具体包括以下几个方面。

2.1.1 极软中厚煤层精准钻进

首先，在钻头进入煤层后时刻记录每米钻时变化情况并根据岩屑的变化及时调整实钻轨迹。其次，在顺煤钻进过程中，由于煤层硬度小，动力钻具会产生造斜能力不足，出现设计井斜和方位与实际情况不符的现象，这时要以滑动钻进与复合钻进相结合的方式保证煤层跟层率。

当实钻方位与设计方位相符且井斜与煤层倾角一致时，在煤层中应以复合钻进为主，这是因为煤层较围岩相比，坚固性系数较小，钻进过程中钻具会沿较软的地层进行钻进，此时由于煤层厚度较薄，在其中移动工具面进行定向钻进反而会造成出层现象，应以复合钻进方式为主，充分把握这一规律可以更加有效地增加顺煤层钻进距离。此外，在煤层中钻速较快，工具面不稳定，钻进过程中要根据情况及时调整轨迹。

2.1.2 不同岩性钻井液配比

一般而言，使用常规钻井液在煤层中钻进时，由于煤层硬度小、质地较软，孔内会出现掉块、塌孔、卡钻等复杂情况；而煤层上覆多为泥岩和砂岩，所以在钻探过程中应根据岩性不同放置不同的钻井液添加剂。

黄土层造浆率比较高，钻井液中只需添加少量提高黏度的药品即可(如高黏纤维素)，且黏度应控制在20 s以内，不然容易发生黄土包裹钻头的情况，造成钻探效率低下。

砂、泥岩相对黄土层而言较稳定，但容易发生井漏和塌孔情况，钻井液中必须添加防塌润滑剂且黏度需达到30 s以上。具体配方体系可为：在100 m3的钻井液中加入膨润土2 000 kg，烧碱125 kg，铵盐250 kg，防塌降黏剂500 kg，硫化沥青200 kg，润滑剂500 kg。

煤相对砂岩和泥岩来说稳定性差，在穿越煤层时钻井液参数可以取与在砂岩中参数近似，但在顺煤钻进时，黏度需保持在40 s左右，并适当添加NaOH、重晶石、CMC、聚合物等成分，以便更好地在井眼内形成“泥饼”来保护井壁，增加井壁稳定性，防止塌孔。

2.1.3 采空区井漏预防与封堵

对于采空区井漏，应坚持预防为主的原则，尽可能避免因人为失误而引起井漏。预防主要有以下几种方法：①平衡地层压力。在同一裸眼井段中，地层存在多压力层系，并且一组地层的孔隙压力高于另一组地层的漏失压力或破裂压力，此时，为了平衡高压岩层的孔隙压力，必须使用高密度(2.5～3.0 g/cm3)钻井液钻进。②降低井筒中钻井液的动压力。在钻进过程中和完钻时，需合理调配钻井液密度，选用合适的添加剂类型，首先，黏度必须在50 s以上，且要预先添加常规堵漏剂，实现钻进压力平衡；其次，要降低钻井液的环空压耗；最后，要降低开泵、下钻和下套管过程中的激动压力。③提高地层的承压能力。地层的漏失压力主要取决于地层特性，因此，可以通过增大钻井液进入漏失层的阻力来提高地层承压能力，以到达防止井漏的目的。

若采用上述预防措施后钻孔过采空区时仍发生井漏，则需进行堵漏。①当漏失量小于15 m3/h时，可调整钻井液密度至1.3～1.6 g/cm3，添加当前钻井液体积10%的超细碳酸钙、非渗透处理剂等堵漏材料来进行细微空隙堵漏，并适当降低钻井液循环流量以降低井壁液柱压力和环空压耗，进而改变钻井液在漏失通道中的流动阻力，减少地层产生诱导裂缝的可能性，在漏失通道内建立堵塞隔墙。若采用复合型堵漏剂堵漏，由于其颗粒较大，且遇水容易膨胀，必须取出定向仪器后，采用常规钻具进行堵漏。②当漏失量大于等于15 m3/h时，则需进行注浆封堵。注浆材料选取普通硅酸盐水泥，注浆终止孔口压力为3～4 MPa，注浆过程中密度一般为1.2～1.5 t/m3。注浆初期先用1.2～1.3 t/m3低密度浆液进行试注，当孔口压力上升至注浆终压的1/2时，提高浆液密度至1.4～1.5 t/m3。当孔口压力达到设计终压后，降低注浆流量至60 L/min，并维持30 min，即可认为该回次注浆结束。

2.2 越界开采区老空水害防治流程

通过分析越界开采煤层物理性质及区域构造发育特征，确定探查目标层与探查线，在地面合适位置设计若干钻孔，应用极软中厚煤层中地面顺层孔长距离钻进技术沿目标煤层钻进，根据李智等[7]提出的钻遇越界开采区域判别准则，若在钻进过程中发生钻井液大量漏失或钻具突然放空等情况，说明仍处于越界开采范围内，对采空区进行注浆封堵，并在越界开采巷道与漏失区域之间设计钻孔，一方面对封堵效果进行验证，另一方面确定越界开采方向。接着将探查线向待采工作面方向移动至少10 m，利用地面定向钻具有区域性探查的特点[24]，设计分支孔继续探查，直至各钻孔顺煤段连接成一条完整探查线，并以此为依据留设矿界防隔水煤柱。越界开采区老空水害防治流程如图2所示。

图2 越界开采区老空水害防治流程

3 老空水害防治工程实践

3.1 越界开采边界探查设计方案

为了探查Ⅲ63采区右翼相邻小煤窑越界开采范围，首先以小煤窑疑似越界开采巷道向矿井方向推移14 m为推测越界开采巷道位置，再向矿井方向推移50 m划定为疑似越界开采边界线，为最大程度地保证防隔水煤柱的安全距离，在疑似越界开采边界线的基础上向矿井方向再推移50 m划定为设计探查线，如图1所示。

以小煤窑越界开采的6号煤层为目标层位，设计3个地面孔组(D1、D2和D3孔组)，为提高探查效率，同时施工3个孔组。D1孔组探查Ⅲ633工作面切眼外侧煤层完整性；D2孔组探查Ⅲ635工作面切眼外侧煤层完整性，开始顺煤位置与D1孔组顺煤段相交；D3孔组探查Ⅲ635与Ⅲ637工作面切眼外侧煤层完整性，其顺煤段末端与D2孔组顺煤段相交。钻孔采取三开结构，二开套段底口位于6号煤顶板上约30 m，三开为裸孔段沿目标层位钻进。钻孔设计平面如图3所示。由于目标层厚度较薄且地层起伏较小，只要各钻孔顺煤段在平面上相连则认为构成完整探查线。

图3 设计钻孔分布

3.2 越界开采情况探查与结果分析

在探查过程中运用极软中厚煤层精准钻进、不同岩性钻井液配比和采空区井漏预防与封堵技术，实现了在极软煤层中顺利成孔长距离钻进的目的。由于6号煤层属于极软中厚煤层，当钻孔方位与设计方位相符且井斜与煤层倾角一致时开始顺煤层钻进，以复合钻进为主。D1孔组与D3孔组各钻孔顺煤情况见表2，从表2可以看出除D1-2孔外其余钻孔顺煤段中复合式钻进进尺1占比远大于定向钻进进尺2，D1与D3孔组复合段进尺占比达到74%和75%。

根据不同岩性钻井液配比技术，在D1孔组一开段为防止发生松散层黄土包裹钻头的情况，在钻井液中加入50 kg高黏纤维素将黏度控制在20 s。在二开砂岩、泥岩井段为防止井漏和塌孔，加入硫化沥青200 kg，350 m遇到5号煤采空区，漏失量为12 m3/h，加入125 kg烧碱和200 kg常规堵漏剂，当钻进至520 m时漏失量减小至10 m3/h，钻井液中加入50 kg防塌剂，顺利钻进至540 m，位于6号煤顶板上30 m，下入二开套管。在三开段煤层中，每60 m3钻井液添加100 kg NaOH、250 kg重晶石、250 kg CMC等添加剂，黏度稳定在40 s左右，以便增加井壁稳定性，防止塌孔。

不同井段钻井液参数见表3。

表2 钻孔顺层段定向与复合井段对比

表3 不同井段钻井液参数

在顺煤钻探过程中D1-2孔、D3-1孔和D2-1孔均发生漏失现象，漏失位置如图4所示。其中，D3-1孔在988 m时发生钻井液漏失，钻进至990 m时漏失量大于50 m3/h。D2-1孔以D3-1孔漏失点为目标靶点，钻进至752 m发生约6 m3/h的漏失，顶漏钻进至755 m漏失量增大到40 m3/h，据此可以确定漏失点附近仍属于越界开采区域；D1-2孔从井深599 m处揭露6号煤层，当顺煤层钻进至881 m时发生钻井液突然失返，与D3-1孔漏失点平面距离28 m，分析确定该漏失点与D2-1孔和D3-1孔漏失区域同属于越界开采范围。根据2.2节提出的越界开采区老空水害防治流程对钻遇采空区进行注浆封堵，注浆开始时孔口压力为零，使用密度1.3 t/m3浆液进行注浆，经过3 h孔口压力上升至2 MPa时，提高浆液密度至1.5 t/m3。又经过3 h孔口压力达到终压4 MPa，降低注浆流量至60 L/min，并维持30 min，该回次注浆结束。然后施工D2-2孔验证封堵效果并判断越界开采方向。

图4 钻孔轨迹及漏失点分布

D2-2孔从井深625 m处揭露6号煤层，在638 m开始出现水泥，705～725 m水泥体积分数约95%，含少量煤屑，钻进过程未出现漏失现象。表明从705 m左右开始为6号煤层采空区，所遇水泥为之前对6号煤层采空区的注浆封堵物。根据D2-1、D1-2、D3-1钻孔的漏失情况以及D2-2孔岩屑录井可以确定：①D2-1、D1-2孔对采空区填充效果较好；②小煤窑越界开采范围在越界巷道的基础上又至少向矿井方向延伸了150 m。

在确定越界开采情况的基础上将探查线向Ⅲ63采区方向移动15 m，再施工分支孔对6号煤层进行探查，其中D1-1孔、D1-3孔、D1-3-1孔、D3-1与D3-2孔共顺煤钻进992 m，各钻孔具体顺煤情况见表4。

3.3 完整探查线的确定

D1-1孔、D1-3孔、D1-3-1孔、D3-2孔、D3-1孔连续顺6号煤层钻进，轨迹相交或压茬，有效顺煤段均无钻井液漏失且煤层岩屑正常，形成完整的6号煤层探查线，如图5所示，各钻孔设计与实钻的方位和井斜对比数据见表4。可以看出各顺煤段实钻方位与设计方位的误差在1°左右，而定向仪器方位测量的系统误差为±1°。实钻井斜与煤层倾角的误差基本为2°以内，但考虑到煤层倾角是根据矿井范围内的钻孔资料推测，探查区域上没有实际揭露数据，所以煤层倾角数据不够准确；6号煤层均厚为2.8 m，各钻孔顺煤段揭露的岩屑均为6号煤，且定向仪器井斜测量也存在系统误差。根据以上分析可以得出，极软中厚煤层中地面顺层孔长距离钻进技术的应用能够精确地达到设计目标，成功实现了地面定向钻在极软中厚煤层中长距离顺层钻进并确定了小煤窑越界开采边界。

表4 钻孔顺煤层钻进数据统计

图5 完整探查线与防隔水煤柱边界

3.4 防隔水煤柱的留设

留设防隔水煤(岩)柱是防止各种条件下突水事故发生的重要手段，对矿井安全采掘工作具有重要的意义[25-26]。根据《煤矿防治水细则》附录六之二的要求[21]，防隔水煤(岩)柱的宽度按如下公式留设：

式中：为煤柱留设的宽度，m；为安全系数，一般取2～5；为煤层厚度或采高，m；为水头压力，MPa；p为煤的抗拉强度，MPa。

为确保矿井安全生产，提高煤柱留设安全级别，值选择最大值5，煤层厚度选择最大值2.8 m，小煤窑井口高程+34.6 m，Ⅲ63采区相邻点的6号煤层最低点煤层高程–520 m，以小煤窑充满水且水位升至井口高程的极限情况下计算水头压力为5.546 MPa。根据抗拉强度原位测定结果，6号煤的p值选择最小值0.28 MPa。

根据各参数选择情况，代入式(1)计算得出=54.0 m，以图5中完整6号煤层探查线为边界，向采区方向留设防隔水煤柱。煤柱边界与工作面切眼位置如图5所示。目前，在合理留设防隔水煤柱的基础上Ⅲ633工作面已完成安全回采。

4 结论

a. 针对我国老空水危害提出以复合钻进为主，滑动钻进与复合钻进相结合的极软中厚煤层精准钻进技术；根据不同层位稳定性和岩性的差异选择不同岩性钻井液配比技术；采用添加高密度钻井液、常规堵漏剂和注浆封堵等方法为主的采空区井漏预防与封堵技术，综合形成极软中厚煤层中地面顺层孔长距离钻进技术。

b.结合地面定向钻技术施工效率高、安全性强、探查范围广的优势，从目标层位与探查线的确定到地面顺层孔探查方案的确定，再到探查过程中揭露采空区的处理方法，直至形成目的煤层完整探查线，最后据此留设防隔水煤柱，形成了完整的越界开采区老空水害防治流程，进一步完善了老空水害防治技术体系。

c.以华北型煤田某煤矿为研究对象，其6号煤层存在小煤窑越界开采现象，实施3组地面顺层钻孔对越界开采边界进行了探查，根据钻井液漏失确定了越界开采范围，运用极软中厚煤层长距离顺层钻进技术并结合实际岩屑情况验证，顺6号煤层共钻进992 m，快速准确地形成了完整6号煤层探查线，并以此留设防隔水煤柱。目前Ⅲ633工作面已安全回采，证明本文提出的技术方法效果可靠性较高。

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Prevention and control technology of goaf water hazard in unauthorized mining areas of extremely soft and medium-thick coal seams

LI Zhi1,2,3, ZHENG Shitian2,3, SHI Zhiyuan2,3, WANG Yuhang2,3

(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 3. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China)

Unauthorized mining in coal pit is common in China’s coal industry. As the scope of unauthorized mining and the amount of accumulated water are hard to determine, the goaf water seriously threatens the safety of mining in adjacent large coal mines. In order to explore the unauthorized boundary of coalpits quickly and accurately and prevent the threat of goaf water, the long distance drilling technology of ground bedding borehole in medium and thick coal seam is proposed based on the controllable trajectory and accurate positioning of ground directional drilling, which mainly includes precise drilling in extremely soft and medium-thick coal seam, drilling fluid ratio of different lithology, prevention and plugging of lost circulation in goaf. In addition, the prevention and control process of water disaster in the goaf of the unauthorized mining area is put forward. Taking the right side of Ⅲ63 mining area of a coal mine in North China coalfield as the research area, adopting the goaf water disaster prevention technology system in the unauthorized mining area, the unauthorized mining boundary and direction are accurately identified through engineering demonstration, which provides a basis for reasonably retaining the waterproof coal pillar in the mine boundary. The successful application of the method provides a scientific technique for the prevention and control of goaf water disaster in similar mines, and provides valuable experience for the ground bedding borehole in the field of detecting the unauthorized mining boundary and gas extraction from extremely soft coal seam.

prevention and control of goaf water hazards; ground bedding borehole; extremely soft medium-thick coal seam;unauthorized mining

语音讲解

TD745

A

1001-1986(2021)06-0167-08

2021-05-08；

2021-09-20

国家重点研发计划课题(2017YFC0804102)

李智，1992年生，男，陕西西安人，博士研究生，助理研究员，从事矿井防治水与注浆工程方面的研究. E-mail：lizhi@cctegxian.com

李智，郑士田，石志远，等. 极软中厚煤层越界开采区老空水害防治技术[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(6)：167–174. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.020

LI Zhi，ZHENG Shitian，SHI Zhiyuan，et al. Prevention and control technology of goaf water hazard in unauthorized mining areas of extremely soft and medium-thick coal seams[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：167–174. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.020

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(责任编辑 周建军)