过采空区钻孔静止水位分析

摘" 要：现今，随着煤矿资源逐渐往地下深部的开采，不可避免地存在需要进行地面瓦斯采动井过采空区的施工，以减少矿井瓦斯危害。矿区地面瓦斯采动井过采空区的施工往往存在较大风险，采空区范围及其顶底板由于采动形成空腔仍存在一定的裂隙，且具备一定的连通性，钻进过程中会出现漏失现象，同时在钻孔施工中也会发生掉块、卡钻等复杂情况。如果在施工过程中能够提前分析预测漏失最严重区域深度，并提前采取适当措施，将最大限度降低工程施工风险。通过注水试验，运用裘布依公式的推算，以求最大漏失点即静止水位。分析表明，计算结果能够可靠地对钻进过程中后续遇到的最大漏点进行预测。该方法能够很好地辅助进一步的施工，为过采空区提供精准指导。

关键词：童亭煤矿；地面瓦斯采动井；采空区；裘布依公式；静止水位

中图分类号：X752" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2025）06-0065-04

Abstract： Nowadays， with the gradual mining of coal resources deep underground， it is inevitable that there is a need to carry out the construction of surface gas mining wells through goaf areas to reduce mine gas hazards. The construction of surface gas mining wells through the goaf in the mine area often has great risks. There are still certain cracks in the goaf area and its roof and floor due to mining， and they have certain connectivity. Leakage will occur during the drilling process. At the same time， complex situations such as block dropping and drill sticking will also occur during drilling construction. If the depth of the most serious leakage area can be analyzed and predicted in advance during the construction process， and appropriate measures are taken in advance， the project construction risks will be minimized. Through water injection test， the maximum leakage point， i.e. the static water level， is calculated by using the calculation of Dupuit formula. The result of the analysis shows that the calculation results can reliably predict the maximum leakage point encountered subsequently during drilling. This method can well assist further construction and provide accurate guidance for passing through the goaf.

Keywords： Tongting Coal Mine; surface gas mining well; goaf; Dupuit formula; static water level

地面垂直瓦斯采动井是目前国内技术较为成熟且应用广泛的一种瓦斯抽采井型，适用于各种地质条件下的煤层气开采，其拥有施工工艺简单、投入成本低、风险性小等诸多优点[1-4]。然而，现今煤矿开采日益严重，浅层煤矿资源逐渐枯竭，深部煤矿资源的开采同样需要进行瓦斯治理，这就意味着不可避免地存在过采空区区域的瓦斯采动井的施工。而过采空区大口径瓦斯采动井在施工过程中存在施工难度大、风险高、未知性强等诸多困难。

国内大孔径采空区瓦斯抽采的主要钻井施工方式有水基钻井液常规钻井技术、空气钻井技术和氮气钻井技术，但在施工过程中也暴露出了一些问题和缺陷。如果能在施工过程中提前预测最大漏失点，将会为后续施工降低很大风险且减少一定损失。本文通过注水试验，观测水位变化，运用裘布依公式计算预测采空区空洞位置，所得结果与实际相符，或可对同类型工程施工起到参考借鉴作用。

1" 工程概况

1.1" 工程简介

童亭煤矿位于淮北市濉溪县境内，行政区划隶属五沟镇，北距淮北市约42 km，东距宿州市30 km。东西走向长10 km，南北倾向宽2～4 km，矿井面积23.751 km2。

863工作面位于86采区8煤层无突出危险，实测最大瓦斯含量3.54 m3/t，最大瓦斯压力为0.31 MPa。根据工作面走向长度及抽采半径，设计7口地面瓦斯采动井（图1），总工程量4 340 m，井型为C+型结构，一开直径D630 mm，二开直径D444.5 mm，三开直径D269.9 mm。

所有井型均为C+型结构，井深为三开落底位置。863工作面地面瓦斯采动井三开落底距离8煤层顶板约8 m，8煤层平均煤厚2.1 m。施工直径D152 mm导眼至8煤层底板0.3 m，每口瓦斯井采动井导眼深约10.4 m。

1.2" 区域地质条件

该项目在施工863工作面施工瓦斯采动井会穿越浅部3煤老采空区。由于浅部3煤采空区的时间久远，存在煤与采空区、采空区“三带”（图2）交互等复杂地层[5]，地面瓦斯采动井的钻进难度大。采空区已回采近二三十年，形成的采空区已被冒落岩石逐步压实，经大量的钻探工程证实，因采动效应产生的次生裂隙和空隙较发育，钻进过程中会出现漏失现象（如2015年施工的2015-2孔和2015-4孔在穿3煤采空区时，发生全漏失且有掉钻现象，经过较长时间封堵后恢复正常施工；2021年施工的2021-9孔在钻进至3煤采空区时，发生漏失现象，封堵后恢复正常施工，2021-10孔和2021-12孔钻进至3煤采空区时，发生全漏失现象，2021-11孔发生全漏失现象，经过较长时间封堵无果后，采用清水无芯钻进至孔底；2023年施工地质孔漏失近一个月）。

采空区范围及其顶底板由于采动形成空腔仍存在一定的裂隙，且具备一定的连通性，前期钻进过程中出现漏失现象，同时在钻孔施工中多发生掉块、卡钻等复杂情况，故瓦斯采动井钻井过程中也将会出现漏失、掉块、卡钻等事故，施工存在较大风险和隐患。

综上，区域大口径瓦斯采动井在施工过程中极易发生泥浆漏失甚至全漏情况，如果在施工过程中能够提前分析预测漏失最严重区域深度，并提前采取适当措施，将最大限度降低工程施工风险。

2" 施工情况及注水、水位测量

2.1" 施工情况

采区863-2#井于2024年4月21日23时50分进行钻进施工至358.50 m深度出现完全漏失情况，泵量80 m3/h，管径内径456 mm。顶漏钻进至365 m，螺杆堵死，安全提钻。提钻完毕后，于12时15分进行了水位测量，此时水位深度为252 m。

2.2" 水位测量记录

随后注水41 m3至井口处，13时40分测量水位深度81 m，13时50分测量水位深度91 m，14时05分测量水位105 m，14时15分测量水位115 m，2个小时内平均降速为1 m/min，合9.8 m3/h。14时30分测量水位130 m，15时00分测量水位160 m，16时40分测量水位220 m，2个小时内平均降速为0.6 m/min，合5.88 m3/h（表1）。

3" 裘布依公式的计算

3.1" 裘布依公式及其应用条件

裘布依公式是法国水力学家裘布依在达西定律的基础上导出的，用以描述地下水流向井内的平面流稳定运动[6]。裘布依推导公式时基于以下假定条件。

含水层是均质、各向同性、等厚和水平的。

地下水为层流，符合达西定律，且地下水运动处于稳定状态（图3）。

静水位是水平的，抽水井具有圆柱形定水头补给边界。

对于承压水，顶底板是完全隔水的；对于潜水，井边水力坡度不大于1/4，底板完全隔水。

3.2" 裘布依公式推导及计算

通过注水试验，测量水位降速计算得出2个较为均匀稳定的降速，即115 m深度处的1.00 m/min及220 m深度处的0.60 m/min。将其带入公式计算如下

式中：Q为钻孔内水的流量；K为含水层渗透系数；h为水头高度；dh为计算点水头损失；r为水面计算点距离钻孔中心距离；dr为计算点半径变化量；M为承压含水层厚度。

式中：A0为钻孔断面面积；r0为钻孔半径；Rw为含水层影响半径；v为钻孔内水位升/降速度；S为水位降深。

在一定情况下认为影响半径基本一致，则水位下降速度与降深呈现正相关。

通过后续小口径钻头钻进至375.50 m处，出现泥浆全部漏失情况，且在375.50～377.00 m深度位置处钻进时，钻头无钻压，疑似采空区。继续往下顶漏钻进至406 m处，进行循环携渣，并使用清水护钻，确保井下窥视效果明显。提钻之后，下放井下窥视仪器，通过井下窥视发现376.00～377.00 m深度范围有一明显空洞，高度达1 m（图4），围岩岩性为泥岩，裂隙发育，且被方解石充填，表现出水量较大，持续性地下水流动环境。通过窥视结果发现，空洞区下方普遍发育纵向裂隙（图5），地层破碎严重，有较多掉块，与空洞区上方地质条件区别较大。

通过分析认为，3煤采空区年代久远，被塌落的煤层顶部泥岩填充压实，空洞区岩性相对薄弱，属于煤层顶板应力集中区，位于弯曲下沉带和裂隙带之间。层间破碎的泥岩长期受到地下水的冲蚀，方解石充填于裂隙，空洞发育。空洞下方地层由于应力释放，普遍发育纵向裂隙，连接弯曲下沉带与采空区底板成为天然导水通道。

4" 结论

通过注水试验，对钻孔水位变化规律的观测，运用裘布依公式的推算，可以对静止水位进行大致判断，得出的结果与实际井下地质情况较为符合。亦可反推不同降深对应地下水的渗流量，对于施工中泵量选取、堵漏具有重要参考意义。该方法能够很好地对采空区钻探施工起到预警作用，对进一步的施工做到有的放矢，精准应对。

参考文献：

[1] 唐建平，李日富.采动影响下地面井抽采瓦斯运移影响因素数值模拟研究[J].中国矿山工程，2023，52（4）：30-36.

[2] 付军辉，李日富，王然，等.采动区瓦斯地面井抽采技术在含水地层矿区的应用[J].矿业安全与环保，2020，47（2）：66-69.

[3] 张为，李兵，张永成.低瓦斯矿井高产高效工作面瓦斯地面抽采技术[J].煤矿开采，2019，24（1）：136-139.

[4] 文光才，孙海涛.煤矿采动区地面井瓦斯抽采技术[J].煤矿安全，2015，46（S1）：26-30.

[5] 李延河，赵晓举.地面井“三圈”耦合瓦斯抽采技术理论与应用[J].能源与环保，2023，45（3）：1-6.

[6] 王苹.基于裘布依公式的某矿涌水量预测[J].中国金属通报，2021（4）：112-113.

第一作者简介：吴国栋（1990-），男，工程师。研究方向为水文地质。

*通信作者：叶传红（1994-），男，硕士，工程师。研究方向为水文地质。