淮南潘二礦西四采區灰巖水害地面區域治理技術研究與應用

程甄(安徽省煤田地質局第三勘探隊，安徽 宿州 234100)

0 引言

煤炭在我國能源結構中仍然占據主要地位，煤炭的開采需求一直居高不下，煤炭的開采深度也在不斷增加，而灰巖水害對礦井的危害也日益增長。根據淮南潘二煤礦的生產接替規劃，需要解放部分A 組煤資源儲量來保障礦井生產需要。隨著A 組煤的開采，煤層底板的隔水層厚度也在不斷減小，加之開采時對地層的擾動破壞，極易發生突水事故，嚴重影響煤礦的安全生產。為保障工作面的安全開采，需要對采區底板進行探查治理。現階段針對灰巖水害采用多分支水平井注漿技術對采區底板進行改造成為了灰巖水害治理的重要手段之一[1-2]。

1 地質概況

淮南潘二煤礦位于安徽省淮南市潘集區境內，本次探查治理區位于西四采區陶王背斜南翼，地層整體走向西北60～70°，該區域地質構造相對復雜，斷層發育，受斷層影響其附近煤層其結構與厚度也存在異常變化。根據現有地質勘探資料以及巷道的實際數據進行綜合分析，D5 孔組治理區域內存在長度超過1 000 m 斷層共七條，分別為F252、XF206、DF59、F521、DF116、DF115、Fh。

治理區域A 組煤的直接充水含水層主要為3煤頂板煤系砂巖裂隙含水層組和1 煤底板灰巖巖溶裂隙含水層組。1 煤底板至C31層灰巖頂板厚度為11.80～22.62 m，正常情況下，太灰與A 組煤不存在水力聯系，而與奧灰存在一定的水力聯系。在對A 組煤進行采掘的過程中會導致巖層之間的水動力平衡被破壞，使太灰水直接從1 煤底板進入巷道。根據“5.25”突水事故證明，在非正常條件下，底板灰巖存在隱伏垂向導水構造，一旦破壞和影響到隱伏垂向導水構造，奧灰的巖溶含水層將會成為礦井直接充水的主要水源[3]。

2 地面區域治理方案

為完成井下安全開采的目的，需要對灰巖水害進行超前治理，以往使用的底板注漿改造技術局限性較大，需要采、探、治相結合，會造成施工周期的延長，治理深度和面積都難以滿足持續采煤的需求，受井下環境影響，不僅施工難度大，還具有一定的風險性[4]。本次治理采用多分支水平井注漿技術，就很好的避免了以上問題。根據治理區域的水文地質情況選擇合適的施工層位，從地面施工一個水平孔作為主孔，再從主孔施工分支孔輻射至整個治理區域，對治理區域水平方向進行全面探查，揭露可能存在的導水構造并通過注漿來進行改造，使A 組煤達到安全的開采環境。

2.1 施工目的層

目的層的選取是地面區域治理的關鍵，既決定了地面區域治理的效果，又關乎地面區域治理進度及成本。根據以往施工總結經驗，淮南地區影響地面區域治理目的層位選擇的決定性因素是突水系數要求，是確保煤礦井下安全開采的必要條件。其他因素如：含水層水力聯系和水動力條件影響地面區域治理進度；導水構造關系地面區域治理成本與效果；灰巖間距影響注漿后的隔水性能，這些因素對地面區域治理的施工和治理效果也起到重要作用。

淮南潘二礦地面治理區域的水文地質條件，綜合考慮突水系數要求、水動力條件、含水層水力聯系、導水結構、灰巖間距等(表1)影響因素分析，選擇C39作為地面區域治理較為合適。

表1 目的層選擇簡表

2.2 鉆探施工

兩淮煤田水害防治多分支水平孔一般采用三開式井身結構：

(1)一開段，0～340.00 m，孔徑φ350 mm，至基巖面以下30 m 左右的穩定地層(孔深以實際揭露為準)，下入φ273×8.89 mm J55 石油套管，不低于P.O42.5型水泥固井，隔離第四系、表土地層。

(2)二開段，340.00～860.02 m，孔徑φ244.5 mm，鉆進至目標層(1 煤底板80 m 深度或太原組C39 灰巖)，接近順層，下入φ193.7×8.33 mm N80 石油套管；不低于P.O42.5 型水泥固井。

(3)三開順層裸孔段，孔徑φ152.4 mm，沿1 煤底板80 m 深度跟深鉆進或沿太原組C39 順層鉆進至設計終孔深度。

在完成主孔的鉆探與注漿施工后，在主孔合適位置處進行側鉆施工，將多分支水平井孔組以羽狀分布對治理區域進行全面覆蓋，最大程度揭露治理區域的導水構造。根據《安徽省煤礦防治水和水資源化利用管理辦法》規定“地面順層定向鉆孔間距根據注漿擴散半徑合理確定，未考察注漿擴散半徑的孔間距不大于60 米”[5]。在保證鉆孔偏差不大于2 m 的前提下，鉆孔間距定為55 m。

2.3 注漿施工

通過鉆探對目的層進行探查，揭露目的層存在的導水通道和儲水空間，再通過注漿對揭露的導水通道和儲水空間進行封堵填充，從而將1 煤與灰巖之間的垂向導水通道進行填充加固，避免A 組煤開采過程中灰巖水涌入巷道，保障礦井的安全生產[6]。

注漿材料主要為水泥，采用M32.5 水泥。漿液比重和配比：漿液比重1.20～1.60 g/cm3。漿液以1.20 g/cm3起注，起注2～4 h 后調整漿液比重至1.29 g/cm3，正常注漿以漿液比重1.29 g/cm3結束。如果出現漏失量較大的孔段，可以適當增加泥漿比重，要求泥漿比重最大不能超過 1.60 g/cm3。正常情況下，注漿終壓應不小于鉆孔水平段所在位置奧灰含水層靜水壓力的1.5 倍，維持30 min，排量不大于60 L/min，吸水率不大于0.01 L/(min·m·m)；當鉆進過程中發生沖洗液漏失大于3 m3/h 時，需要起鉆進行注漿加固后，再向前鉆進。

3 施工難點

由于淮南潘二煤礦地質構造復雜，斷層發育，煤層受斷層切割破壞嚴重，同時地面水平孔現場布置受地面建筑等因素的限制，導致地面水平孔施工過程中存在非常多的技術難點。為解決施工過程中存在的問題，從多方面出發研究分析問題產生的原因從而提出更好的解決方法。

3.1 鉆進難度大

施工水平段最長為1 350 m，隨著鉆進孔深的段增加，鉆具水平段與孔內接觸面積也成比例增加，使得鉆進過程中受到的摩阻和扭矩不斷增高，導致鉆壓全部作用在鉆具上，未能傳遞到鉆頭處。并且由于施工地理位置影響，導致部分分支孔需要逆地層走勢鉆進。隨著鉆壓和扭矩的不斷增加，扭矩和壓力無法釋放，會嚴重損傷鉆具，甚至破壞孔壁造成埋鉆和憋泵。

3.2 順層難度大

綜合考慮突水系數要求、水動力條件、含水層水力聯系、導水結構、灰巖間距等因素將治理層位選擇為C39灰巖，C39平均厚度1.69 m，治理區域內褶皺及斷層構造較多，順層難度很大。C39頂板巖性以多為砂泥巖互層，C39底板板巖性以砂質泥巖為主，夾薄煤層，這種層位的鉆孔孔壁不穩定，易埋鉆卡鉆。

3.3 易形成巖屑床

鉆具在水平段受重力作用下靠近下井壁，使的鉆井液上返過程中在鉆具上下兩側產生流速差，甚至下側流速有可能為零，使得巖屑更易出現沉積，難以清理，并導致巖屑床的產生[7]。隨著水平距離的增加，鉆孔軌跡上下起伏情況更嚴重，巖屑在起斜段也更易形成巖屑床。巖屑床無法清理會逐漸加厚，從而影響使鉆具摩阻增大，影響施工進度，還會造成卡鉆事故。

4 關鍵技術

4.1 無芯鉆進跟層技術

本工程鉆進方法為無芯鉆進，在長距離順層鉆進的過程中，需要同時對鉆進過程中遇到的地質異常情況進行判斷分析，便于查明1 煤底板可能存在斷層裂隙或陷落柱等地質異常體。雖然目前定向技術已經日漸成熟，但通過射線傳遞反饋信號存在滯后效應，不利于及時發現異常情況。為保障鉆孔在目的層位內順層鉆進以及異常情況判斷，采用“無線隨鉆測量、隨鉆伽馬測井、巖屑錄井、鉆時錄井、鉆井液錄井相結合”的綜合井控工藝[8]，將既得數據與以往數據快速對比分析，結合探查區域地質信息，對鉆孔軌跡進行及時調整。

4.2 鉆具組合

根據理論研究及現場施工經驗，結合所鉆遇地層及定向施工需要，水平分支段前期采用φ152.4 mmPDC鉆頭+ φ121 mm 單彎螺桿+ φ121 mm 定向短接+ φ121 mm無磁鉆鋌(MWD+Gamma)×1 根+ φ89 mm 鉆桿串。后期由于鉆具為平躺在井眼中，受重力作用和地層走勢的影響，鉆具下部緊貼孔壁，摩擦阻力與扭矩大，直井段自重不易傳遞到鉆頭，通過在直井段加加重鉆桿串來增加鉆具自重，提高水平段克服托壓的能力。

在鉆進過程中加重鉆桿串下到造斜段時其自身加重作用減小，通過短起調整鉆具位置，將加重鉆具調整回直井段。并且在短起過程中循環鉆井液，對孔內堆積的巖屑進行清理，防止出現巖屑堆積形成巖屑床。

4.3 優化鉆井液體系

水平段目的層為灰巖地層，較為穩定，但是由于水平段較長，巖屑移動距離較長，需要鉆井液有很好的攜巖能力，為降低長水平段鉆具扭矩還需要適當增加其潤滑性能，同時為防止鉆井液堵塞裂隙導致注漿效果差，因此選擇使用無固相鉆井液體系。配方如下0.3%～0.6% 抗鹽共聚物(GTQ)+0.1%～0.2% 包被劑+1%～2% 無熒光潤滑劑(GULB)。在鉆進過程中需要對泥漿性能進行維護，使用振動篩、除泥器等設備做好固相清理工作。并適當添加潤滑劑、抑制劑等使鉆井液保持良好的潤滑性、抑制性和攜砂性[9]。

5 現場應用

以D5-10 分支孔為例，水平段采用巖屑錄井、伽瑪數據、鉆時錄井聯合判層，采用無線隨鉆測量系統監測鉆孔軌跡，跟層率達89%，平面上最大偏差1.32 m。根據鉆時錄井、巖屑錄井、簡易水文觀測探查及注漿成果分析，該分支孔探查范圍內無明顯垂向導水通道連通奧陶系灰巖，無陷落柱等異常導水構造。

對該分支進行分段注漿，注漿前進行壓水實驗，分段壓水吸水率：0.002 23～0.000 554 L/(min·m·m)；注漿結束泵量60 L/min，穩壓30 min，注漿終壓11.31～12.3 MPa，符合設計要求；注漿后吸水率0.000 38～0.000 176 L/(min·m·m)。注漿質量合格。

6 結語

通過對潘二礦西四采區A 組煤地面區域治理工程研究分析，針對該地區地質概況總結了施工難點以及應對措施，為后續西四采區的地面區域治理工程提供參考借鑒。施工過程中由于水平段較長加之地層走勢原因，出現托壓現象，導致進尺緩慢甚至無進尺，嚴重影響工程的持續進行，通過調整鉆具組合，控制泥漿參數恢復進尺，保證了施工的正常進行。而受淮南地質概況影響導致的順層難度大，在施工過程中采用的“無芯鉆進隨鉆測量、伽馬測井、巖屑錄井、鉆時錄井、鉆井液錄井、簡易水文觀測相結合”的綜合井控，使得順層率達到了設計要求。