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（1.安徽恒源煤電股份有限公司；2.北京中煤礦山工程有限公司；3.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室）

煤層底板水害是僅次于瓦斯事故的重大災(zāi)害，我國煤炭資源開采受水害影響嚴(yán)重［1］，承壓水害已嚴(yán)重威脅華北型煤田深部開采的安全［2-4］，淮北煤田屬于典型的華北型煤層，安徽恒源煤礦主采煤層為二疊系山西組6煤，煤層底板承受太灰含水層組，水壓為3.9～5.3 MPa，隔水層平均厚度為46 m，對(duì)應(yīng)突水系數(shù)為0.08～0.12 MPa/m，遠(yuǎn)超過《煤礦防治水細(xì)則》構(gòu)造發(fā)育區(qū)臨界值為0.06 MPa/m的要求。為了避免煤層底板突水，保證巷道順利掘進(jìn)和煤層安全回采，恒源煤礦采用地面L型鉆孔超前探查和注漿技術(shù)對(duì)II634、II635工作面6煤層以下含水層進(jìn)行探查治理，克服了工作面防治水技術(shù)占用巷道掘進(jìn)時(shí)間長、注漿壓力低、注漿量小、施工效率低、施工工期長等缺點(diǎn)，不僅實(shí)現(xiàn)了區(qū)域超前煤層底板加固的目的，而且提高了施工效率及經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程概況

本次治理區(qū)域?yàn)棰?3采區(qū)中部的Ⅱ634、Ⅱ635工作面，走向長1 750 m，傾斜寬360 m，面積約為65萬m2，開采標(biāo)高為-690～-770 m，主采煤層厚度為1.50～5.03 m，平均值為2.95 m；煤層傾角為2°～26°，平均傾角為9.1°，局部因受地質(zhì)構(gòu)造的影響，傾角可能高達(dá)30°，根據(jù)三維地震資料看，治理區(qū)域內(nèi)斷層構(gòu)造發(fā)育，發(fā)育落差大于3 m的斷層13條，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。根據(jù)治理區(qū)域地層及構(gòu)造發(fā)育特點(diǎn)，地面共布置3個(gè)鉆孔群，28個(gè)水平孔段，對(duì)治理區(qū)域?qū)崿F(xiàn)全區(qū)覆蓋，并且水平孔段與構(gòu)造裂隙斜交，其鉆孔平面設(shè)計(jì)如圖1所示。

治理區(qū)域內(nèi)6煤層底板直接充水含水層主要為太灰含水層，其中L1灰?guī)r含水層距6煤層平均距離為46 m，承受太灰水壓為3.9～5.3 MPa，對(duì)應(yīng)突水系數(shù)為0.08～0.12 MPa/m，遠(yuǎn)超過構(gòu)造區(qū)域臨界值0.06 MPa/m，存在較大的突水安全威脅；通過分析水文地質(zhì)條件，本次地面L型鉆孔超前探查、注漿治理目的層為L3灰?guī)r含水層，隔絕其下方含水層。L3灰?guī)r含水層與6煤層底板平均距離為66 m，地層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 鉆孔施工設(shè)計(jì)

2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)

由于主采煤層埋深較深，地面L型定向鉆孔需穿越?jīng)_積層、穩(wěn)定基巖、煤層后進(jìn)入目的層，為了確保鉆孔孔壁穩(wěn)定及水平孔段注漿升壓，采用雙層套管施工技術(shù)以封固沖積層與煤層，因此必須對(duì)鉆孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，并選擇合適的套管以滿足水平孔段孔徑的要求［5］。鉆孔結(jié)構(gòu)分為3級(jí)，分別為一開孔段、二開孔段和三開水平孔段，鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（1）一開0～200 m，孔徑為311 mm，下入?244.5 mm×8.94 mm套管；下至基巖層段，進(jìn)入基巖內(nèi)不少于20 m，并用單液水泥漿進(jìn)行固管。

（2）二開200～1 000 m，孔徑為215.9 mm，下入?177.8 mm×8.05 mm套管，下至一灰上部海相泥巖底，并用單液水泥漿進(jìn)行固管。

（3）三開1 000 m～終孔，孔徑為152.4 mm，沿L3灰?guī)r層順層鉆進(jìn)，為裸孔段。

2.2 鉆孔軌跡控制

根據(jù)治理區(qū)地面建筑、井下巷道采掘布置及灰?guī)r含水層富水性不均一特點(diǎn)，每個(gè)鉆孔單元（鉆孔群）施工1個(gè)主孔和多個(gè)水平孔段，Z2鉆孔三維立體圖如圖4所示。

Z1、Z2、Z3鉆孔直孔段為200 m，經(jīng)過直孔段、造斜段的施工，鉆孔井斜由0°變?yōu)?0°～90°，使鉆孔走向與L3灰?guī)r層傾角相近（L3灰?guī)r層傾角為6°～10°，對(duì)應(yīng)鉆孔井斜為80°～84°），其具體軌跡參數(shù)如表1所示。以Z1鉆孔為例，因地面條件限制，該鉆孔采用1個(gè)主孔、2個(gè)造斜段的鉆孔施工工藝，即Z1A造斜段側(cè)鉆的Z1-1、Z1-2、Z1-3、Z1-4、Z1-5、Z1-6水平孔段施工完畢后，對(duì)Z1A二開套管進(jìn)行部分切割、起拔后，再進(jìn)行Z1B造斜段造孔及套管下放施工，然后進(jìn)行各水平孔段的施工，Z1B造斜段側(cè)鉆Z1-7、Z1-8、Z1-9、Z1-10、Z1-11水平孔段。在實(shí)際施工過程中采用巖屑錄井、鉆時(shí)錄井、物探錄井等技術(shù)手段，及時(shí)調(diào)整鉆孔軌跡，保證水平孔段始終在L3灰?guī)r目的層鉆進(jìn)。

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3 注漿施工設(shè)計(jì)

本工程采用單液水泥漿通過分段“探注結(jié)合”施工，有效封堵L3灰?guī)r含水層的溶隙及裂隙導(dǎo)水通道。通過高壓注漿將導(dǎo)水通道充填壓密，降低滲透性，提高地層的整體防滲性能，在治理區(qū)域范圍內(nèi)形成有效的“水平阻水層”，阻隔來自L3灰?guī)r含水層及其下部含水層中的地下水，從而達(dá)到治理區(qū)域煤層底板超前治理的目的。

3.1 注漿技術(shù)要求

（1）注漿層位為6煤底板L3灰?guī)r含水層。

（2）L3灰?guī)r含水層順層鉆進(jìn)時(shí)，鉆遇鉆井液漏失量小于15 m3/h時(shí)可采取調(diào)配鉆井液方式繼續(xù)鉆進(jìn)；無漏失或漏失量較小時(shí)每鉆進(jìn)100 m進(jìn)行一次壓水實(shí)驗(yàn)；鉆遇鉆井液漏失量大于15 m3/h時(shí)，提鉆注漿，注漿結(jié)束后掃孔繼續(xù)鉆進(jìn)。

（3）水平分支孔終孔后，注漿壓力達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)該水平孔段進(jìn)行全段高壓注漿封孔。

3.2 注漿施工順序

首先對(duì)3個(gè)主孔進(jìn)行施工，造孔工作完成后下放套管，并用單液水泥漿進(jìn)行固管，水平孔段鉆進(jìn)時(shí)，根據(jù)鉆探情況進(jìn)行注漿工作；Z1鉆孔水平孔段的施工順序?yàn)閆1-5、Z1-4、Z1-6、Z1-2、Z1-3、Z1-1、Z1-7、Z1-8、Z1-9、Z1-10、Z1-11；Z2鉆孔水平孔段的施工順序?yàn)閆2-3、Z2-4、Z2-5、Z2-8、Z2-7、Z2-6、Z2-1、Z2-2；Z3鉆孔水平孔段的施工順序?yàn)閆3-2、Z3-1、Z3-3、Z3-4、Z3-9、Z3-8、Z3-7、Z3-6、Z3-5，水平孔段的施工是為注漿提供服務(wù)，鉆孔基本采用間隔式施工順序，這樣可以采用中間孔的壓水實(shí)驗(yàn)成果及注漿量大小分析先施工水平孔段的注漿效果；另外，結(jié)合礦方巷道掘進(jìn)先后順序以及其它方面的要求，對(duì)各水平孔段的施工順序作相應(yīng)調(diào)整，以確保注漿效果。

3.3 注漿施工要求

根據(jù)治理區(qū)工作面底板地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，采用單液水泥漿作為注漿材料，單液水泥漿注漿工藝流程：一次攪拌（水泥+水）→二次攪拌（添加劑）→注漿泵輸送→注漿管路→受注巖層段。

每次注漿前，均要進(jìn)行壓水試驗(yàn)，壓水時(shí)間大于30 min，通過壓水實(shí)驗(yàn)疏通注漿管路及孔內(nèi)巖石裂隙、測(cè)定單位受注層段吸水率，壓水試驗(yàn)成果以吸水率q表示。

式中，q為吸水率，Lu；Q為壓入流量，L/min；P為作用于試段內(nèi)的等效全壓力，MPa；L為試段長度，m。

根據(jù)壓水試驗(yàn)成果，選擇漿液濃度，密度選取1.2～1.6 g/cm3。一般遵循“先稀后稠再稀”的注漿原則，先用稀漿進(jìn)行試注，了解該孔段注漿量大小及孔口壓力變化情況，并觀測(cè)鄰孔是否發(fā)生串漿等情況，再對(duì)漿液濃度進(jìn)行逐漸調(diào)整。

每次注漿結(jié)束后，均要向孔內(nèi)壓水，壓水量為管路與孔內(nèi)體積之和，在鉆孔自然泄壓后下鉆具掃孔至孔底，進(jìn)行下一個(gè)水平孔段的鉆探施工。

4 鉆孔實(shí)際施工

采用地面定向孔鉆探、注漿技術(shù)對(duì)Ⅱ634、Ⅱ635工作面進(jìn)行探查注漿治理，本工程共計(jì)施工3個(gè)一開孔段，4個(gè)二開孔段及20個(gè)水平孔段，所有孔段鉆孔軌跡誤差偏差均控制在5‰以內(nèi)，總鉆探量為17 702.78 m，鉆孔實(shí)鉆參數(shù)如表2所示。

5 注漿效果分析

Ⅱ634、Ⅱ635工作面在施工過程中，由于水平孔段長度較大，為了保證注漿質(zhì)量，本工程采用遇漏則注（水平孔段鉆進(jìn)時(shí)鉆井液漏失量≥15 m3/h）與分段注漿相結(jié)合的方式對(duì)Ⅱ634、Ⅱ635工作面進(jìn)行高壓注漿，共計(jì)注入水泥19 129.331 t，注漿詳情如表3所示。

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：注漿壓力為10～12 MPa，注漿泵量為40～60 L/min，并且穩(wěn)定時(shí)間≥30 min［6］。

在工作面回采之前，井下鉆場(chǎng)布置136個(gè)常規(guī)檢驗(yàn)孔，治理范圍內(nèi)檢驗(yàn)孔出水量均小于5 m3/h；工作面回采過程中，未出現(xiàn)煤層底板起鼓或出水現(xiàn)象；目前，II634工作面已實(shí)現(xiàn)安全回采，地面定向孔注漿效果顯著。

6 結(jié)論

（1）本工程采用地面L型鉆孔超前探查、注漿技術(shù)，已施工3個(gè)主孔及20個(gè)水平孔段，使水平孔段鉆孔軌跡始終處于治理目的層中，大大增加了鉆孔與目的層的接觸面積，通過地面高壓注漿，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目的含水層的有效改造，增加了煤層底板的抗壓強(qiáng)度。

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（2）地面定向孔區(qū)域超前注漿防治水技術(shù)在恒源煤礦II634、II635工作面得到了成功應(yīng)用，通過分析鉆探、注漿及驗(yàn)證效果的綜合分析，本工程鉆孔布置合理、鉆孔定位精準(zhǔn)、注漿方案科學(xué)、注漿工藝先進(jìn)，確保了工作面的安全回采。

（3）實(shí)現(xiàn)了巷道邊掘邊探向巷道施工前探查治理、井下向地面探查治理以及采面向區(qū)域探查治理的轉(zhuǎn)變；在時(shí)間和空間上的有效拓展，不僅有效提升了煤層底板水害治理的安全性，而且極大提高了煤礦防治水的施工效率及經(jīng)濟(jì)效益。

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