詹紹奇，孔皖軍，徐燕飛

(1.煤炭開采國家工程技術研究院，安徽 淮南 232001；2.鄂爾多斯市華興能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017002；3.煤礦生態(tài)環(huán)境保護國家工程實驗室，安徽 淮南 232001)

0 引言

中國是世界最大的煤炭資源生產與消費國[1]，隨著煤炭產業(yè)的快速發(fā)展，煤礦安全事故是制約煤炭資源開采的主要威脅，地質異常體因其富水性對煤礦安全生產存在極大的安全隱患[2]，常見地質異常體包括斷層、陷落柱、巖溶等，往往會形成導水構造，近80%的礦井安全事故是由地質異常體誘發(fā)[3]，受地質異常體影響導致的煤礦水害事故時有發(fā)生[4 -6]。

進行超前探查治理可從根本上排除地質異常體致災的潛在危險[7]。長久以來對于煤礦地質異常體的治理均是在工作面運輸巷道和回風巷的井下完成[8]，隨著防治思路轉變和穩(wěn)定組合鉆具的定向鉆進技術的完善，地面定向鉆探技術與地面注漿技術結合在地質異常體探治方面取得了良好的應用[9]。其中地面定向水平鉆進是由常規(guī)定向鉆進發(fā)展起來的，在施工中具有跟蹤和導向功能，其先垂直鉆進(直線段)，后偏斜鉆進，形成曲線孔段，再以水平方向沿礦層(如煤層)或目標層鉆進[10]，再將一種或幾種材料按比例配置成漿液，用壓送設備將其壓入含水層或軟弱松散層中凝固膠結，可以起到堵水或加固作用[11 -12]。

唐家會煤礦隸屬于華北型煤田，受奧灰水害威脅嚴重，地質異常體易形成導水構造，為安全生產增加潛在風險，將地面定向水平鉆井與注漿改造技術結合應用于地質異常體治理，可準確進入目標層實施注漿堵水和底板加固工程，從而達到較好的治理效果[13 -14]。

1 礦井及地質異常區(qū)概況

唐家會煤礦位于準格爾煤田中部，總體地形北高南低，最高點海拔標高為+1 356.87 m，最低點海拔標高+1 161.30 m，相對高差最大195.57 m，一般海拔+1 220～+1 300 m，相對高差80 m左右。唐家會煤礦開采華北型石炭 -二疊系煤層，主采6號煤層為帶壓開采，底板承受奧灰水壓力約為1 MPa，煤層與奧灰距離約為35～58 m，由于6號煤層底板奧灰富水性強且斷層(構造)發(fā)育，6號煤層底板受奧灰水的威脅極大[15 -16]。

在61303工作面運輸通過底板順層定向長鉆孔對61304工作面進行超前底板探查工程中，由于61304工作面靠近切眼端的第5組底板順層長鉆孔，發(fā)現(xiàn)ZL10-2、ZL10-2-1和ZL10-2-2三孔存在地質及水文地質異常(見表1)，3個孔出水量均大于9下煤砂巖層位中施工鉆孔的正常涌水量(一般小于5 m3/h)。分析后認為異常區(qū)溝通下伏奧灰水，對61304工作面安全開采威脅極大，后對3個異常鉆孔進行封閉，共注水泥49.5 t，注漿壓力達9 MPa。

為查明異常區(qū)的準確位置，對該區(qū)重新進行地面精細三維地震解釋工作，發(fā)現(xiàn)61304工作面存在地質異常區(qū)(編號：Y6)，Y6地質異常區(qū)向南延伸到61305工作面內，因此6號煤層后續(xù)其余工作面開采亦受奧灰水的威脅，如圖1所示。

2 治理層位選擇

相鄰61303工作面斷面鉆孔光纖及并行電法多參數(shù)綜合測試表明，6號煤層底板巖層破壞帶深度為15.5 m，位于細砂巖巖層上部，破壞擾動最大深度為32.0 m，位于砂泥巖巖層下部，具體情況如圖2所示?！跋氯龓А崩碚摫砻鳎诿簩娱_采過程中，煤層底板巖層由上到下形成底板導水破壞帶、有效隔水層保護帶和承壓水導升帶，根據(jù)唐家會煤礦實測，6號煤層底板破壞帶h1最大值為16.5 m。

表1 異常鉆孔概況

圖1 61304工作面Y6異常區(qū)范圍示意Fig.1 Schematic diagram of Y6 abnormal area in 61304 working face

圖2 工作面“下三帶”及注漿層位示意Fig.2 Schematic diagram of “l(fā)ower three zones” and grouting horizon of working face

因6號煤層與奧灰間距35 m以上，測試結果表明工作面回采不會對奧灰層位產生擾動，將治理目標層位定為6號煤層底板奧灰頂界面下10～20 m，可以有效改造奧灰含水層頂界面，阻斷奧灰水頂界面導水裂隙等通道，見表2。

表2 61303工作面底板破壞測試結果匯總

3 工程設計與施工

3.1 鉆孔布設

將61304工作面Y6異常區(qū)注漿改造工程分為鉆井施工和注漿工程2個方面[17]。

鉆井施工：采用地面多分支水平定向水平順層鉆進技術，利用螺桿鉆具等井底動力工具與無線隨鉆測量儀器共同作用[18]，形成孔斜角大于86°，鉆進至目標層，使原來在治理區(qū)內的無聯(lián)系溶洞、斷裂構造等相互連通，然后通過注漿消除這些異常地質構造，達到目的層區(qū)域治理的效果。綜合考慮工作面及煤層展布情況、構造特征、鉆探施工效能等因素，布設鉆孔DY1并進行“地面定向近水平順層分支鉆孔群”施工，揭露6號煤底板奧灰含水層溶隙、裂隙等儲水空間和導水通道。施工順層間距40 m左右的近水平定向分支鉆孔，最大限度揭露Y6異常區(qū)及奧灰頂部區(qū)域儲水空間和導水通道，為注漿改造提供有利條件。鉆孔設計如圖3所示。

圖3 鉆井平面布置Fig.3 Plane layout of drilling

注漿工程：在鉆孔揭露Y6異常區(qū)及奧灰頂部溶隙、裂隙帶的條件下，通過分段、分序次連續(xù)高壓注漿對裂隙及導水通道進行封堵，達到有效改造Y6異常區(qū)，進而達到保障礦井安全生產和減少礦井涌水量保護地下水資源的目的[19]。

3.2 井身結構

注漿鉆井工程DY1孔采用三開井身結構如圖4所示。首先開垂直井段，固井下表套后，開采取大角度定向鉆進工藝，近水平進入奧灰頂部；下套管隔絕煤系地層，避免漿液無效流失和較軟巖層的塌孔事故；開各分支順奧灰頂部下10～20 m鉆進，沿鉆孔軌跡揭露Y6異常區(qū)，探明Y6異常區(qū)的發(fā)育情況。

圖4 井身結構示意Fig.4 Schematic diagram of mine structure

開采用逐級擴孔方式達到設計孔徑。首先采用φ244.5 mm的牙輪鉆頭鉆進至230 m，然后采用φ346 mm的牙輪鉆頭擴孔鉆進至230 m后，下入φ273 mm×8.89 mm的表層套管，并固井水泥上返至井口，隔離松散地層。

開采用φ244.5 mm的牙輪/PDC鉆頭，鉆進工程量447.63 m，進入到奧灰風化帶以下的完整灰?guī)r中，下入φ193.68 mm×8.33 mm的表層套管，固井水泥上返至井口。

開采用三開孔徑φ152 mm PDC鉆頭/三牙輪鉆頭，三開水平井的著陸點在奧灰中，按奧灰頂界面以下10～20 m順層進行水平段鉆進，保證鉆孔揭露層位始終在奧灰中。

3.3 注漿工程設計

3.3.1 注漿參數(shù)

注漿材料：①水泥，采用符合國標(GB175-92)的32.5R普通硅酸鹽水泥；②粉煤灰，采用符合國標(GB1596-91)的Ⅱ級粉煤灰；③水(本工程注漿用水從鄰近的奧灰孔中抽取)。

注意事項：注漿漿液應先稀后稠，注漿孔口終止壓力根據(jù)區(qū)域標高來確定，根據(jù)61304工作面奧灰含水層最大靜水壓力等，綜合確定終止壓力為注漿地面孔壓力6 MPa。泵量達到35 L/min以下且注漿穩(wěn)壓達到設計壓力，并穩(wěn)定20 min以上即可結束單孔注漿，否則繼續(xù)。注漿漿液通過注漿孔，以全孔段注漿方式泵入，充填到奧灰含水層頂部溶洞的裂隙中。采用由稀到稠的連續(xù)注漿方式使混合液通過注漿孔充填到溶洞裂隙中去。

3.3.2 注漿工藝

工程采用孔口封閉靜壓式全孔段注漿法。在每次注漿前先進行全泵量壓水試驗，沖洗注漿管路及孔內巖石裂隙。其中，注漿分為以下3個階段。

常壓注漿階段：在注漿開始階段，裂隙中只有奧灰水，當注入混合漿液后，由于混合漿液密度大于裂隙中的奧灰水密度，混合漿液利用自重即可進入奧灰裂隙中，起到混合漿液替代奧灰水的作用。

加壓注漿階段：此階段注漿壓力從靜水壓力逐漸升壓的狀態(tài)下進行，其目的是封堵小裂隙通道，在壓力的作用下，使?jié){液橫向、縱向上進一步擴散，增加鉆孔注漿的控制范圍，由點—線—網—面，最后壓實固結，形成一個整體。

高壓注漿階段：后期階段高壓注漿是為了鞏固前期注漿效果，由于奧灰水水頭壓力高，加壓注漿階段混合漿液凝固抗壓能力<水頭壓力，所以在加壓注漿階段后期要注漿調整水泥注入量，并加大注漿壓力。根據(jù)實驗要求，高壓注漿階段注漿孔口壓力選擇6 MPa，當壓力穩(wěn)定20 min以上后停止注漿，進行掃孔。

4 治理效果

唐家會煤礦Y6異常區(qū)地面定向水平鉆井注漿治理工程實際完成1個主孔、9個分支孔，鉆探工程量4 784 m。其中：直孔段230 m，造斜段400 m，水平鉆孔鉆探工程量4 154 m；共進行壓水試驗18次、高壓注漿18次，累計注入水泥及粉煤灰漿液19 762 m3，共注入水泥6 434 t，粉煤灰230 t。

鉆探取樣及注漿結果表明，工程施工區(qū)域內奧陶系灰?guī)r巖溶以微裂隙發(fā)育為主，且發(fā)育不均衡，呈各向異性，未發(fā)現(xiàn)明顯斷層、巖溶陷落柱。通過對分段注漿后后續(xù)孔段鉆井液消耗量變化趨勢的分析，采用純水泥漿注漿時水泥漿液最小擴散半徑為24.57 m，以40 m的分支間距施工，可以實現(xiàn)對異常區(qū)的“全覆蓋”。添加粉煤灰時水泥漿液擴散半徑為9.66～24.28 m，粉煤灰的添加不利于水泥漿液的擴散。

經過計算，10個定向分支水平鉆孔在本次工作的Y6異常區(qū)基本實現(xiàn)交叉全覆蓋，注漿治理覆蓋范圍面積12.05萬m2。通過本次探查與治理工作，對Y6異常區(qū)及其影響區(qū)域6號煤底板奧灰?guī)r溶裂隙與導水通道進行有效封堵，61304工作面安全通過異常區(qū)，有效保障礦井安全生產。

5 結論

(1)通過對綜合錄井判層、鉆進異常、鉆井液消耗量、壓水試驗、分支注漿量以及施工中未出現(xiàn)卡鉆、空推、掉鉆等巖溶異常發(fā)育現(xiàn)象等成果資料的綜合分析，有效查明目標層巖溶異常區(qū)的發(fā)育情況。

(2)地面定向水平鉆井技術能夠準確施工至目標層位，對目標層位進行全方位探測和精準治理，為水害區(qū)域治理提供可靠的技術和設備保障。

(3)地面定向鉆井注漿改造含水層技術具備勞動強度小、周期短、效果優(yōu)等特點，豐富和完善了水害區(qū)域探查及治理技術手段。