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        基于定向水平鉆進(jìn)技術(shù)的構(gòu)造精準(zhǔn)探查

        2021-04-18 05:19:58曹偉康
        煤炭與化工 2021年6期
        關(guān)鍵詞:施工

        李 瑩,曹偉康

        (1.冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司 辛安礦,河北 邯鄲056200;2.山西古縣老母坡煤業(yè)有限公司,山西 臨汾041000)

        1 礦井概況

        辛安礦隸屬冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司,原名黃沙礦,由黃沙區(qū)和辛安區(qū)組成。2013年因礦井資源接近枯竭,經(jīng)政府批準(zhǔn)破產(chǎn)重組,更名為冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司辛安礦。重組后井田范圍保持不變,礦區(qū)面積15.280 7 km2;批準(zhǔn)開(kāi)采煤層為2、6、7、8、9號(hào)煤層,開(kāi)采方式為地下開(kāi)采,開(kāi)采煤層標(biāo)高+230—-950 m。目前,礦井主采煤層為2號(hào)煤,2014年礦井核定生產(chǎn)能力為150萬(wàn)t/a。礦井地質(zhì)類(lèi)型、水文地質(zhì)類(lèi)型均為復(fù)雜型,礦井涌水量在30~34 m3/min,屬大水礦井,防治水工作難度較大。

        2 -500北翼地區(qū)概況

        辛安礦-500水平北翼地區(qū)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)-500北翼)位于以礦井東部井田邊界F1和F55大斷層為主干的“帚狀”構(gòu)造收斂部,區(qū)內(nèi)大中型斷層極為發(fā)育,根據(jù)勘查資料顯示,區(qū)內(nèi)2號(hào)煤層埋深大、斷裂構(gòu)造發(fā)育、煤巖層受強(qiáng)烈擠壓十分破碎,地層扭曲變形嚴(yán)重,且區(qū)內(nèi)山伏青、大青水可能通過(guò)各大中型斷層及其交接部位獲得奧灰水的側(cè)向和垂向補(bǔ)給。2015年經(jīng)地面專(zhuān)項(xiàng)補(bǔ)勘,區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件得到基本控制,新增2條落差25 m以上的斷層(F41-1、F42-1),且原有斷層走向長(zhǎng)度增加,區(qū)內(nèi)構(gòu)造情況更趨復(fù)雜。為確保區(qū)內(nèi)煤層安全開(kāi)采,選擇-500北翼地區(qū)作為此次工程的試驗(yàn)地區(qū),提高-500北翼地區(qū)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件探查精度,并采取針對(duì)性防治水措施。

        3 -500北翼探查工程主要研究?jī)?nèi)容

        3.1 主要研究、試驗(yàn)內(nèi)容

        目前,經(jīng)過(guò)峰峰集團(tuán)近幾年研究和實(shí)踐,地面定向水平鉆進(jìn)技術(shù)試驗(yàn)效果顯著,在目的層內(nèi)鉆遇高,注漿效果好。該項(xiàng)目選擇大青薄層灰?guī)r作為探查研究目的層進(jìn)行工程施工,利用水平定向鉆孔在探查目的層內(nèi)的鉆遇情況,通過(guò)孔口返出巖屑對(duì)地層進(jìn)行辨別,從而達(dá)到判別構(gòu)造的發(fā)育情況。

        辛安礦通過(guò)礦井已有勘探資料,通過(guò)多方分析論證,選擇-500北翼地區(qū)作為此次工程的試驗(yàn)地區(qū),選擇大青灰?guī)r作為探查治理目的層,通過(guò)鉆孔在大青灰?guī)r的鉆遇情況,分析鉆遇的地質(zhì)構(gòu)造。工程設(shè)計(jì)施工3個(gè)主孔,多水平分支孔及次級(jí)分支孔,線、網(wǎng)狀對(duì)區(qū)域內(nèi)大青灰?guī)r構(gòu)造及水文地質(zhì)條件進(jìn)行全面探查、治理,有效探明開(kāi)采煤層底板構(gòu)造發(fā)育情況,并采取針對(duì)性防治水措施,確保區(qū)內(nèi)煤層安全開(kāi)采。

        3.2 目 標(biāo)

        對(duì)煤層下伏大青薄層灰?guī)r含水層地質(zhì)構(gòu)造條件及水文地質(zhì)條件進(jìn)行精準(zhǔn)探查,提高區(qū)內(nèi)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件探查精度,并通過(guò)探查鉆孔進(jìn)行預(yù)注漿加固、治理。在工程施工過(guò)程中對(duì)已進(jìn)行過(guò)探查治理的區(qū)域進(jìn)行安全開(kāi)采階段評(píng)價(jià),同時(shí)通過(guò)鉆探及物探手段,確認(rèn)探查治理效果及技術(shù)的可行性研究,最終解放采區(qū)煤層儲(chǔ)量,實(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)煤層的安全開(kāi)采。

        3.3 技術(shù)關(guān)鍵

        鉆孔按設(shè)計(jì)曲線軌跡準(zhǔn)確鉆進(jìn)至目標(biāo)層位并在目標(biāo)層位長(zhǎng)距離鉆進(jìn)是定向水平鉆進(jìn)的關(guān)鍵步驟,只有保證鉆孔在目的層內(nèi)的高鉆遇率才能通過(guò)鉆遇地層情況有效的對(duì)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行精準(zhǔn)辨別。

        4 探查治理目的層選擇

        辛安礦奧灰位于地下水強(qiáng)徑流帶,富水性極強(qiáng),礦井2010和2011年連續(xù)2 a年發(fā)生奧灰突水事故,最大突水量400 m3/min,另外,辛安礦地質(zhì)類(lèi)型為極復(fù)雜型,構(gòu)造發(fā)育且新區(qū)控制程度低,選擇奧灰頂部作為治理目的層不僅構(gòu)造無(wú)法判別,且注漿量大,無(wú)法達(dá)到治理的效果,因此選擇奧灰頂部作為區(qū)域治理目的層不符合礦井實(shí)際情況。

        選取奧灰頂部為目的層:奧陶系灰?guī)r屬巨厚層,無(wú)界,在奧灰中施工鉆孔,鉆孔始終在灰?guī)r范圍內(nèi),層位判別困難,另外,奧灰富水性存在各向異性,注漿漿液控制難度大,注漿量過(guò)大增加成本。

        選取薄層灰?guī)r為目的層:薄層灰?guī)r厚度小,上下標(biāo)志層較多,斷層、隱伏構(gòu)造容易進(jìn)行判斷,注漿漿液擴(kuò)散容易控制,注漿量小,能滿足工作面開(kāi)采的安全技術(shù)條件。

        5 -500北翼地區(qū)探查方案設(shè)計(jì)

        該試驗(yàn)設(shè)計(jì)主孔3個(gè),編號(hào)注3、注4、注5,定向分支孔30個(gè),按水平間距40 m,東西向平行布置,自南向北依次編號(hào)為注3-1~注3-12;注4-1~注4-16;注5-1、注5-2。對(duì)覆蓋范圍內(nèi)2號(hào)煤層底板大青含水層構(gòu)造及水文地質(zhì)條件進(jìn)行全面探查、治理。

        6 工程探查成果

        (1)辛安礦北翼地面區(qū)域治理勘探工程注3、注4孔設(shè)計(jì)30個(gè)水平分支,設(shè)計(jì)鉆探工程量37 086 m,實(shí)際自2017年4月10日開(kāi)工,2019年12月21日完成鉆探施工任務(wù)。歷時(shí)986 d。共完成2個(gè)主孔段,7個(gè)造斜段,28個(gè)水平分支孔,完成鉆探工程量39 504.92 m,包括主孔段319.01 m,造斜段4 827.66 m,水平段34 358.25 m。實(shí)際完成工程量比設(shè)計(jì)增加了2 418.92 m,增加原因?yàn)樾绿讲閒1、f2、f3、f4、f5等斷層,及增加奧陶系灰?guī)r頂界面探查孔需要增加工程量,查明斷層落差后重新側(cè)鉆鉆進(jìn)。各分支鉆孔方位、傾角、孔深、探測(cè)層位、入窗及靶點(diǎn)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

        (2)該工程水平分支成平行條帶狀或羽狀分布,3-0、3-1、3-2、3-3分支間距60 m左右;3-4及后續(xù)水平分支間距40 m左右,所有分支嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行施工,定向軌跡偏差均小于±5 m,關(guān)鍵點(diǎn)偏差小于±3 m,滿足設(shè)計(jì)要求。

        (3)該工程鉆進(jìn)過(guò)程中累計(jì)共注水泥44 621.33 t,包括漏失注漿水泥44 424.32 t,封孔注漿水泥197.01 t。注漿壓力10~15 MPa,注漿后掃至原孔深進(jìn)行了壓水試驗(yàn),計(jì)算透水率小于0.01 L/min.m.m,繼續(xù)鉆進(jìn)過(guò)程中在注漿位置附近未發(fā)生漏失,注漿質(zhì)量合格。

        (4)水平分支大青灰?guī)r鉆遇率為80%~97%,均大于80%,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

        (5)施工過(guò)程中根據(jù)收集的地質(zhì)資料建立了大青灰?guī)r伽馬值范圍(大青灰?guī)r頂板砂質(zhì)泥巖100~130 API、大青灰?guī)r<40API、大青灰?guī)r底含炭質(zhì)灰?guī)r100 API左右、大青灰?guī)r底板8號(hào)煤80~100 API)、鉆時(shí)變化以及地層巖性穩(wěn)定性,摸清了大青灰?guī)r及其頂?shù)装宓貙拥刭|(zhì)情況。

        (6)水平分支施工過(guò)程中,結(jié)合巖粉、伽馬、鉆時(shí)綜合分析,多次鉆遇斷層,經(jīng)對(duì)地層分析比對(duì),進(jìn)一步提高了對(duì)F37、F38、F39、F40、F41、F42、F44、F55-1等斷層的控制程度。新增大青灰?guī)r段6條,分別為f1、f2、f3、f4、f5、f6。注3孔各分支孔f2斷層以西揭露大青層位地層較為穩(wěn)定,f2斷層以東各孔均揭露多條落差大于10米的隱伏斷層,斷層在大青層位附近發(fā)育。受斷層組影響,地層連續(xù)性遭到破壞??蔀楹笃诠ぷ髅骈_(kāi)采提供依據(jù)。

        (7)各分支孔在水平段施工過(guò)程中共進(jìn)行壓水試驗(yàn)93次,非漏失段計(jì)算透水率均小于0.01 L/min.m.m。部分區(qū)域大青灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育,施工過(guò)程中發(fā)生循環(huán)液失返現(xiàn)象,測(cè)量大青灰?guī)r含水層水位為115.6~-156.75 m,奧灰含水層近3年最高水位+126.1 m,說(shuō)明大青灰?guī)r含水層裂隙局部發(fā)育,且與下伏奧灰含水層存在一定水力聯(lián)系部分分支孔施工至過(guò)f5、f6斷層后,出現(xiàn)循環(huán)液漏失現(xiàn)象,水位為+121.95~+126.1 m,受構(gòu)造影響,大青灰?guī)r與奧陶系灰?guī)r存在水力聯(lián)系。

        (8)截至2020年4月1日,-500北 翼212-1煤柱工作面已施工完成井下大青區(qū)域治理效果檢驗(yàn)孔6個(gè),結(jié)合采區(qū)內(nèi)及周邊已有大青觀測(cè)孔資料,大青水位由-50 m降為-270 m,治理前大青單孔涌水量20~150 m3/h,治理后單孔涌水量均小于3 m3/h。

        (9)綜上所述,通過(guò)區(qū)域探查治理后,切斷了大青灰?guī)r含水層與下伏奧灰含水層的水力聯(lián)系,將底板大青灰?guī)r含水層改造為相對(duì)隔水層,進(jìn)一步增強(qiáng)了2號(hào)煤層底板巖層的完整性,使煤層開(kāi)采安全系數(shù)增加,達(dá)到了區(qū)域治理目的。

        7 技術(shù)創(chuàng)新

        (1)避免了井下施工鉆孔的危險(xiǎn)性,避免淹頭、淹面情況發(fā)生。

        (2)將礦井構(gòu)造探查由單點(diǎn)控制升級(jí)為線、網(wǎng)狀控制,可有效提高礦井構(gòu)造探查精度。

        (3)該技術(shù)僅需施工1個(gè)主孔,通過(guò)施工多水平分支孔實(shí)現(xiàn)構(gòu)造的精準(zhǔn)探查。

        (4)簡(jiǎn)化施工工序,少下套管減少單孔施工所需的等凝時(shí)間

        (5)省卻地面物探技術(shù)探查需求。

        (6)可通過(guò)探查鉆孔對(duì)含水層進(jìn)行注漿改造、對(duì)隔水層進(jìn)行加固,提高煤層開(kāi)采安全系數(shù)。

        8 結(jié) 語(yǔ)

        利用定向水平鉆進(jìn)技術(shù)精準(zhǔn)探查礦井地質(zhì)構(gòu)造研究經(jīng)過(guò)辛安礦-500北翼地區(qū)的實(shí)踐應(yīng)用,證明該技術(shù)成熟度高,成功率大,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)施簡(jiǎn)便、適用范圍廣泛、效果良好,所總結(jié)出來(lái)的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)、經(jīng)驗(yàn)等,對(duì)于地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)及與辛安礦相似的礦井實(shí)施精準(zhǔn)構(gòu)造探查提供了很好的參考借鑒。

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