地面定向钻探技术在煤层底板高承压含水层改造中的应用_王道坤.pdf

第 47 卷 增刊 1 煤田地质与勘探 Vol. 47 Supp.1 2019 年 9 月 COAL GEOLOGY water hazard control; surface directional drilling; multi-branch borehole; Hengyuan coal mine of Wanbei 随着皖北矿区煤炭开采深度、强度、速度的不 断增大，矿井水害已成为制约煤矿安全生产的主要 因素。煤层底板太原组灰岩水害以其高水压、补给 性强、致灾性强等特点，严重制约了皖北矿区的安 全生产。原有的井下钻探注浆治理配合灰岩含水层 疏水降压，已不能满足安全生产的需要。目前关于 ChaoXing 增刊 1 王道坤等 地面定向钻探技术在煤层底板高承压含水层改造中的应用 33 煤层顶、底板含水层防治，前人已开展了大量的研 究工作。郑士田[1]针对两淮煤田煤层底板含水层开 展了超前预测技术研究；李晓龙等[2]、金鑫等[3]针对 煤层底板奥灰水治理方案，开展了定向长钻孔适应 性研究；王存[4]对大同煤田石炭系岩溶承压水害开 展了技术分析，并提出了相应的治理技术；林玉祥 等[5]、吴玉华等[6]针对承压含水层开展实践治理；王 道坤等[7]、宋晓洪[8]、王经明等[9]在恒源煤矿开展了 地面顺层钻探注浆实践，有效地实现水害封堵和治 理。武强[10]对我国矿井水防控与资源化利用现状和 问题进行了梳理分析，并提出矿井水防治技术方向 和利用。 基于前人研究工作基础，笔者针对皖北矿区煤层 底板承压水害，利用地面定向钻进及高压注浆技术， 超前改造煤层底板灰岩含水层，增加了煤层底板隔水 层厚度及强度，降低了突水系数，以期保护地下水资 源， 减少了灰岩水的疏排量， 保证煤炭资源安全开采。 1 研究区概况 1.1 区域地质概况 恒源煤矿位于安徽省淮北市濉溪县。矿井采用 立井、 主石门、 分水平分采区开拓方式， 现有–400 m 和–600 m 两个生产水平，主采二叠系下石盒子组和 山西组 4 号、6 号煤层，煤层整体呈倾向 NW 的单 斜构造，倾角一般 315，为稳定中厚煤层，矿井 实际生产能力达 240 万 t/a。在开采深部 6 煤层时， 受到其下伏太原组灰岩岩溶水的严重突水威胁，矿 井水文地质条件类型为复杂型。 1.2 技术实施背景 在前期的采掘活动中，恒源煤矿因多次水患 影响矿井的正常生产。矿井进入–600 m 生产水平 后，六煤层灰岩水压逐渐增大。2006 年矿井率先 在皖北矿区建立了地面注浆系统，对受灰岩水害 威胁的六煤回采工作面，实施全程底板注浆加固。 但是随采掘活动的不断延伸，煤层底板灰岩水压 不断增大，底板注浆加固治理效果逐渐变差。 Ⅱ632 工作面在进行常规水害防治时，工作面中部温庄 向斜区域突遇复杂水情钻孔的单孔涌水量均较 大，单孔最大涌水量 180 m3/h，且每个钻场注浆 完成后，验证孔涌水量也较大，最大达 80 m3/h。 采用二次高压注浆后，效果仍然不理想。事实证 明，该处工作面底板灰岩水具有“水压高、富水性 强、溶洞裂隙连通性好、致灾性强”的突水特点， 常规的煤层底板注浆加固技术，已无法满足特殊 构造段的水害防治需求。经深入分析和详细研究 获悉，其主要原因为褶曲中关键含水层钻探目 标靶点的控制难度大、注浆钻孔终孔点偏差太多， 存在注浆盲区，现有的地面及井下注浆系统不能 满足大容量高压注浆的要求等。为彻底消除工作 面底板的强突水威胁，必须创新水害防治方法， 选择更先进的水害防治技术，才能保障强突水危 险工作面的回采安全。 1.3 工作面概况 恒源煤矿Ⅱ632 及Ⅱ633 综采工作面均位于Ⅱ63 采区上部， 其中Ⅱ632工作面是采区的首采工作面图1。 两工作面整体横跨温庄向斜，该向斜构造属短轴向 斜， 在工作面中间发育凹陷中心， 凹陷中心最低标高 –785 m，向斜轴部两翼煤岩层倾角较大，最大达 24。 工作面煤层形态受其控制，整体呈现中间低、两头翘 的形态，单巷煤层最大高差 164 m，工作面底板承受 的最大灰岩水压为 5.3 MPa， 突水系数为 0.12 MPa/m， 远远超过 0.06 MPa/m 的安全开采突水系数。 图 1 恒源煤矿Ⅱ632 工作面和Ⅱ633 工作面水害防治工程施工布置平面图 Fig.1 Plan of layout of water hazard control engineering in working face II632 and II633 in Hengyuan coal mine ChaoXing 34 煤田地质与勘探 第 47 卷 2 地面顺层多分支钻探注浆技术 2.1 技术原理 地面顺层多分支钻探注浆技术是将随钻导向测 量技术与地面注浆技术相结合，利用地面定向钻孔 实现区域水害超前注浆治理。地面导向钻孔施工直 孔段、造斜段及顺层分支孔段。本次在研究区Ⅱ63 采区治理区域内的三灰岩层中顺层钻进，区域性超 前探查煤层底板三灰地层的溶洞裂隙及隐伏构造， 并进行高压注浆封堵，通过分段“探注结合”施工， 有效封堵 6 号煤底板三灰地层的溶洞裂隙及微裂隙 通道，在煤层底板形成一个整体的“水泥止水塞”， 阻隔来自三灰及下部含水层中的灾害水源，以消除 底板高压灰岩水突水威胁。 该技术能在地表依次序施工地面多分支近水 平顺层钻孔群，并呈线网状分布孔间距 5070 m， 以便对治理区段 6 号煤层底板三灰含水层的各类 储、含水空间和导水通道进行探查及注浆封堵， 彻底切断突水通道，阻断三灰、三灰以下太原组 灰岩及奥陶系灰岩水涌入工作面，实现超前治理 突水灾害的目标。研究区钻孔剖面示意图如图 2 所示。 图 2 恒源煤矿 HY1 和 HY2 主孔实钻轨迹剖面示意图 Fig.2 Schematic cross-section of the actual drilling trajectory of the main boreholes HY1 and HY2 in Hengyuan coal mine 2.2 施工流程 地面顺层多分支钻探注浆技术是一项复杂的现 场施工工艺，施工流程严密，施工前需要编制完善 的施工设计流程，包括精确的钻探设计、准确的判 层、精准的钻孔导向和完善的注浆保障系统，以保 障技术工程顺利开展。图 3 是本次水害防治技术的 工程施工流程图。 2.3 关键技术 恒源煤矿Ⅱ63 采区温庄向斜轴部区域，地面顺 层孔钻探注浆工程的最大施工难点是地层产状变化 较大。向斜东部煤层埋深从 SE 向 NW 依次增加 700780 m，倾角由 6左右逐渐增加到 24；西部 埋深从 NW 向 SE 逐渐增加680780 m，倾角由 7 逐渐增加到 24，再加上次级小向斜的影响，煤层 等高线呈近“8”字形分布， 对顺层分支孔布置的影响 非常严重，钻孔导向施工控制的难度极高。其次是 三灰含水层厚度仅约 5.5 m， 若遇落差 3 m 以上的断 层等地质构造，极易发生钻孔穿层形成注浆盲区， 造成加固质量差。再次是煤层埋藏深、水压高、钻 孔长度大。以上 3 方面因素给钻探注浆加固技术带 来一定风险。 钻孔精准定向技术是保证该工程成功的最关键 因素。目前国内煤矿地面预注浆钻孔施工中，定向 钻进大都采用 JDT-5 型、JDT-6 型陀螺测斜定向仪， 对钻孔进行孔斜监测及定向纠偏。但是，这些仪器 其工作过程相对繁琐，测斜定向精度偏低，而且不 能随钻作业，无法满足恒源矿特殊构造中水害防治 的特殊需要。 ChaoXing 增刊 1 王道坤等 地面定向钻探技术在煤层底板高承压含水层改造中的应用 35 图 3 地面顺层多分支钻探注浆技术施工流程 Fig.3 Operation flowchart of grouting technology of surface bedding multi-branch drilling 为提高钻孔定向精度，本次定向钻进工程的 定向和测斜采用更先进的 SMWD-76S 型泥浆脉冲 式无线随钻测斜仪，该无线随钻测斜仪可在钻井 过程中及时进行全参数测量，泥浆脉冲发生器将 井下探管测得的数据发送到地面，经计算机系统 采集处理后，得到实时的井身参数图 4。使用该 测斜仪不但提高了测斜定向精度，而且能随钻进 作业实时监测定向参数，同时，依据监测到的钻 遇构造岩粉变化情况，及时调整定向钻进的施工 方案，有效保证注浆孔的实际轨迹与设计轨迹高 度吻合。 2.4 地面顺层多分支钻探注浆技术的突出特点 与其他水害防治技术相比，地面顺层多分支钻 探注浆技术具有以下几点突出的技术优势 a. 实现顺层定向钻进 通过特殊孔内工具、测 量仪器和工艺技术有效控制钻孔轨迹，使钻头沿着 特定方向钻进并到达地下预定目标靶区。 b. 实现了“随探随注，探治结合” 消除因孤立 图 4 地面顺层多分支钻探注浆技术的施工流程 Fig.4 Operation flowchart of grouting technology of surface bedding multi-branch drilling 多点式井下注浆加固产生的盲区， 形成面状封闭层， 高效杜绝底板突水事故的发生，且该技术注浆压力 高、孔径大、扩散广、注浆流量大、连续性强，能 大幅度地提高矿井防治水工作效率和防治效果。 c. 彻底解决井下防治水探注施工与掘进工序 无法同时进行的技术难题 通过井下防治水地面施 工技术及工程，显著降低了施工中的安全风险。 d. 探查目标的准确性 通过随钻测量实时监 测，准确判断探查目标的位置，控制探查区域范围、 距离及方位。避免探查目标的盲目性和位置的不确 定性。 3 施工效果及推广应用 在Ⅱ63 采区温庄向斜轴部区域实施地面顺层 孔钻探注浆技术工程，顺利地完成了温庄向斜轴部 区域构造复杂段强突水区的水害防治，治理区井下 验证孔的涌水量均在 5 m3/h 以下，达到了预期的水 害防治目标。目前，Ⅱ632 工作面已顺利回采结束， 安全地采出原煤 168 万 t。 整个回采过程未发现灰岩 涌水现象。 地面顺层多分支孔钻探注浆工程在恒源煤矿的 实践，取得了良好的水害防治效果。目前，恒源煤 矿已先后开展了三期探注工程，根据采掘接替，规 划在Ⅱ63采区深部进行全覆盖的地面区域顺层孔加 固治理。表 1 是地面顺层多分支孔钻探注浆工程的 施工情况统计表。 表 1 是地面顺层多分支孔钻探注浆工程的施工情况统计表 Table 1 Statistics of grouting engineering of surface bedding multi-branch drilling in Hengyuan coal mine 工程期次 工程位置名称 钻探进尺/m 注浆水泥用量/t 工程费用/万元 备注 技术试验阶段 Ⅱ632和Ⅱ633工作面温庄向斜轴部 10 366.4 7 559 3 978.07 已完工 推广应用阶段 Ⅱ633工作面两翼 13 703.0 15 123 4 173.06 已完工 超前治理阶段 Ⅱ634及Ⅱ635工作面 23 160.0 18 000预计 4 999.99预计 施工中 超前治理规划 Ⅱ63采区Ⅱ635工作面以深区域 规划中 注Ⅱ632 和Ⅱ633 工作面钻探施工 2 个主孔，13 个分支孔；Ⅱ633 工作面两翼施工 2 个主孔，17 个分支孔；Ⅱ634 及Ⅱ635 工作 面施工 3 个主孔，29 个分支孔。 4 结 论 a. 形成了适应于皖北矿区太原组灰岩岩溶发 育的煤层底板薄层定向钻进技术，为防治水定向钻 孔的顺利施工提供了技术指导。 b. 定向钻进技术注浆压力高、流量大、连续性 ChaoXing 36 煤田地质与勘探 第 47 卷 强， 大幅度提高了矿井防治水工作效率和防治效果。 降低了井下钻探注浆施工存在的安全隐患。 c. 采用泥浆脉冲式无线随钻测斜技术，有效保 证了定向钻孔的实际轨迹与设计轨迹相吻合。 参考文献 [1] 郑士田. 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