井下近水平定向钻进技术在煤矿奥灰水害防治中的应用

毛怀勇，王 正，刘凯祥，邹 宏，贺晓浪，苏 文，冯 洁

（1.山西中煤担水沟煤业有限公司，山西朔州 036000；2.中煤能源研究院有限责任公司水文地质研究所，陕西西安 710054）

0 引言

平朔矿区煤系基底多为奥陶系灰岩含水层，随着矿区下组煤层的开采和断层、褶皱、陷落柱等构造因素的叠加影响，多数矿井不同程度地受到底板岩溶水带压开采威胁［1-4］。长期以来，各矿井多是利用传统回转探查治理工艺对已圈定好的工作面底板岩层进行注浆加固改造来消除这一水害威胁［5-6］，但传统探查治理工艺面临的施工安全风险大、钻孔利用率低、采掘接替矛盾突出等问题日益凸显［7-8］。井下近水平定向钻进技术，以其钻孔深度大、顺目标层钻进、一孔多分支等优势，逐渐成为矿井水害高效治理的新手段［9-10］。该技术最早多应用于煤矿瓦斯抽采治理等方面［11-12］，后凭借其独特的优势，逐渐拓展应用到老空水长距离探放、构造探查、水害防治等方面［13-14］。相关学者对其钻屑粒度分布特征规律开展了相关研究，其结果对岩屑清除工艺与钻进设备的选型具有一定参考价值［15］；另外，随着钻进机械水平的不断发展，钻进深度已从早期的百米级跨越至现在的千米级，且钻孔深度记录仍在不断突破［16-17］。目前，井下近水平定向钻进技术已在多个矿区矿井水害防治方面得到应用，并取得较好的安全与经济效益，但针对平朔矿区下组煤开采水文地质特征条件，尚未开展过相关应用研究。

担水沟煤矿位于平朔矿区南部，矿井9204工作面底板奥灰水带压开采压力约3.06MPa，受面内大型断层构造带影响，回采面临着严峻的奥灰水害风险。通过在距离煤层底板约37.9m 的K1 灰岩层中施工长距离近水平定向钻孔，对断裂构造带进行含（导）水性探查，并进行大范围超前治理，在消除了工作面水害威胁的同时，探索研究出适合本区构造探查控制与工程治理模式，对促进矿区水害风险防控技术水平提高具有重要的现实意义。

1 矿井地质及水文地质条件

1.1 地质条件

矿井地表多被黄土覆盖，沟谷地段有基岩出露。地层由老到新依次为奥陶系上马家沟组，石炭系本溪组、太原组，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组，新近系保德组及第四系。井田总体为一轴线呈NNW－SE 展布的宽缓向斜构造，地层倾角3°～14°，南翼较北翼地层稍陡。矿井内断层较发育。

1.2 水文地质条件

矿井现阶段开采太原组9#煤层，煤层顶部充水水源主要为太原组、山西组砂岩裂隙含水层水，含水层富水性弱、补给条件差，以静储量为主。受煤层埋深、奥灰水位、断裂构造等因素影响，煤层底部奥灰含水层给开采带来了一定程度的水害威胁。奥灰含水层岩溶裂隙发育极不均一，整体富水性较强，水源补给充沛。

2 探查治理背景

担水沟煤矿9204 工作面位于整个井田范围内9#煤层埋藏最深处。该层煤底部与奥灰含水层顶界面距离约56.9m，煤层底板标高+783～+824.7m，奥灰水位标高+1 053～+1 053.8m，带压开采压力为2.96～3.06MPa。工作面走向长810m、倾斜长185m，煤厚平均12.13m，煤层整体趋势表现为南北低中部高，地层倾角约为3°。根据工作面直流电法、音频电穿透视和槽波勘探探测成果，同时结合轨道顺槽、运输顺槽实际揭露断层情况，可知F29、F30和F50断层带在工作面内具体发育位置及其产状。其中，F29、F50断层倾向北，在工作面内落差为1.4～2.2m，对回采影响较小；F30断层倾向南，在轨道顺槽一侧落差为16m，胶带顺槽一侧落差4.6m。F30与F50在工作面内部形成了局部“V”字形地堑结构，且从轨道巷一侧向胶带巷一侧逐渐变缓。此外，F30断层在上覆4#煤层工作面中也有揭露，各断层平面位置如图1所示。

图1 工作面断层位置示意Figure 1 Schematic diagram of fault location in the working face

目前9204 工作面巷道内直接充水水源主要来自于煤层顶底板砂岩裂隙含水层水，总涌水量约5m3/h，对工作面安全回采影响较小。煤层底板奥陶系灰岩含水层水源充沛、水压大、水量分布极不均匀，由于工作面内已探明断层带含（导）水性尚未彻底查清，且不能完全排除工作面回采过程中受底板破坏带深度发育影响，从而造成断层活化引发突水的可能，着眼周边矿井已探查出奥灰含水层通过断层引发突水的实际情况考虑，应采取相应的探查治理措施，以消除奥灰含水层给工作面安全回采带来的严重水害威胁。

3 技术应用

3.1 治理重点与方法的选择

矿井9204 工作面底板奥灰水压力约3MPa。按照《煤矿防治水细则》附录五中的公式进行计算［18］，工作面内最大突水系数为0.059MPa/m，基本等同于临界值，因此该探查治理的重点应为断层破碎带发育区及其内部潜在的垂向含（导）水通道。

综合工作面埋深、治理范围面积、井上下施工条件、探查治理效率和经济效益等因素考虑，认为通过采用井下近水平定向钻进技术来完成此次探查治理任务应为最佳选择。

3.2 治理层位选择

探查治理层位的选择是钻探与注浆工程施工的先决条件［19-20］。研究区煤层底板以太原组和本溪组薄层灰岩、泥岩、砂岩互层结构为主，基底为巨厚奥陶系灰岩，由于泥岩钻孔施工难度高，钻井液扩散范围小，地层可对比性较差，所以超前区域治理钻孔施工层位需选择在本溪组薄层灰岩（K1 灰岩）或奥陶系厚层灰岩顶部，以利用钻孔注浆实现地层改造。

K1灰岩顶底板均为泥岩隔水地层，注浆时属于全封闭顶底有界结构，浆液在顶底界内顺层扩散，注浆效果好，注浆量可控，可同时兼顾构造探测和超前治理双重任务［21-22］。另外，薄层灰岩至煤层底板的距离超过了回采后底板破坏带深度，且剩余有效地层厚度大于所需安全隔水层厚度，因而本溪组K1灰岩层可作为理想的探查和注浆治理层位。

3.3 工程设计与注浆工艺

1）工程设计。围绕9204 工作面F29、F30、F50断层带含（导）水性探查与治理这一主要任务，探查治理区覆盖了工作面断层带及其外围40m 范围，各分支孔间距按照40m布置，平面轨迹如图2所示。

图2 定向钻孔平面轨迹设计示意Figure 2 Schematic diagram of directional drilling plane trajectory design

以D2-2′分支钻孔设计为例，开孔采用二开结构，一开直孔段，孔深22m、孔径Φ146mm，下入Φ127mm 孔口管20m 后固管、候凝，并进行耐压试验，之后按照Φ94mm 裸孔钻进至终孔，钻进过程中以本溪组K1 灰岩作为标志层和追踪层，D2 主孔造斜段长约100m、最大垂深为40m，在停采线前进入目标地层，剖面轨迹如图3所示。

图3 设计钻孔剖面（以D2-2′为例）Figure 3 Design drilling profile（taking D2-2′as an example）

2）注浆工艺。注浆采用单液浆（水泥）与双液浆（水泥+水玻璃）相结合的方式，水泥单液浆水灰比为3∶1～0.8∶1，双液浆中水玻璃加入量为10～30L/m3。注浆压力应达到受注段静水压力的1.5倍，考虑到压力损失以及注浆后返渗等因素影响，此次注浆终压取5.0MPa。另外，对于钻进过程中出水量或漏失量较大区域，钻孔开展下行式分层、分段注浆封堵，且多期次注浆孔交叉进行，具体工艺流程如图4所示。

图4 钻探与注浆工艺流程Figure 4 Flowchart of drilling and grouting process

3.4 工程施工

各钻孔施工过程严格按照设计执行，以D2-2′钻孔施工实情为例进行说明。该分支孔在孔深309～312m（钻遇F29断层前）处，出现给进压力达到20MPa仍无法继续钻进现象，钻井液无漏失，起钻后孔口出水1.125m3/h，水压0.4MPa，水质化验结果显示其与奥灰水存在较大差别，分析判断该处异常为断层破碎带内少量地层积水所致。此外，在孔深405～421m与435～456m（邻近F30断层）处，出现钻进突然丢压后又突然压力增大的现象，表现为断层附近地层破碎易塌孔，钻进压力不稳定特征。该钻孔注浆过程中，水泥浆液密度为1.29g/cm3，注浆终压为5MPa，单位水泥用量为0.02t/m，消耗量较少。

从整体施工情况来看，各钻孔出水量在0.75～4.7m3/h，水压力为0～0.6MPa，表现为水量小、水压低的特点；从探查知地层破碎区及出水点分布位置来看，分布密集区与断层展布形态基本一致；从注浆情况来看，各分支钻孔单位水泥消耗量在0.01～0.03t/m，整体较少。

4 治理成果分析

4.1 钻探

从钻探探查过程以及该区域奥灰水出水特点来看，该断层带表现为局部地层破碎且含水特征，出水点分布密集区与断层展布形态基本一致，但出水点水量较小、水压低；另外，结合钻孔注浆消耗量可知（图5），轨道巷一侧注浆量相较于胶带巷一侧更大，但总体地层裂隙发育程度有限，不难判断，断层破碎带与奥灰含水层尚不存在相通导水通道。

图5 钻孔注浆量统计Figure 5 Statistics of drilling grouting volume

4.2 水化学特征

在探查过程中，对D2、D2-3、D2-4、D3这4个出水分支钻孔进行了取样化验，同时收集以往地面勘探过程中奥陶系灰岩水质化验结果，通过绘制Piper图进行对比发现：奥灰水矿化度为320～374mg/L，水化学类型以Ca·Mg—HCO3为主，而各分支钻孔矿化度在540.5～697.4mg/L，水化学类型以Ca·Na·Mg—HCO3·Cl 为主，后者较前者矿化度高出220.5～323.4mg/L；另从Schoeller 图中典型Cl-含量进行对比发现，奥灰水Cl-含量为10.76～17.61mg/L，而各分支钻孔在49～85.3mg/L，后者较前者Cl-含量高出38.24～67.69mg/L，二者存在明显区别，如图6、图7所示。

图6 钻孔出水点水质piper图Figure 6 Water quality piper diagram of drilled water outlet points.

图7 钻孔出水点水质Schoeller图Figure 7 Water quality Schoeller diagram of drilled water outlet points.

4.3 物探、钻探效果验证

1）物探。为有效验证探查治理效果，分别在施工前、后采用音频电穿透视物探手段对工作面底板0～80m深度富水异常区分布情况展开了探查。经过对比可以看出，异常区范围由治理前的大面积的成片区转换为小面积的零散区，呈现为范围较小、联通性较差特点。其中，0～40m 深度相对低阻异常区面积缩减率达到93.92%，40～80m 相对低阻异常区面积缩减率达到85.47%，如图8至图11所示。

图8 探查治理前工作面底板下0～40m音频电穿透视电阻率平面分布Figure 8 Working face of exploring the plane distribution of 0～40m audio penetration perspective resistivity under the bottom plate before governance

图9 探查治理后工作面底板下0～40m音频电穿透视电阻率平面分布Figure 9 Working face of exploring the plane distribution of 0～40m audio penetration perspective resistivity under the bottom plate after governance

图10 探查治理前工作面底板下40～80m音频电穿透视电阻率平面分布Figure 10 Working face of exploring the plane distribution of 40～80m audio penetration perspective resistivity under the bottom plate before governance

图11 探查治理后工作面底板下40～80m音频电穿透视电阻率平面分布Figure 11 Working face of exploring the plane distribution of 40～80m audio penetration perspective resistivity under the bottom plate after governance

2）钻探。为进一步验证探查治理效果，工程结束后在工作面内施工了7 个常规钻孔，验证的目标层位为治理后底板0～80m 电穿透视电阻率相对低阻异常重叠区、探查过程中地层破碎带和先期出水点，如图12 所示。结果显示，各验证孔揭露地层层位正常，均无出水和地层明显破碎现象，注浆时迅速起压，表明该区域地层裂隙已被充填密实，详见表1。

表1 验证钻孔施工成果Table 1 Results of verify drilling construction

图12 验证钻孔平面布置示意Figure 12 Schematic diagram of verification drilling layout plan

综上，经过超前探查治理成果分析、水化学特征对比验证和物探钻探复探验证，工作面底板奥灰水害威胁得到了有效控制，现工作面已安全回采至480m，工作面涌水量小于10m3/h。

5 结论及展望

1）通过对担水沟矿9204 工作面开展井下超前区域探查治理工作，查明了在工作面回采范围内未有与奥灰水存在水力联系的导水通道。经过目标地层注浆加固，进一步增强了底板隔水层的阻水性能，消除了底板奥灰水害威胁。

2）井下近水平定向钻进技术在担水沟煤矿9204 工作面中的成功应用，探索研究出了一种适合于矿井高承压构造复杂采煤区的工程治理模式，为平朔矿区存在类似水害威胁的矿井提供了可参考实例。

3）大量底板水防治的成功经验表明，底板水害防治通过井上、下相结合，区域与局部治理相结合，工作面圈定前超前治理以及治理层位向厚层灰岩含水层顶部转移，将成为主要的发展趋势。水平定向钻进技术的成功应用与发展已为平朔矿区高承压构造复杂采煤区底板灰岩强含水层的水害防治工作开拓出了新局面。