煤層底板水害防治地面定向水平孔技術研究

王翔

摘要：地面定向水平孔煤層底板預注漿防治水技術已經成為礦井煤層底板水害防治主要方法之一，利用地面定向水平孔可對煤層底板含水層進行超前探查和注漿治理。根據趙固一礦18031工作面地層條件，介紹了地面定向水平孔煤層底板超前注漿防治水技術方案。結合現場施工情況，總結了大水垂比地面定向水平孔施工技術要點及參數，為地面定向水平孔在煤層底板水害防治中的進一步推廣提供了參考。

關鍵詞：定向水平孔；煤層底板；水害防治

前言

趙固一礦18031工作面治理區域長為950m左右，寬為180m左右，地質條件復雜，太原組上段灰巖含水層組主要含水層L8厚度6.9-10.9m，上距二1煤層底板25-28.7m，水壓5.0～6.3 MPa，突水系數為0.17-0.25MPa/m，受張性斷裂構造及大斷層影響，容易與O2灰巖和L2灰巖含水層產生水力聯系，給采掘及回采工作帶來嚴重的水害威脅。為了避免煤層底板突水，保證巷道順利掘進和煤層安全開采，趙固一礦采用新型的地面水平孔煤層底板超前注漿防治水技術對18031工作面二1主采煤層以下L8灰巖含水層進行探查治理。

一、地質概況

（一）地層條件

趙固一礦18031工作面主采煤層為二疊系山西組二1煤層，煤層厚度為5.5-6.2m，平均5.8m，煤層傾角3°～10°，屬全區可采的近水平穩定型厚煤層，煤層埋深為525-590m，上覆巨厚層沖積層，屬第四系、新近系全掩蓋層，巖性為黃土、砂質黏土及礫石層，厚度為460-530m，并且煤層頂板基巖較薄，巖性為砂巖、砂質泥巖互層，厚度為60-65m，二1煤層屬于典型的巨厚沖積層薄基巖煤層。

（二）水文地質條件

二1煤層底板直接含水層為太原組上段灰巖含水層（L9、L8、L7灰巖），距二1煤層底板的距離為25.00-28.7m，其中L8灰巖發育較好，含水層厚度平均8.75m，巖溶裂隙較發育，滲透系數9.82～10.94m/d；間接含水層為太原組下段灰巖含水層（L2、L3灰巖）及中奧陶統灰巖巖溶裂隙含水層（O2灰巖），上距二1煤層底板距離分別為89.27～104.36m、118.26～142.58m，其中L2灰巖發育較好，一般厚度15m左右，為富水性較強的含水層。O2和L2灰巖含水層會與L8灰巖含水層產生水力聯系，給采掘工程帶來嚴重的水害威脅。

二、地面定向水平孔煤層底板注漿治理方案

（一）總體方案

鑒于18031工作面水文地質條件的復雜性，采用地面定向水平孔煤層底板超前注漿防治水技術，在地面施工長距離大水垂比定向鉆孔對L8灰巖含水層進行超前探查及注漿加固，通過鉆孔注漿來充填底板灰巖含水層的巖溶裂隙和導水裂隙，從而減弱含水層的富水性并切斷水源補給通道，使受注含水層變為隔水層或弱含水層，同時提高二1煤層底板一定厚度范圍內抗水壓的能力，降低井下采掘期間水害威脅程度。

（二）地面定向水平孔設計

1.鉆孔布置

地面定向水平孔煤層底板超前注漿防治水技術，在地面合適位置布置鉆機，通過直孔段、造斜段的施工，使鉆孔變為水平方向，可沿巷道和煤層底板順層鉆進，同時充分利用地面定向鉆孔技術的優點，可利用一個主孔施工多個水平分支孔，參考傳統的井筒地面預注漿經驗，同時結合趙固一礦18031工作面煤層底板超前注漿技術和地層條件，選擇在18031北部布置一個主孔，即注2主孔對18031工作面北部進行治理，根據漿液擴散距離，水平分支的間距為45m左右，所以，注2主孔進行6個水平分支孔施工，對整個采面進行探查和治理。

2.鉆孔結構

結合以往類似項目施工經驗，同時考慮到趙固一礦地層條件，加之定向水平孔注漿要求，地面定向水平孔多采用三開結構、兩層套管的形式， 即一開孔段和二開孔段均需下入套管，一開套管將鉆孔與表土層隔離，以保證下部鉆孔順利鉆進；二開套管下至治理灰巖層上部，將鉆孔與煤層等隔離，以保證灰巖段注漿效果；三開為裸孔段（注漿段），沿治理灰巖層鉆進。

（1）一開孔段，孔徑Φ350mm，下入Φ244.5×8.94mm套管，進入基巖內不少于10m，并用單液水泥漿進行固管。

（2）二開孔段，孔徑Φ215.9mm，下入Φ177.8×8.05mm套管，下至L8灰巖層位上部，并用單液水泥漿對套管下部分孔段進行固管。

（3）三開孔段，孔徑Φ152.4mm，沿L8灰巖順層鉆進，為裸孔段。

該鉆孔結構采用三開形式，其優點是鉆孔安全，但由于表土層較深，一開孔段既需要造斜，還需要下入大孔徑套管，導致施工難度大，同時一開孔段和二開孔段套管重合段長，所以施工時間長，施工費用高。

三、現場施工情況

趙固一礦18031工作面注2鉆孔采用該施工工藝，成功克服了地面水平孔孔在深厚沖積層、薄基巖煤層底板加固技術中的施工難點，成功實現了深厚層沖積層大頂角造斜成孔、大口徑套管下放、固管工作；三開水平孔段水垂比突破了以往地面L型水平孔在巖層中鉆進水垂比為2的慣例，創造了水垂比為2.39的記錄；三開水平孔段鉆孔軌跡偏差控制在3 m的誤差范圍之內，其成功揭示了灰巖層段以及斷層的存在。

四、結論與展望

地面定向水平孔為煤層底板探查和治理提供了更多選擇，大大避免了井下探查和治理不安全因素，有效調高了施工安全可靠性；同時鉆孔水垂比的提高，也大大提高了鉆孔的有效利用率，縮短了鉆孔施工時間，從經濟角度，其效果也是相當可觀的。雖然大水垂比地面定向水平孔技術得到了應用，但在以后的工作中，仍需進一步探索，例如，如何更合理的設計鉆孔布孔間距，如何將采面治理轉變為區域治理，進而進一步在時間和空間上提高鉆孔的有效利用率，這是我們后續工作中仍需努力的。