郭慶武

（冀中能源峰峰集團有限公司，河北 邯鄲 056200）

1 概 況

峰峰礦區(qū)是大水礦區(qū)，受煤系基底奧灰含水層及薄層灰?guī)r含水層等影響，區(qū)內各礦尤其是老礦井涌水量普遍較大，給礦井排水帶來了很大困難，也不利于地下水資源和環(huán)境保護。積極開展出水點封堵方面的研究，降低礦井涌水量，具有十分重要的安全及環(huán)保意義。過去常用的堵水方法主要有井下施工堵水鉆孔、地面施工垂直鉆孔等。薄層灰?guī)r含水層出水點因含水層厚度較薄、富水性及巖溶裂隙發(fā)育不均一等原因，一直是探查封堵的難點。峰峰礦區(qū)牛兒莊礦56603 工作面出水點水量5.7 m3/min，為過去注漿堵水工程未能實現(xiàn)徹底封堵的殘余出水點，其確切位置等已無法確定，過去地面施工垂直鉆孔探查效率低、準確性及效果差，井下附近出水點附近巷道也早已封閉，已不具備井下施工條件，因此常規(guī)堵水方法很難達到堵水效果。定向水平井技術在煤礦地面區(qū)域治理工程中的應用為該礦堵水提供了新的思路，以牛兒莊礦56603 工作面大青灰?guī)r殘余出水點的封堵為實例，介紹了定向水平井技術在煤系薄層灰?guī)r含水層殘余出水點封堵中的研究應用，以期對類似條件的出水點封堵提供借鑒。

2 出水點情況

2.1 突水過程簡述

牛兒莊礦56603 工作面位于牛兒莊礦一水平南翼六盤區(qū)中部，開采6 號煤，煤厚1.5 m，傾角10°～20°，開采標高-69—-128 m，走向長度610～700 m，傾向長度90～180 m。煤層底板距大青灰?guī)r含水層45 m，大青水位+120 m 左右。構造上，工作面為寬緩背斜構造，運料巷及溜子道分別沿上、下兩條斷層布置，其中與運料巷相鄰的FY1 斷層落差4 m 左右，運料巷基本沿斷層布置，工作面位于斷層上盤，面內地質構造則較為簡單。

1993 年6 月工作面回采過程中發(fā)生突水，突水水源為煤系薄層大青灰?guī)r水，突水通道為FY1斷層，最大突水量達39.8 m3/min，穩(wěn)定突水量25 m3/min，導致工作面停產。事故發(fā)生后，采用地面動水注漿的方案進行堵水，共施工地面鉆孔12 個，進尺4 217 m。堵水工程結束后，出水量減小了19.3 m3/min，但仍有5.7 m3/min 的殘余水量，導致該工作面長期出水，給礦井的排水及安全生產工作帶來了很大困難，礦井每年因該出水點增加的排水費用約365 萬元。

2.2 出水點特征

2.2.1 出水水源

突水事故發(fā)生后，突水點南北鄰近范圍內，大青水位下降4.5～5.8 m，奧灰水位未發(fā)現(xiàn)任何變化。經水質化驗，出水水質為低礦化重碳酸鹽水，與該地區(qū)大青灰?guī)r水水質一致。堵水鉆孔注6 孔在大青灰?guī)r層位注漿結束后，延深至奧灰含水層，奧灰頂部15 m 范圍內裂隙發(fā)育程度非常微弱，鉆進16 m 后才進入奧灰富水地段，鉆進27 m 做奧灰水聯(lián)通試驗，190 h 后在與該礦相鄰的五礦發(fā)現(xiàn)試劑，該礦始終未發(fā)現(xiàn)試劑。

通過水位觀測、水質化驗、連通試驗等工作證實，該工作面出水水源為大青灰?guī)r水，奧灰水未參與直接補給。

2.2.2 出水機理

56603 工作面西側為FY1斷層，工作面運料巷曾揭露該斷層并沿斷層布置，斷層落差4 m 左右，走向NNE，傾向NEE，工作面位于斷層上盤。斷層面向工作面底板方向延伸，并發(fā)育至大青灰?guī)r。

初始應力狀態(tài)下，F(xiàn)Y1斷層及次生裂隙被泥質充填膠結，斷層面不構成導通大青灰?guī)r和工作面的通道，所以工作面運料巷在掘進揭露該斷層時并未發(fā)生出水現(xiàn)象。隨著工作面的推進，圍巖應力狀態(tài)重新分布，底板應力釋放，使采空區(qū)部分泄壓，采壁邊緣及上下兩巷煤幫側內部增壓，產生的剪應力使底板巖層產生剪切變形和錯位。自然狀態(tài)下，工作面采動造成的底板破壞深度較小，不會導通下伏的大青含水層，所以工作面接近FY1斷層前并未發(fā)生出水情況。但當工作面接近該斷層時，F(xiàn)Y1斷層逐步成為剪應力最為集中的地段，斷層面相對比較薄弱，其上下盤便產生錯動，使兩盤由膠結狀態(tài)轉化為張開狀態(tài)，為大青水沿斷層面上升提供了通道。由于底板大青灰?guī)r水水頭高度遠高于工作面標高（高190 m 左右），在礦山壓力和底板高承壓水的聯(lián)合作用下，大青灰?guī)r水沿著斷層面導升并進入工作面發(fā)生突水。隨著大青灰?guī)r水對斷層裂隙的不斷沖刷，原本充填于斷層裂隙的物質被水流帶走，突水通道進一步擴大，導致突水量不斷增加。

2.2.3 殘余出水點位置較分散

56603 工作面第一次進行堵水共施工地面鉆孔12 個，總進尺4 217 m，注水泥4 893 t，水玻璃552 t，石子 313.86 m3，砂 1 209.2 m3，布條 603 kg，共減少水量19.3 m3/min，殘余水量5.7 m3/min，堵水效率77%。由于基本完成了堵水任務，殘余出水通道主要為漿液未覆蓋到的小型通道，這些通道過水流量小，位置較為分散且難以確定。如果繼續(xù)施工堵水鉆孔，探查治理難度極大，經濟上也不合理，因此堵水工程結束。

3 堵水方案的提出

原堵水工程已經證明，如果仍采用地面垂直鉆孔對殘余出水通道進行探查封堵，探查封堵難度極大。出水點所在采區(qū)也早已開采完畢，已不具備施工井下鉆孔的條件。

定向水平井技術在煤層底板含水層治理方面得到了廣泛的應用，該技術實現(xiàn)了鉆孔在目標層位的長距離順層鉆進，提高了對導含水裂隙的探查效率。該礦堵水項目引入該技術對殘余出水點實施封堵具有以下優(yōu)勢：①本區(qū)地層產狀較為穩(wěn)定，大青灰?guī)r沿斷層走向沿斷層走向方向連續(xù)性較好，有利于鉆孔孔沿大青灰?guī)r長距離鉆進；②大青導水裂隙以高角度裂隙為主，一般貫穿大青含水層頂底面，且水平方向延展較遠，水平孔沿大青灰?guī)r順層鉆進幾乎能夠揭露鉆孔附近所有導水裂隙；③大青灰?guī)r厚度僅5 m 左右，而水平孔的注漿擴散半徑一般在30～40 m，遠大于大青灰?guī)r厚度，通過注漿能在鉆孔周圍夠形成長距離連續(xù)注漿帷幕?？赏ㄟ^利用水平鉆孔對斷層附近導水裂隙實施探查封堵，對附近大青灰?guī)r進行改造，截斷周圍向斷層的過水通道，可以達到堵水目標。

因此，此次堵水確定采用定向水平井技術對FY1斷層周邊的導水裂隙進行探查封堵，以實現(xiàn)封堵出水點的目的。

4 堵水方案

4.1 布孔方案

如圖1 所示，本次堵水工程布置1 口地面主井注1 井，以大青灰?guī)r含水層為目標層，以FY1斷層突水點附近大青灰?guī)r為治理區(qū)域，分支水平孔沿與斷層走向平行方向布置，斷層兩側各布置2 個分支，自東向西分別為注1-1、注1-2、注1-3、注1-4 孔，為保證注漿堵水的封堵效果，水平孔間距適當縮小，取15～20 m。

圖1 鉆孔布置Fig.1 Borehole layout

4.2 鉆孔結構

鉆孔采用二開井身結構。一開采用φ311.15 mm 牙輪鉆頭，進入穩(wěn)定基巖10 m 后，下入φ244.5 mm 的表層套管；二開采用φ215.9 mmPDC 鉆頭/三牙輪鉆頭鉆至造斜點后開始定向鉆進，進入大青灰?guī)r后完成造斜，下入φ177.8 mm 二級套管；三開采用φ152.4 mm 鉆頭，開始大青灰?guī)r順層鉆進，并對漏失點進行注漿加固。預計整體工作量為1 470 m，其中直井段130 m，造斜段370 m，水平段969 m，4 個分支工程量分別為注1-1 分支274 m，注1-2 分支231 m，注1-3分支251 m，注1-4 分支213 m。

4.3 注漿方案

水平鉆進過程中，采用分段下行式注漿法注漿，即遇漏失則進行注漿，根據漏失量大小確定注漿參數，待注漿壓力及泵量達到結束標準后即可停止注漿，然后繼續(xù)掃孔鉆進，直至完成設計進尺?？紤]到工作面一側斷層受力比較集中，對底板破壞大，導水通道位于該側的可能性較高，首先施工作面一側的M1 分支，如果堵水成功則工程結束，否則繼續(xù)施工下一分支，直至堵水成功。

5 施工過程

首先施工注1-1 分支，一開用φ311.15 mm 鉆進至56.45 m 后進入基巖，下套管φ244.5 mm 石油套管56 m。二開定向鉆進至孔深352.17 m 時發(fā)生漏失，經堵漏后仍發(fā)生漏失，經分析為漏失點位于野青巷道上方，因此未能堵漏成功。隨后封固200～352.17 m 孔段，從200 m 處重新側鉆，在該野青巷道上方上提10 m 繞開野青巷道，鉆進至450.29 m 進入大青灰?guī)r，下入φ177.8 mm×8.05 mm 石油套管450 m，二開完鉆。

水平鉆進過程中，注1-1 分支共揭露3 處較大大青灰?guī)r漏失點，位置分別為477.56、649.13、676.92 m，其中477.56m處注水泥40t，砂子7t；648 m處注水泥830t；676.92m處注水泥5790t，該處注漿后井下涌水量減小4m3/min，說明該處應為出水點的主要過水補給通道。鉆進至801m完成設計工程量后對全鉆孔進行注漿，共注水泥1410 t。注漿后經井下涌水量觀測，出水點已無涌水，實現(xiàn)徹底封堵。

由于注1-1 分支完成后已實現(xiàn)出水點的徹底封堵，達到堵水目標，故沒有繼續(xù)施工其他3 個分支。整個工程共完成主孔進尺56 m，造斜孔進尺472 m，1 個分支水平孔進尺351.69 m，共注水泥8 030 t，沙子、料石等骨料約40 t。

6 結 論

（1） 經現(xiàn)場測定，56603 工作面 5.7 m3/min 的殘余水量實現(xiàn)全部封堵，堵水率100%。

（2） 利用定向水平井技術堵水僅需施工1 口主井，然后通過造斜分支，可實現(xiàn)多個水平孔探查導水通道，解決了過去堵水工程中往往需要施工多個垂直井，施工工程量大的問題。

（3） 定向水平井技術實現(xiàn)了對薄層灰?guī)r含水層的連續(xù)順層鉆進，增加了對薄層灰?guī)r導含水裂隙的探查效率。

（4） 通過對水平分支孔周圍大青灰?guī)r導含水裂隙進行注漿治理，能夠截斷周邊水源與斷層的水力聯(lián)系，實現(xiàn)對出水點有效封堵，解決了過去在封堵薄層灰?guī)r出水時不掌握出水點確切位置就難以實現(xiàn)出水點有效封堵的難題。