煤层底板导水通道钻孔超前探查与多元信息识别技术

2023-08-29董书宁郑士田郭小铭王宇航

煤炭科学技术 2023年7期

董书宁，李智，郑士田，郭小铭，王宇航

（1.煤炭科学研究总院, 北京 100013；2.中煤科工西安研究院(集团)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）

0 引言

煤炭作为我国的主体能源，在社会经济发展中具有举足轻重的作用。经过几十年来的持续开发，我国中东部地区浅部煤炭资源逐步枯竭，已经进入了下组煤开采阶段[1]，且采掘深度以8～12 m/a 的速度延伸[2]，下组煤开采过程中受到煤层底板灰岩含水层的突水威胁不断加大[3-4]。据统计华北地区20%的煤炭资源受底板岩溶水的威胁，部分老矿区受底板突水威胁的煤炭资源甚至高达50%～85%[5-6]。煤层底板广泛发育有岩溶裂隙带、断层和陷落柱等导水通道[7-9]，随着矿井开采深度和开采规模的不断加大，开采过程中煤层底板处于“三高一扰动”的复杂应力环境[10]，陷落柱、断层或岩溶裂隙带等导水通道在釆动影响下，极易与下伏奥灰强富水充水含水层连通，发生严重突水淹井事故，甚至造成人员伤亡[11-12]。

导水通道导致的突水具有隐蔽性、突发性和破坏性强的特点[13]，围绕煤层底板突水机理与导水通道探查治理，相关学者做了大量的研究[14-17]。董书宁等[18]综合考虑华北型煤田煤层埋深、底板承受水压与底板岩层结构组合等判识指标，确定了底板水害治理模式的选择准则。赵庆彪[19]在对邯邢矿区下组煤开采受奥灰水威胁的基础上，指出隐伏构造的隐蔽性和难以探知性是导致底板突水的根本原因，提出通过近水平钻孔探查隐伏构造，并根据浆液的漏失量判断隐伏构造的位置，但并没有总结出定向钻进探查导水通道需遵循的原则。赵家巍等[20]从开釆扰动、隐伏构造、承压水作用角度分析，根据典型突水矿井地质条件及突水原因分析，建立了含隐伏导水通道的概化力学模型，进而推导出煤层底板渗流路径的扩展规律。董书宁等[21]从宏观上构建煤层底板水害超前区域治理理论框架与技术体系，针对隐伏导水通道提出了判识指标和判识方法，但未对各定性指标钻遇不同导水通道时的变化进行详细描述，没有进一步利用定量指标的变化提出导水通道导水性大小的分级体系。郑士田[22]在潘集二矿导水通道重大突水事故中利用地面定向钻进技术对突水点快速探查，准确查明了陷落柱形态并成功封堵导水通道。王进尚等[23]以递进导升及断裂力学原理为基础，建立了断层递进导升简化断裂力学模型，得出底板隐伏断层在采动影响下，随着工作面的不断推进，当导升高度达到底板破坏区的最小安全距离时会发生突水。顾大钊等[24]指出，为了实现对矿井水源、水量、通道等水文地质信息的准确勘探和预测，有必要研究地下水赋存的准确探测技术。此外，物探方法也被广泛应用在导水通道的探查[25-26]，但主要以探查大型导水通道为主，中小型垂向导水通道的识别精度仍不够高。总的来说，以上工作尚没有提出系统详细的导水通道类型识别体系，也未形成能够表征通道导水性大小的分级体系。

通过分析导水通道的特征与地面区域探查技术的优点，提出了导水通道精准探查的原则。分析探查工程中岩屑、钻时、钻井液漏失量和压水试验透水率等指标，形成系统的导水通道类型分类体系和导水性分级体系，为快速准确识别导水通道提供了科学依据，进而为煤层底板水害的治理提供指导。

1 导水通道探查设计原则

煤层底板导水通道主要有以下特征[27-29]：①通道类型多样，有岩溶裂隙型、断层型、陷落柱型及复合型导水通道；②褶曲轴部、岩溶发育区域以及大型断层附近有利于导水通道的发育；③一般位置不明，常规物探手段难以准确探查；④底板导水通道所引发的突水具有突发性、水量大、危害性强的特点。

由于煤层底板导水通道的以上特点，对其探查方法要具有针对性和适用性，目前地面定向钻进是快速准确探查导水通道最常用的手段。可以利用多分支水平孔技术面状超前探查区域导水通道，再根据导水通道类型与导水性的不同采取对应的注浆治理工艺将其改造为隔水层段，以满足煤矿安全开采需求[30]，导水通道探查设计应服从以下原则：

1）轨迹合理。在设计时应避开采空区及井下巷道，避免影响对导水通道的判断。各钻孔设计方位应尽可能与裂隙的优势发育方向斜交。

2）目标层合理。在物探基础上，探查目标层应选择在导水通道最发育的含水层，层厚6～10 m 为宜且经过治理后能够满足突水系数的要求。

3）探查区域最大化。定向孔应设计多级分支对区域内的导水通道进行全面探查，钻孔间距不大于浆液扩散半径的2 倍，既满足探查精度又保证治理效果。

2 导水通道多元信息判识

结合地面定向钻进技术的特点，在探查导水通道过程中揭露地层起伏或构造时，岩屑、钻时、钻井液漏失量等直观指标和压水试验透水率、注浆参数等验证性指标均与正常地层条件下有显著差异。结合淮北矿区、淮南矿区、邢台矿区、黄河北煤田等工程实践与理论分析[8,18,31-32]，将多源信息判识指标分为定性和定量2 大类，据此对导水通道进行分类，对导水性进行分级，为准确识别各类导水通道提供科学依据。

2.1 导水通道定性判识指标

2.1.1 岩屑指标

1）岩屑变化标准曲线如图1 所示，在煤层底板灰岩含水层顺层钻进过程中，若岩屑在进尺超过5 m 范围，灰岩占比逐渐变化为其他岩性（泥岩、砂岩等），不调整轨迹继续钻进后又恢复灰岩岩性，说明揭露岩溶裂隙带或地层存在微小起伏，定义该类型为“岩屑−Ⅰ”型。

图1 岩屑指标标准曲线Fig.1 Rock debris standard curve

2）在煤层底板灰岩含水层顺层钻进过程中，若岩屑在进尺5 m 范围以内从灰岩突变为其他岩性，通过调整钻孔轨迹后岩性中灰岩占比又恢复为100%，且孔内无明显异响声，表明揭露的是断层构造，定义该类型为“岩屑−Ⅱ”型。

3）在煤层底板灰岩含水层顺层钻进过程中，若岩屑从灰岩占比由100%突变为泥岩、砂质泥岩、煤等混杂岩性，甚至出现黄铁矿、方解石等煤层伴生物质或钻井液失返，无法获得岩屑，同时孔内有明显异响声，表明揭露陷落柱，定义该类型为“岩屑−Ⅲ”型。

2.1.2 钻时指标

由于不同岩石的硬度具有差异性，用单位长度岩层所用的钻进时间可判别岩性的变化[33]。我国华北型煤田煤系地层主要有泥岩、砂岩、灰岩和煤层。一般而言，煤层底板常见的岩层中，泥岩硬度低，砂岩中等，灰岩最高，因此单位长度钻进泥岩钻时短、砂岩次之，而灰岩钻时最长。钻时变化标准曲线如图2 所示。

图2 钻时指标标准曲线Fig.2 Drilling time standard curve

1）与岩屑录井较为类似，在地层起伏条件下岩性发生渐变，因此由灰岩地层到其他地层过渡时，钻时录井表现为钻时逐渐减小，调整钻孔轨迹后钻时快速恢复，钻时变化范围不大于2 min/m，以此趋势单次或反复出现，定义该类型为“钻时−Ⅰ”型。

2）若钻时迅速减小但钻具并未放空（钻具放空时钻时为0），持续钻进后钻时仍未有明显增加，调整钻探轨迹后钻时缓慢恢复原速率，钻时变化范围大于2 min/m，定义该类型为“钻时−Ⅱ”型。

3）若钻时突然减小为0，说明钻具在该处放空，该类型为“钻时−Ⅲ”型。

钻时与岩屑的变化可以直观地定性判识揭露通道的类型，但对于不同通道导水性的分级需要定量指标进行判识。

2.2 导水通道定量判识指标

2.2.1 钻井液漏失量

探查过程中揭露不同发育程度导水通道时钻井液消耗量具有明显差别，如揭露陷落柱往往会发生钻井液全部漏失现象[18]。因此，钻井液漏失量可以作为通道导水性判识的重要指标，揭露导水通道后若钻井液漏失量≤30 m3/h，表明揭露的导水通道空间有限，发育范围较小，该通道导水性定义为“漏失−Ⅰ”型，如图3 中①与④区域；若钻井液漏失量>30 m3/h，甚至钻井液失返，表明揭露的导水通道较“漏失−Ⅰ”型空间大，发育范围大，导水性好，该通道导水性定义为“漏失−Ⅱ”型，如图3 中②与③区域。

图3 漏失量与透水率类型分区Fig.3 Zone of leakage and permeability types

2.2.2 压水试验透水率

钻孔压水试验是将清水压入钻孔试验段，根据一定时间内压入的水量和施加压力大小的关系，测定岩体相对透水性的试验。通过压水试验可以测定并评价岩体透水性能，从而分析岩体完整性和发育程度，反映揭露导水通道的导水情况[34]。压水试验的结果用透水率的大小反映。

在揭露导水通道后进行压水试验，若压水试验获得的透水率≤10 Lu，说明通道连通性差，通道导水性定义为“透水−Ⅰ”型，如图3 中①与②区域；若压水试验获得的透水率>10 Lu，或压水压力为0，表明揭露的导水通道较“透水−Ⅰ”型通道连通性强，导水能力好，通道导水性定义为“透水−Ⅱ”型，如图3 中③与④区域。

2.3 导水通道分类体系

根据导水通道类型和导水性对其进行科学分类是指导煤层底板水害治理的重要前提条件。前文总结出岩屑、钻时、钻井液漏失量和压水试验透水率4个主要判识指标，其中岩屑和钻时用于定性判识导水通道的类型，钻井液漏失量和透水率用于定量确定导水通道的导水性。

1）导水通道类型分类体系。结合2.1 节中岩屑和钻时指标提出目标含水层中通道类型的分类体系，见表1。2）导水性分级体系。钻井液漏失量和透水率指标可以定量的对导水通道导水性进行分类，进而指导导水通道的治理。根据我国现阶段主要底板水害治理区揭露导水通道时以上指标的情况[12,20]，提出钻井液漏失量30 m3/h，压水试验透水率10 Lu 作为导水性分级的界限。据此对导水通道的导水性能建立双因素综合分级体系，见表2。

表1 导水通道类型分类体系Table 1 Classification system of water-conducting channel types

表2 导水通道导水性分级体系Table 2 Classification of hydraulic conductivity of waterconducting channel

一级导水性：漏失量≤30 m3/h，透水率≤10 Lu。表现为钻井液漏失量小或无消耗，压水压力在短时间内上升，说明通道发育空间有限，通道间连通性差，导水性弱，不需要专门进行注浆加固。

二级导水性：漏失量≤30 m3/h，透水率>10 Lu。表现为钻井液漏失量小，压水试验时水压上升缓慢，说明通道发育空间有限，但通道间连通性好，导水性一般，注浆加固过程中注浆材料选择水泥、粉煤灰等常规材料即可。

三级导水性：漏失量>30 m3/h，透水率≤10 Lu。表现为钻井液漏失量大，压水压力在短时间内上升，说明通道发育空间大，但通道间连通性差，导水性一般，注浆加固过程中注浆材料选择水泥、粉煤灰等常规材料即可。

四级导水性：漏失量>30 m3/h，透水率>10 Lu。表现为钻井液漏失量大或失返，压水试验水压上升缓慢，说明通道发育空间大，且通道间连通性好，导水性强，注浆加固过程中注浆材料除水泥、粉煤灰等常规材料，还应加入粗砂等骨料，对导水通道进行快速封堵。

3 工程示例

3.1 工程背景

华北型煤田某典型煤矿位于安徽省淮北市，东部有较大的复背斜，中部为复向斜，井田构造较为复杂。主采山西组6 号煤层，煤层回采受到底板太原组薄层灰岩含水层和奥陶系灰岩含水层威胁。煤层底板共发育12 层太原组薄层灰岩（L1～L12），平均厚度1.32～12.17 m，岩溶发育程度差异极大，Ⅲ631 工作面曾发生过陷落柱突水，经物探解析区内发育多条断层并存在底板低阻异常区，底板导水通道的存在严重威胁着矿井的安全生产。

3.2 导水通道探查概况

结合第1 节导水通道探查原则，利用地面定向钻进技术针对Ⅲ63 采区部分工作面进行导水通道探查。D1、D2、D3 孔组实钻轨迹如图4 所示。D4 孔组实钻轨迹如图5 所示。

图4 D1、D2、D3 孔组探查轨迹平面Fig.4 Detection track of D1、D2、D3 hole groups

图5 D4 孔组探查轨迹平面Fig.5 Detection track of D4 hole groups

3.3 导水通道识别与分类

3.3.1 导水断层

在D1 孔组和D2 孔组的探查过程中，根据判识标准识别出了导水断层4 条，与采掘过程中实揭的断层SF1～SF4 位置基本一致，位置如图4 所示。

以D1 主孔为例进行分析。岩屑指标方面：D1主孔于井深739 m 开始沿L3灰岩含水层钻进，灰岩含量100%，自1 020 m 岩屑由灰白色灰岩突变为灰黑色灰岩且夹杂泥岩颗粒，1 022 m 岩屑完全变为泥岩，调整钻孔轨迹，1 058 m 岩性恢复为灰白色灰岩。岩性变化期间没有发生异响。岩屑变化过程与图1中岩屑-Ⅱ型标准曲线基本一致，据此判定1 020 m附近存在断层。

钻时指标方面：如图6 所示，D1 主孔在从739 m进入太原组灰岩后正常钻时为6～8 min/m，钻进至1 020 m 钻时突然加快到2～4 min/m，1 058 m 钻时恢复到6～8 min/m，钻时变化期间没有发生钻具突然放空的现象，且钻时变化范围大于2 min/m，继续钻进，1 058～1 190 m 钻时为6～8 min/m，期间也没有发生钻具突然放空的现象。钻时变化趋势与图2中钻时−Ⅱ型标准曲线基本一致。

图6 D1 主孔岩屑与钻时变化Fig.6 Variation of rock debris and drilling time of D1 hole

根据以上分析，D1 主孔岩屑和钻时变化类型为岩屑−Ⅱ型和钻时−Ⅱ型，结合表1 定性识别出1 020 m附近存在小型断层。

根据2.2 节的判识指标，D1 主孔在1 020 m 附近钻探过程中钻井液漏失量为2 m3/h，属于“漏失−Ⅰ”型；压水试验透水率为7.39 Lu，属于“透水−Ⅰ”型。根据表2 确定出该处断层导水性为一级，是发育空间有限，通道间连通性差的小型断层，不需要专门进行注浆加固。继续钻进至终孔1 190 m 岩性为纯灰岩，未发生漏失。

3.3.2 导水岩溶裂隙带

在D2 孔组和D3 孔组的探查过程中，根据判识标准识别出了导水裂隙发育带2 处（图4）。

以D3-2 孔为例进行分析。岩屑指标方面：D3-2孔自孔深600 m 处沿L3灰岩含水层钻进，灰岩含量100%，从860 m 开始灰岩比例逐渐下降，到1 008 m岩屑完全变为泥岩，在1 026 m 岩屑中灰岩含量增加至20%，至1 060 m 恢复为纯灰岩。岩性变化期间没有发生异响，继续钻进至终孔1 200 m 仍为灰岩岩性。岩屑变化过程如图7 所示，与图1 中岩屑−Ⅱ型标准曲线基本一致，判定1 008 m 附近揭露岩溶裂隙带。

图7 D3-2 孔岩屑与钻时变化Fig.7 Variation of rock debris and drilling time of D3-2

钻时指标方面：如图7 所示，D3-2 孔从600 m 进入太原组灰岩正常钻时为6～8 min/m，钻进至1 008 m钻时突然加快到3 min/m，1 008～1 060 m 钻时2～4 min/m，调整轨迹后1 061 m 钻时恢复为6～8 min/m，钻时变化范围大于2 min/m，钻时变化期间没有发生钻具突然放空的现象。钻时变化趋势与钻时−Ⅰ型判识标准基本一致。钻时变化趋势与图2 中钻时−Ⅱ型判识标准基本一致。继续钻进至终孔1 200 m，钻时为6～8 min/m，期间也没有发生钻具突然放空的现象。

根据以上分析，D3-2 孔岩屑和钻时变化类型为岩屑−Ⅰ型和钻时−Ⅱ型，结合表1 定性识别出1 008～1 026 m 范围存在岩溶裂隙带。结合D3 孔组其他钻孔情况，判识D3 孔组末端存在岩溶裂隙发育带。

根据2.2 节的判识指标，D3-2 孔在1 008 m 附近钻探过程中钻井液未发生明显漏失，为“漏失−Ⅰ”型；进行压水试验，透水率为0.355 Lu，为“透水−Ⅰ”型。根据表2 识别出该处通道导水性为一级，是发育空间有限，通道间连通性差的岩溶裂隙发育带，不需要专门进行注浆加固。继续钻进至终孔1 200 m 岩性为纯灰岩，未发生漏失。

3.3.3 导水陷落柱

某工作面回采至135 m 时发生底板出水，水呈浑浊状，稳定水量约170 m3/h，推测工作面发育有隐伏导水通道。在D4 孔组探查过程中，根据判识标准识别出1 个导水陷落柱，位置如图5 所示。

D4-1 孔自孔深680 m 处沿L3灰岩含水层钻进，灰岩含量100%，正常钻时7 min/m 左右，钻进至765 m钻井液发生大量漏失，漏失量大于50 m3/h，岩屑颗粒大小不一，岩性杂乱。钻进至779 m 钻井液失返，无法获取岩屑。孔内发生“噼啪”声异响，继续顶漏钻进至788 m 钻井液仍失返并发生塌孔卡钻现象，起钻准备注浆。779～788 m 钻时加快至2 min/m，未出现钻具放空现象。D4-1 孔岩屑变化符合岩屑−Ⅲ型标准曲线，钻时变化趋势与图2 中钻时−Ⅱ型判识标准基本一致。判定779～788 m 进入陷落柱边缘裂隙带。

根据以上分析，D4-1 孔岩屑和钻时变化类型为岩屑−Ⅲ型和钻时−Ⅱ型，结合表1 定性识别出779～788 m 范围存在半胶结陷落柱。D4 孔组其他钻孔对疑似陷落柱位置继续进行探查，在附近位置同样发生钻井液全漏与钻时突然加快的现象。

根据2.2 节的判识指标，D4-1 孔在779～788 m钻井液发生失返，为“漏失−Ⅱ”型；进行压水试验，压力为0，为“透水−Ⅱ”型。根据表2 识别出该处通道导水性为四级，是发育空间大，通道导水性强的陷落柱。治理过程中注浆材料除水泥外，还应选用骨料对其进行封堵。