過采空區鉆孔靜止水位分析

摘" 要：現今，隨著煤礦資源逐漸往地下深部的開采，不可避免地存在需要進行地面瓦斯采動井過采空區的施工，以減少礦井瓦斯危害。礦區地面瓦斯采動井過采空區的施工往往存在較大風險，采空區范圍及其頂底板由于采動形成空腔仍存在一定的裂隙，且具備一定的連通性，鉆進過程中會出現漏失現象，同時在鉆孔施工中也會發生掉塊、卡鉆等復雜情況。如果在施工過程中能夠提前分析預測漏失最嚴重區域深度，并提前采取適當措施，將最大限度降低工程施工風險。通過注水試驗，運用裘布依公式的推算，以求最大漏失點即靜止水位。分析表明，計算結果能夠可靠地對鉆進過程中后續遇到的最大漏點進行預測。該方法能夠很好地輔助進一步的施工，為過采空區提供精準指導。

關鍵詞：童亭煤礦；地面瓦斯采動井；采空區；裘布依公式；靜止水位

中圖分類號：X752" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）06-0065-04

Abstract： Nowadays， with the gradual mining of coal resources deep underground， it is inevitable that there is a need to carry out the construction of surface gas mining wells through goaf areas to reduce mine gas hazards. The construction of surface gas mining wells through the goaf in the mine area often has great risks. There are still certain cracks in the goaf area and its roof and floor due to mining， and they have certain connectivity. Leakage will occur during the drilling process. At the same time， complex situations such as block dropping and drill sticking will also occur during drilling construction. If the depth of the most serious leakage area can be analyzed and predicted in advance during the construction process， and appropriate measures are taken in advance， the project construction risks will be minimized. Through water injection test， the maximum leakage point， i.e. the static water level， is calculated by using the calculation of Dupuit formula. The result of the analysis shows that the calculation results can reliably predict the maximum leakage point encountered subsequently during drilling. This method can well assist further construction and provide accurate guidance for passing through the goaf.

Keywords： Tongting Coal Mine; surface gas mining well; goaf; Dupuit formula; static water level

地面垂直瓦斯采動井是目前國內技術較為成熟且應用廣泛的一種瓦斯抽采井型，適用于各種地質條件下的煤層氣開采，其擁有施工工藝簡單、投入成本低、風險性小等諸多優點[1-4]。然而，現今煤礦開采日益嚴重，淺層煤礦資源逐漸枯竭，深部煤礦資源的開采同樣需要進行瓦斯治理，這就意味著不可避免地存在過采空區區域的瓦斯采動井的施工。而過采空區大口徑瓦斯采動井在施工過程中存在施工難度大、風險高、未知性強等諸多困難。

國內大孔徑采空區瓦斯抽采的主要鉆井施工方式有水基鉆井液常規鉆井技術、空氣鉆井技術和氮氣鉆井技術，但在施工過程中也暴露出了一些問題和缺陷。如果能在施工過程中提前預測最大漏失點，將會為后續施工降低很大風險且減少一定損失。本文通過注水試驗，觀測水位變化，運用裘布依公式計算預測采空區空洞位置，所得結果與實際相符，或可對同類型工程施工起到參考借鑒作用。

1" 工程概況

1.1" 工程簡介

童亭煤礦位于淮北市濉溪縣境內，行政區劃隸屬五溝鎮，北距淮北市約42 km，東距宿州市30 km。東西走向長10 km，南北傾向寬2～4 km，礦井面積23.751 km2。

863工作面位于86采區8煤層無突出危險，實測最大瓦斯含量3.54 m3/t，最大瓦斯壓力為0.31 MPa。根據工作面走向長度及抽采半徑，設計7口地面瓦斯采動井（圖1），總工程量4 340 m，井型為C+型結構，一開直徑D630 mm，二開直徑D444.5 mm，三開直徑D269.9 mm。

所有井型均為C+型結構，井深為三開落底位置。863工作面地面瓦斯采動井三開落底距離8煤層頂板約8 m，8煤層平均煤厚2.1 m。施工直徑D152 mm導眼至8煤層底板0.3 m，每口瓦斯井采動井導眼深約10.4 m。

1.2" 區域地質條件

該項目在施工863工作面施工瓦斯采動井會穿越淺部3煤老采空區。由于淺部3煤采空區的時間久遠，存在煤與采空區、采空區“三帶”（圖2）交互等復雜地層[5]，地面瓦斯采動井的鉆進難度大。采空區已回采近二三十年，形成的采空區已被冒落巖石逐步壓實，經大量的鉆探工程證實，因采動效應產生的次生裂隙和空隙較發育，鉆進過程中會出現漏失現象（如2015年施工的2015-2孔和2015-4孔在穿3煤采空區時，發生全漏失且有掉鉆現象，經過較長時間封堵后恢復正常施工；2021年施工的2021-9孔在鉆進至3煤采空區時，發生漏失現象，封堵后恢復正常施工，2021-10孔和2021-12孔鉆進至3煤采空區時，發生全漏失現象，2021-11孔發生全漏失現象，經過較長時間封堵無果后，采用清水無芯鉆進至孔底；2023年施工地質孔漏失近一個月）。

采空區范圍及其頂底板由于采動形成空腔仍存在一定的裂隙，且具備一定的連通性，前期鉆進過程中出現漏失現象，同時在鉆孔施工中多發生掉塊、卡鉆等復雜情況，故瓦斯采動井鉆井過程中也將會出現漏失、掉塊、卡鉆等事故，施工存在較大風險和隱患。

綜上，區域大口徑瓦斯采動井在施工過程中極易發生泥漿漏失甚至全漏情況，如果在施工過程中能夠提前分析預測漏失最嚴重區域深度，并提前采取適當措施，將最大限度降低工程施工風險。

2" 施工情況及注水、水位測量

2.1" 施工情況

采區863-2#井于2024年4月21日23時50分進行鉆進施工至358.50 m深度出現完全漏失情況，泵量80 m3/h，管徑內徑456 mm。頂漏鉆進至365 m，螺桿堵死，安全提鉆。提鉆完畢后，于12時15分進行了水位測量，此時水位深度為252 m。

2.2" 水位測量記錄

隨后注水41 m3至井口處，13時40分測量水位深度81 m，13時50分測量水位深度91 m，14時05分測量水位105 m，14時15分測量水位115 m，2個小時內平均降速為1 m/min，合9.8 m3/h。14時30分測量水位130 m，15時00分測量水位160 m，16時40分測量水位220 m，2個小時內平均降速為0.6 m/min，合5.88 m3/h（表1）。

3" 裘布依公式的計算

3.1" 裘布依公式及其應用條件

裘布依公式是法國水力學家裘布依在達西定律的基礎上導出的，用以描述地下水流向井內的平面流穩定運動[6]。裘布依推導公式時基于以下假定條件。

含水層是均質、各向同性、等厚和水平的。

地下水為層流，符合達西定律，且地下水運動處于穩定狀態（圖3）。

靜水位是水平的，抽水井具有圓柱形定水頭補給邊界。

對于承壓水，頂底板是完全隔水的；對于潛水，井邊水力坡度不大于1/4，底板完全隔水。

3.2" 裘布依公式推導及計算

通過注水試驗，測量水位降速計算得出2個較為均勻穩定的降速，即115 m深度處的1.00 m/min及220 m深度處的0.60 m/min。將其帶入公式計算如下

式中：Q為鉆孔內水的流量；K為含水層滲透系數；h為水頭高度；dh為計算點水頭損失；r為水面計算點距離鉆孔中心距離；dr為計算點半徑變化量；M為承壓含水層厚度。

式中：A0為鉆孔斷面面積；r0為鉆孔半徑；Rw為含水層影響半徑；v為鉆孔內水位升/降速度；S為水位降深。

在一定情況下認為影響半徑基本一致，則水位下降速度與降深呈現正相關。

通過后續小口徑鉆頭鉆進至375.50 m處，出現泥漿全部漏失情況，且在375.50～377.00 m深度位置處鉆進時，鉆頭無鉆壓，疑似采空區。繼續往下頂漏鉆進至406 m處，進行循環攜渣，并使用清水護鉆，確保井下窺視效果明顯。提鉆之后，下放井下窺視儀器，通過井下窺視發現376.00～377.00 m深度范圍有一明顯空洞，高度達1 m（圖4），圍巖巖性為泥巖，裂隙發育，且被方解石充填，表現出水量較大，持續性地下水流動環境。通過窺視結果發現，空洞區下方普遍發育縱向裂隙（圖5），地層破碎嚴重，有較多掉塊，與空洞區上方地質條件區別較大。

通過分析認為，3煤采空區年代久遠，被塌落的煤層頂部泥巖填充壓實，空洞區巖性相對薄弱，屬于煤層頂板應力集中區，位于彎曲下沉帶和裂隙帶之間。層間破碎的泥巖長期受到地下水的沖蝕，方解石充填于裂隙，空洞發育。空洞下方地層由于應力釋放，普遍發育縱向裂隙，連接彎曲下沉帶與采空區底板成為天然導水通道。

4" 結論

通過注水試驗，對鉆孔水位變化規律的觀測，運用裘布依公式的推算，可以對靜止水位進行大致判斷，得出的結果與實際井下地質情況較為符合。亦可反推不同降深對應地下水的滲流量，對于施工中泵量選取、堵漏具有重要參考意義。該方法能夠很好地對采空區鉆探施工起到預警作用，對進一步的施工做到有的放矢，精準應對。

參考文獻：

[1] 唐建平，李日富.采動影響下地面井抽采瓦斯運移影響因素數值模擬研究[J].中國礦山工程，2023，52（4）：30-36.

[2] 付軍輝，李日富，王然，等.采動區瓦斯地面井抽采技術在含水地層礦區的應用[J].礦業安全與環保，2020，47（2）：66-69.

[3] 張為，李兵，張永成.低瓦斯礦井高產高效工作面瓦斯地面抽采技術[J].煤礦開采，2019，24（1）：136-139.

[4] 文光才，孫海濤.煤礦采動區地面井瓦斯抽采技術[J].煤礦安全，2015，46（S1）：26-30.

[5] 李延河，趙曉舉.地面井“三圈”耦合瓦斯抽采技術理論與應用[J].能源與環保，2023，45（3）：1-6.

[6] 王蘋.基于裘布依公式的某礦涌水量預測[J].中國金屬通報，2021（4）：112-113.

第一作者簡介：吳國棟（1990-），男，工程師。研究方向為水文地質。

*通信作者：葉傳紅（1994-），男，碩士，工程師。研究方向為水文地質。