趙寶峰，胥海東

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710177；3.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 麥垛山煤礦，寧夏 銀川 750011)

我國(guó)西部侏羅紀(jì)煤炭資源儲(chǔ)量占全國(guó)總儲(chǔ)量的60%以上，隨著東部煤炭資源的逐漸枯竭，煤炭生產(chǎn)重點(diǎn)逐步向西部轉(zhuǎn)移，其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的地位日益重要，礦井的安全生產(chǎn)成為國(guó)家能源供給的重要保障[1]。由于侏羅紀(jì)煤田煤層頂板普遍存在基巖裂隙含水層和松散含水層，當(dāng)采掘工作面的破壞范圍波及至上覆含水層時(shí)，往往會(huì)發(fā)生頂板水害事故。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，掘進(jìn)巷道是重大水害事故發(fā)生的主要地點(diǎn)，約占總事故的80%左右，是礦井水害防治的重點(diǎn)區(qū)域[2]。

根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》要求，煤礦防治水工作應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原則[3]，巷道掘進(jìn)前的探放水工作顯得尤為重要。受巷道頂板含(隔)水層組合結(jié)構(gòu)的影響，常規(guī)探放水鉆孔存在以下局限性：隔水層較薄時(shí)無(wú)法固結(jié)套管、頻繁開(kāi)孔對(duì)頂板具有破壞作用、掘進(jìn)巷道開(kāi)展大規(guī)模探放水對(duì)排水系統(tǒng)造成較大壓力等，為了對(duì)復(fù)雜水文地質(zhì)條件下的掘進(jìn)巷道開(kāi)展安全高效的水害防治工作，在巷道掘進(jìn)過(guò)程中擬采用長(zhǎng)距離定向鉆探技術(shù)。許多學(xué)者針對(duì)長(zhǎng)距離定向鉆探技術(shù)及其在煤礦領(lǐng)域中的應(yīng)用開(kāi)展了大量研究。石智軍等指出煤礦井下定向鉆探是坑道鉆探發(fā)展的高級(jí)階段，為煤炭資源安全、高效、綠色、智能開(kāi)采提供了技術(shù)支撐和裝備保障[4]。長(zhǎng)距離定向鉆探技術(shù)近年來(lái)在瓦斯抽采、區(qū)域注漿治理、工作面疏放水和水力壓裂等方面的應(yīng)用日益普及：黃旭超采用定向鉆孔對(duì)榆樹(shù)田煤礦的瓦斯進(jìn)行了條帶預(yù)抽[5]；陳功華等利用定向鉆進(jìn)技術(shù)的軌跡可控、覆蓋區(qū)域廣等優(yōu)勢(shì)，對(duì)青龍煤礦21602工作面采用高位定向長(zhǎng)鉆孔對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采[6]；牟全斌等提出了井下定向長(zhǎng)鉆孔水力壓裂瓦斯高效抽采技術(shù)[7]；楊哲等對(duì)瓦斯抽采的梳狀定向長(zhǎng)鉆孔的布孔方式、分支孔間距、施工工藝、軌跡控制、分支測(cè)鉆、原孔重入等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究[8]。長(zhǎng)距離定向鉆孔除了在瓦斯抽采方面應(yīng)用較廣，在底板水害區(qū)域治理和疏放水領(lǐng)域也日趨普及，李曉龍等研究了煤層底板奧灰水害防治中定向鉆孔施工的關(guān)鍵技術(shù)[9]；豆旭謙利用定向鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)工作面底板灰?guī)r進(jìn)行了探放水[10]；金鑫等采用定向鉆探工藝及注漿技術(shù)對(duì)桑樹(shù)坪煤礦3110工作面奧灰頂部進(jìn)行了注漿改造治理[11]；李子豪采用長(zhǎng)距離定向鉆探技術(shù)對(duì)小煤礦邊界及老空水進(jìn)行了探查[12]；張立輝等研究了定向鉆機(jī)在探測(cè)煤層沖刷帶、煤層厚度變化以及探放水等方面的優(yōu)勢(shì)[13]。長(zhǎng)距離定向鉆孔水力壓裂融合了瓦斯高效抽采和水力壓裂技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，陳冬冬等研發(fā)了煤礦技術(shù)快速、定點(diǎn)、分段與可重復(fù)的水力壓裂孔內(nèi)裝備[14]。

針對(duì)麥垛山煤礦110207工作面掘進(jìn)巷道頂板存在強(qiáng)富水弱膠結(jié)復(fù)合含水層，且直接頂板隔水層較薄的復(fù)雜水文地質(zhì)條件，采用長(zhǎng)距離定向鉆探技術(shù)，對(duì)巷道頂板含水層水文地質(zhì)條件進(jìn)行探查，制定相應(yīng)的防治水措施，最終保障巷道的安全掘進(jìn)。

1 掘進(jìn)巷道及水文地質(zhì)條件

1.1 礦井及工作面概況

麥垛山煤礦位于寧東煤田鴛鴦湖礦區(qū)南部，主采侏羅系延安組2煤、6煤和18煤，設(shè)計(jì)產(chǎn)量8.00Mt/a，是寧東煤化工基地的主力供煤礦井。由于2煤受頂板水害威脅較大，礦井采用了上行開(kāi)采方式，先期開(kāi)采水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單的6煤，后期開(kāi)采水文地質(zhì)條件復(fù)雜的2煤，目前，6煤工作面已經(jīng)投產(chǎn)。

2煤大巷在掘進(jìn)過(guò)程中曾經(jīng)發(fā)生過(guò)5次規(guī)模不等的集中涌水，其中峰值水量達(dá)1000m3/h，并且伴隨有潰砂現(xiàn)象，頻繁發(fā)生的水害問(wèn)題嚴(yán)重影響了2煤的采掘活動(dòng)和礦井的達(dá)產(chǎn)。110207工作面是2煤的首采工作面，走向長(zhǎng)度2810m，傾向?qū)挾?34m，采高3.55m。巷道包括機(jī)巷、風(fēng)巷和輔運(yùn)巷，如圖1所示，3條巷道在掘進(jìn)期間整體呈上仰掘進(jìn)，巷道斷面設(shè)計(jì)為半圓拱形巷道，寬度5400mm，高度3900mm。

圖1 110207工作面巷道布置

1.2 工作面頂板含水層水文地質(zhì)條件與充水因素

110207工作面頂板由下向上分布有1～2煤間延安組含水層(Ⅲ含水層)和直羅組下段含水層(Ⅱ含水層)，Ⅱ含水層和Ⅲ含水層平均厚度分別為71.72m和12.83m，局部區(qū)域Ⅱ含水層與Ⅲ含水層之間的隔水層厚度3.07～9.60m，局部甚至達(dá)0.50m，如圖2所示。根據(jù)前期在11采區(qū)2煤大巷中開(kāi)展放水試驗(yàn)的成果，Ⅱ含水層滲透系數(shù)為3.673～6.297m/d，單位涌水量3.74～5.83L/(s·m)，Ⅲ含水層滲透系數(shù)為1.741～2.184m/d，單位涌水量1.85～2.72L/(s·m)，并且兩個(gè)含水層之間存在緊密的水力聯(lián)系[15-20]。

圖2 110207工作面頂板煤巖層對(duì)比

根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料，110207工作面頂板地層變化較大，1902至1602地質(zhì)鉆孔之間巷道頂板Ⅲ含水層較厚，加之這個(gè)區(qū)域巷道頂板泥巖隔水層較薄，掘進(jìn)巷道圍巖松動(dòng)圈、錨索、錨桿和局部發(fā)育的裂隙成為了掘進(jìn)巷道的導(dǎo)水通道，巷道掘進(jìn)的直接充水水源為Ⅲ含水層，由于Ⅱ含水層與Ⅲ含水層之間存在水力聯(lián)系，Ⅱ含水層成為了掘進(jìn)巷道的間接充水水源。

1.3 掘進(jìn)巷道防治水面臨的問(wèn)題

110207工作面掘進(jìn)巷道水文地質(zhì)特征總體表現(xiàn)為“兩薄兩厚一聯(lián)系”，即：Ⅱ含水層與Ⅲ含水層較厚，局部區(qū)域巷道頂板隔水層、Ⅱ含水層與Ⅲ含水層間隔水層較薄，并且Ⅱ含水層與Ⅲ含水層之間存在水力聯(lián)系。巷道在掘進(jìn)過(guò)程中主要面臨以下幾個(gè)防治水問(wèn)題：①巷道頂板隔水層較薄，常規(guī)鉆孔施工無(wú)法固結(jié)止水套管；②Ⅲ含水層厚度與起伏變化較大，常規(guī)鉆孔對(duì)其疏放水不易控制終孔層位，如果鉆孔揭露Ⅱ含水層，將會(huì)面臨巨大的排水壓力；③巷道頂板膠結(jié)性差，大量常規(guī)鉆孔施工會(huì)進(jìn)一步破壞頂板完整性，易發(fā)生掉包、漏頂?shù)仁鹿?；④工作面頂板含水層富水性?guī)律尚未查明，采前疏放水工作開(kāi)展缺少依據(jù)；⑤Ⅱ含水層與Ⅲ含水層水力聯(lián)系空間差異性不清。

針對(duì)以上問(wèn)題，為了保障110207工作面掘進(jìn)巷道的安全，擬采用長(zhǎng)距離定向鉆探技術(shù)在巷道掘進(jìn)期間對(duì)其頂板Ⅲ含水層富水性進(jìn)行探測(cè)，同時(shí)起到對(duì)Ⅲ含水層疏放、截流作用。

2 基于長(zhǎng)距離定向鉆探技術(shù)的富水性探查及水害防治

2.1 長(zhǎng)距離定向鉆孔施工情況

2.1.1 長(zhǎng)距離定向鉆孔參數(shù)

根據(jù)110207工作面頂板覆巖組合結(jié)構(gòu)，終采線(xiàn)附近巷道頂板隔水層較厚，可以滿(mǎn)足長(zhǎng)距離定向鉆孔開(kāi)孔后固結(jié)止水套管的要求，在工作面中部巷道頂板隔水層較薄，可以在前序長(zhǎng)距離定向鉆孔的掩護(hù)下，選擇在已被疏放水后的Ⅲ含水層中進(jìn)行固結(jié)套管，長(zhǎng)距離定向鉆孔鉆進(jìn)層位如圖3所示。

圖3 長(zhǎng)距離定向鉆孔鉆進(jìn)層位

為了探查Ⅲ含水層的富水性，同時(shí)對(duì)Ⅲ含水層地下水向巷道滲流進(jìn)行截流，長(zhǎng)距離定向鉆孔鉆進(jìn)的層位選擇巷道頂板15m左右；根據(jù)鉆孔鉆進(jìn)層位與煤巖層起伏情況，鉆孔開(kāi)孔仰角為9°～20°；鉆孔鉆進(jìn)方向與掘進(jìn)巷道前方夾角為315.5°～337.5°；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的情況，鉆孔長(zhǎng)度為267～600m。在110207工作面輔運(yùn)巷和風(fēng)巷分別施工了8個(gè)和7個(gè)長(zhǎng)距離定向鉆孔，鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1，累計(jì)鉆探工程量7017m，對(duì)2條掘進(jìn)巷道實(shí)現(xiàn)了全覆蓋。

表1 掘進(jìn)巷道頂板長(zhǎng)距離定向鉆孔參數(shù)與施工情況

如果在巷道掘進(jìn)過(guò)程中采用常規(guī)鉆孔進(jìn)行探放水，按照鉆場(chǎng)間距100m，每個(gè)鉆場(chǎng)1個(gè)鉆孔，鉆孔仰角30°，鉆孔孔深150m，超前距30m，輔運(yùn)巷和風(fēng)巷共需要約56個(gè)常規(guī)鉆孔、8400m鉆探工程量。在巷道掘進(jìn)期間采用長(zhǎng)距離定向鉆孔進(jìn)行探放水節(jié)約工程量16%左右。

2.1.2 長(zhǎng)距離定向鉆孔結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)距離定向鉆孔均采用?94mm鉆頭進(jìn)行開(kāi)孔，采用?165mm擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔；擴(kuò)孔后下設(shè)?127mm，壁厚6mm的止水套管，以?96mm孔徑裸孔鉆進(jìn)至終孔位置，鉆孔結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 長(zhǎng)距離定向鉆孔結(jié)構(gòu)

2.1.3 長(zhǎng)距離定向鉆孔鉆進(jìn)與水量之間關(guān)系

長(zhǎng)距離定向鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中，對(duì)鉆孔出水量進(jìn)行了觀(guān)測(cè)，長(zhǎng)距離定向鉆孔進(jìn)尺與水量關(guān)系曲線(xiàn)如圖5所示，其中水量較大的鉆孔包括FY1-1、FY1-2、FY5-1和F1-1鉆孔，其水量均超過(guò)了80m3/h，同時(shí)這幾個(gè)鉆孔的水量隨鉆孔進(jìn)尺增速也較快，從鉆孔初始水量及水量隨進(jìn)尺變化情況可以看出110207工作面輔運(yùn)巷頂板Ⅲ含水層富水性強(qiáng)于風(fēng)巷，并且整個(gè)工作面Ⅲ含水層富水性表現(xiàn)為終采線(xiàn)(1902地質(zhì)鉆孔)附近最強(qiáng)，其次是工作面中部(1702和1602地質(zhì)鉆孔)，切眼(1502地質(zhì)鉆孔)附近富水性較弱。

圖5 長(zhǎng)距離定向鉆孔進(jìn)尺與水量關(guān)系曲線(xiàn)

2.2 基于長(zhǎng)距離定向鉆孔的含水層富水性分區(qū)

2.2.1 數(shù)據(jù)處理方法

由于長(zhǎng)距離定向鉆孔在施工過(guò)程中對(duì)鉆孔水量進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)，鉆孔在鉆進(jìn)過(guò)程中水量的增加幅度可以反映出含水層的富水性，以此作為掘進(jìn)巷道頂板Ⅲ含水層富水性分區(qū)的基礎(chǔ)資料。

具體計(jì)算方法為：將長(zhǎng)距離定向鉆孔單位進(jìn)尺內(nèi)的涌水量增加量除以鉆孔孔深增加量作為孔深增加量中點(diǎn)的富水性指數(shù)，例如鉆孔從A點(diǎn)鉆進(jìn)至B點(diǎn)，鉆孔長(zhǎng)度增加了l，其涌水量增加了Q，富水性指數(shù)F=Q/l(m2/h)，將F的數(shù)值賦值于A點(diǎn)與B點(diǎn)的中點(diǎn)，計(jì)算得到每個(gè)長(zhǎng)距離定向鉆孔不同位置的富水性指數(shù)，然后利用surfer軟件進(jìn)行差值和繪制富水性指數(shù)等值線(xiàn)圖，其中富水性指數(shù)越大，代表含水層富水性也越強(qiáng)。

2.2.2 掘進(jìn)巷道前方頂板含水層富水性分區(qū)

根據(jù)110207工作面輔運(yùn)巷和風(fēng)巷施工的長(zhǎng)距離定向鉆孔鉆進(jìn)進(jìn)尺與涌水量數(shù)據(jù)，繪制得到了110207工作面頂板Ⅲ含水層富水性指數(shù)等值線(xiàn)，如圖6所示。從圖6中可以看出，110207工作面頂板Ⅲ含水層的富水性指數(shù)為1～34m2/h，其中靠近F34、F39和F41斷層附近的含水層富水性指數(shù)較大，在工作面切眼位置及工作面機(jī)巷1702和1802地質(zhì)鉆孔附近富水性指數(shù)較小。

圖6 掘進(jìn)巷道頂板Ⅲ含水層富水性指數(shù)等值線(xiàn)

2.3 基于長(zhǎng)距離定向鉆孔的Ⅱ含水層與Ⅲ含水層水力聯(lián)系密切程度分析

每個(gè)長(zhǎng)距離定向鉆孔在施工完畢退鉆后立刻對(duì)鉆孔水量進(jìn)行觀(guān)測(cè)，每10天記錄一次鉆孔水量。長(zhǎng)距離定向鉆孔水量衰減曲線(xiàn)如圖7所示，可以看出，各鉆孔水量隨著疏放時(shí)間延長(zhǎng)基本上都呈衰減的趨勢(shì)，其中FY2-1、FY3-1和F1-1鉆孔在施工完畢后水量有短時(shí)的增加，隨后也呈波動(dòng)衰減的趨勢(shì)，并且這3個(gè)鉆孔水量的半衰期(水量衰減至初始水量1/2所需要的時(shí)間)分別為18個(gè)月、10個(gè)月和9個(gè)月，其他各鉆孔半衰期平均值為3.7個(gè)月，說(shuō)明FY2-1、FY3-1和F1-1鉆孔附近Ⅲ含水層在得到長(zhǎng)距離定向鉆孔疏放的同時(shí)接受Ⅱ含水層的水量補(bǔ)給，鉆孔水量在短時(shí)間內(nèi)衰減量較小，證明1902、1802和1702地質(zhì)鉆孔附近Ⅱ含水層與Ⅲ含水層之間的水力聯(lián)系強(qiáng)于其他區(qū)域。

圖7 長(zhǎng)距離定向鉆孔水量衰減歷時(shí)曲線(xiàn)

2.4 長(zhǎng)距離定向鉆探技術(shù)在掘進(jìn)巷道水害防治中的效果驗(yàn)證

2.4.1 富水性分區(qū)驗(yàn)證

從圖6中可以看出110207工作面存在兩個(gè)顯著的富水性較強(qiáng)區(qū)域：一個(gè)位于工作面風(fēng)巷靠近終采線(xiàn)位置(1號(hào)區(qū)域)；另一個(gè)位于工作面中部區(qū)域(2號(hào)區(qū)域)。1號(hào)區(qū)域位于F36和F34斷層的交匯位置，這個(gè)區(qū)域內(nèi)巷道頂板含水層受到構(gòu)造應(yīng)力的影響，地層較為破碎，在1號(hào)區(qū)域內(nèi)無(wú)論是長(zhǎng)距離定向鉆孔還是常規(guī)疏放水鉆孔水量均較大(10～12m3/h)。2號(hào)區(qū)域位于F39正斷層與F41逆斷層的交匯位置，1702與1602地質(zhì)鉆孔附近常規(guī)疏放水水量為20～30m3/h。除了1號(hào)區(qū)域和2號(hào)區(qū)域以外，常規(guī)鉆孔疏放水量均小于5m3/h。通過(guò)與井下揭露情況對(duì)比分析，圖6中Ⅲ含水層富水性分區(qū)結(jié)果與實(shí)際情況較為一致。

2.4.2 掘進(jìn)巷道水害防治效果驗(yàn)證

110207工作面與長(zhǎng)距離定向鉆孔水量變化相關(guān)關(guān)系如圖8所示，可以看出兩者之間的相關(guān)關(guān)系可以大致分為兩個(gè)時(shí)間段：2017年3月至2018年7月，工作面涌水量與長(zhǎng)距離定向鉆孔水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著長(zhǎng)距離定向鉆孔對(duì)Ⅲ含水層的疏放，掘進(jìn)巷道涌水量呈小幅下降趨勢(shì)；2018年8月至2020年11月，掘進(jìn)巷道涌水量與長(zhǎng)距離定向鉆孔水量呈正相關(guān)關(guān)系，隨著Ⅲ含水層靜儲(chǔ)量的消耗，兩者均呈逐漸減小的趨勢(shì)。

圖8 110207工作面與長(zhǎng)距離定向鉆孔水量歷時(shí)變化曲線(xiàn)

截至2021年1月，110207工作面巷道已經(jīng)掘進(jìn)到位，巷道僅為涌水量30m3/h，而2煤大巷長(zhǎng)度2900m左右，大巷在掘進(jìn)過(guò)程中涌水量為235m3/h。可以看出長(zhǎng)距離定向鉆孔對(duì)減少110207工作面巷道掘進(jìn)過(guò)程中涌水量起到了非常顯著的作用，有效緩解了巷道掘進(jìn)期間的排水壓力。

3 結(jié) 論

1)與常規(guī)鉆探技術(shù)相比，復(fù)雜水文地質(zhì)條件下采用長(zhǎng)距離定向鉆探技術(shù)減少探放水工程量16%左右，在前一個(gè)長(zhǎng)距離定向鉆孔的掩護(hù)下實(shí)現(xiàn)了后一個(gè)鉆孔在含水層中固結(jié)止水套管。

2)利用鉆進(jìn)過(guò)程中長(zhǎng)距離定向鉆孔的水量觀(guān)測(cè)資料，計(jì)算得到富水性指數(shù)F=1～34m2/h，對(duì)巷道頂板含水層富水異常區(qū)進(jìn)行了圈定，斷層周?chē)鷧^(qū)域的含水層富水性較強(qiáng)，通過(guò)頂板水疏放鉆孔水量的驗(yàn)證，圈定的富水異常區(qū)與實(shí)際較為一致，為工作面回采前大規(guī)模疏放水提供了布孔依據(jù)。

3)長(zhǎng)距離定向鉆孔在一定程度上對(duì)Ⅲ含水層起到了疏水降壓的作用，同時(shí)又避免了常規(guī)鉆孔對(duì)巷道頂板含水層大流量的疏放水，在較小疏放水量的前提下，起到了對(duì)地下水向巷道滲流補(bǔ)給的截流作用，實(shí)現(xiàn)了有效減少掘進(jìn)巷道涌水量的目的，為巷道掘進(jìn)的安全創(chuàng)造了條件。