棋盘井煤矿奥灰水定向钻探注浆区域治理技术_刘忠全.pdf

：收稿日期：基金项目：国家能源投资集团煤矿重大灾害防治多维度管控模式研究（）作者简介：刘忠全（），男，山东济宁人，博士，高级工程师，现从事煤矿开采技术研究和煤矿安全生产管理工作，：。引用格式：刘忠全，张宝优，郭永红 棋盘井煤矿奥灰水定向钻探注浆区域治理技术 煤炭工程，（）：棋盘井煤矿奥灰水定向钻探注浆区域治理技术刘忠全，张宝优，郭永红（国家能源投资集团有限责任公司，北京；中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京；国家能源集团内蒙古煤焦化公司，内蒙古 乌海）摘 要：为有效治理棋盘井煤矿 煤开采面临的底板奥灰水问题，分析了水害机理，依据区域治理原则，采取地面定向钻进技术对井底车场范围实施超前注浆加固治理。地面定向钻探注浆治理工程施工 个主孔、个分支孔，注入水泥量为，治理面积 ，井底车场治理区段奥灰顶部隔水层的隔水强度得到有效提高，治理后井底车场附近 煤突水系数为 ，小于 的临界值，可实现安全开釆。关键词：奥灰水；地面定向钻探；水害治理；区域治理技术；注浆技术 中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；我国华北聚煤区石炭二叠纪煤炭资源储量大、赋存稳定、煤质好，是华北区域主要开采煤层，随着煤矿开采深度的加大，矿井面临的水文地质条件逐渐恶化，煤层底板奥灰水对煤矿安全的威胁越来越大。国家能源投资集团有限责任公司（简称国家能源集团）所属矿井也面临包括煤层底板水、采空区水和煤层顶板水等众多水害威胁，尤其以石炭二叠系煤层底板奥灰水威胁最为严重，是矿井水害防治的重点。年颁布的 煤矿防治水细则 中将区域治理技术作为解决底板灰岩水、奥灰水的一种新的有效方法，目前已在国内多个矿区实现了成功应用，如淮北矿区朱庄煤矿采用地面定向水平井技术解决底板太原组薄层灰岩水害问题；邯邢矿区、峰峰矿区采用地面定向井技术解放受底板第卷第期 煤 炭 工 程 ，奥灰承压水威胁的煤炭资源；韩城矿区桑树坪煤矿采用井下定向钻技术对奥陶系灰岩顶部进行改造，实现了工作面安全回采。国家能源集团棋盘井煤矿主要受底板奥灰水害威胁，为了避免 煤层巷道掘进和回采过程中发生煤层底板突水，选择合理的煤层底板水害防治技术至关重要，。以往棋盘井煤矿奥灰水防治主要采用井下常规短钻边掘边探，井下钻探安全隐患大、采掘工程效率低、矿井产能严重受限。年棋盘井煤矿防治水从局部治理逐步向区域治理转变，采用地面近水平定向钻探工艺开展奥灰顶部地层区域超前探查，改造奥灰顶部为隔水层，初步形成了一套适合棋盘井煤矿水文地质特点的集探查、注浆、验证为一体的带压开采防治技术，为乌海区域奥灰治理工程积累了经验。矿井概况棋盘井煤矿地处鄂尔多斯盆地西缘边界，属华北型煤田，含煤地层基底为奥陶系石灰岩地层，石灰岩地层岩溶裂隙发育。煤矿井田面积 ，设计生产能力 ，矿井主采、煤层。因煤层受奥灰水威胁，目前矿井仅开采 煤，因 煤剩余资源有限，急需尽快开拓 煤层。井田内煤距离奥灰 ，平均 ，井底车场区域 煤与奥灰含水层间距 左右。棋盘井煤矿各含水层与煤层位置关系如图 所示。图 各含水层与煤层位置关系 根据水文补勘及探放水钻孔资料，棋盘井煤矿存在奥灰导升现象。水文补勘施工的井下 孔，施工至煤顶板处即开始出水，终孔水量达 ；煤主运大巷 号探放水孔钻进至 时（距煤底板）即发生涌水，水量达 。由于煤层底板导水通道发育，使煤层底板隔水层失去了完整性，此外由于煤层回采造成的底板采动破坏，使得有效隔水层厚度减小，对矿井底板水害防治带来不利影响。综合分析，棋盘井井田位于桌子山煤田，区内煤矿受煤层底板奥陶系灰岩水威胁严重，虽突水系数未达到 临界值，但由于井田内断裂构造发育，底板隔水层局部破碎，且存在奥灰导升，奥灰突水风险性较高。为此，针对棋盘井煤矿 煤层井底车场附近区域采用地面近水平定向钻探工艺开展奥灰水区域超前探查及治理工程。奥灰水区域治理方案设计 治理目的及范围工程主要目的：一是探查治理区域内构造发育情况，尤其垂向导水通道情况；二是探查奥灰顶部 以浅范围内岩层裂隙空间发育情况；三是设计利用地面定向钻孔对 煤层井底车场奥陶系灰岩顶部 附近层段顺层钻进，探查含水构造，并利用地面注浆站高压注浆治理钻遇的含水裂隙，把奥灰上段含水层改造成相对隔水层，增加有效隔水层厚度和阻水能力，保证治理区域安全开采。图 治理范围平面位置治理范围内主体分为三个部分：第一部分为井底车场部分，东部和南部以外水仓为治理边界；第二部分为 工作面南部部分区域，以工作面辅助运输巷和回风巷外侧 为边界；第三部分为煤大巷部分，以两侧大巷外推 为治理边界，治理区面积约为 ，如图 所示。本次治理 年第 期 煤 炭 工 程 施工技术 区所在的 采区 煤底板承受的奥灰水压约为 ，煤底板至奥灰顶界平均间距 左右，煤突水系数约 。钻探工程设计针对待治理区水文地质条件，治理方案以探查垂向导水通道为主，采用地面定向近水平钻孔，以奥灰顶界面以下 地层为主要探查层位，主要沿着奥灰顶面下方一定距离顺层钻进探查治理，揭露可能存在的垂向导水通道并注浆充填加固，改造奥灰上段含水层为相对隔水层。）钻孔布置。设计地面主孔 个，分支孔 个，钻探工程总量 。其中，一开进尺，二开进尺，三开进尺 。钻孔布置如图 所示。图 钻孔布置）钻孔间距。依据国内其他矿区如韩城、峰峰、邢台奥灰区域治理经验，分支孔平行段之间的间距为 。本次含水层注浆治理时浆液扩散半径设计按照 考虑，注浆孔间距设计不超过，具体在 工作面一侧为 ，在 煤大巷延伸方向一侧为 。）目标层位。因存在上部煤采空区，考虑到地面定向钻孔转弯半径，本次治理层位初步选择在奥灰顶界面以下 ，根据注浆效果进行注浆层位调整。）钻孔结构设计。钻孔先施工一开直孔段，距离治理层段垂距约 时开始进行主孔造斜，最终进入奥灰顶界面以下 层位（着陆点），随后沿地层倾向进行分支孔施工，如图 所示。一开采用 钻头施工至 完钻，下入 石油套管，固井；二开采用 钻头施工至奥灰顶界面附近稳定岩层，保证后期三开目标层位上提至奥灰顶界面可以施工，下入不小于 石油套管；三开采用 钻头裸孔钻进至终孔。图 地面注浆钻孔结构 注浆工程设计注浆治理工程采用地面注浆站造浆，通过专用施工技术 煤 炭 工 程 年第 期输浆管路送至探查治理钻孔，布置水泥浆液管两趟，管径 。采用主要浆液类型为水泥单液浆，水灰比在 之间，水泥采用 粉煤灰硅酸盐水泥。注浆工艺：采用孔口密闭止浆、静压分段分序下行式注浆法；注浆前先进行压水，若吃浆量大，可用稠浆进行注浆或采用间歇式注浆，若吃浆量小，可用稀浆进行注浆；单次注浆起压等凝后，进行扫孔再注浆，直至扫孔不吃浆然后继续向前钻进；注浆顺序采用插花式跳孔施工方法，先注两边孔，再注中间孔，然后再在已注浆孔之间穿插注浆，后序钻孔注浆时可对前序钻孔的注浆效果进行检查。终压标准：终孔压力在不对巷道造成破坏的前提下，一般选取静水压力的 倍作为单孔终压结束标准，选择注浆终压为孔口 。当注浆压力达到结束标准后，逐次换档降低泵量，直至泵量达到 ，并维持 。定向钻探注浆施工技术 钻探工程棋盘井煤矿 煤井底车场奥灰超前治理工程按序完成了 孔直孔段、造斜段和、分支孔以及、检查孔施工。直孔段孔深 ，下 套管 ；造斜段孔深 ，下 套管；累计完成钻探工程量 ，具体钻探施工情况见表。其中，孔至 分支孔覆盖了 煤井底车场区域（包括 煤辅助运输大巷、主运输大巷、回风大巷以及 工作面南部部分区域），完成了对该区域的探查治理；检查孔和检查孔检验了 工作面南部部分区域注浆治理效果。考虑到篇幅有限，本文仅对 主孔和分支孔进行论述。）主孔钻探施工。主孔于 年 月 日开始一开钻进，一开孔深，历时。年 月 日开始二开钻进，二开终孔孔深，历时。主孔实钻轨迹符合设计要求，判层真实可靠。套管下入情况：一开套管 ，钢级，共下入 根，共计；二开套管，钢级，共下入 根，共计。套管之间采用丝扣外接箍相连，套管外环状间隙用水泥浆固管，固管过程中，一开套管固管水泥用量，替水体积；二开套管固管水泥用量，替水体积，水泥浆返出井口。表 钻探施工情况孔号设计进尺 实际进尺 一开二开 合计 ）分支孔钻探施工。分支孔于 年 月 日从井深 开始三开钻进，钻至孔深 三开完钻，历时 ，孔完钻孔深。分支孔实钻轨迹符合设计要求，判层真实可靠。孔分支孔实际轨迹如图 所示。图 分支孔实际轨迹 注浆工程、分支孔以及、检查孔累计注入水泥浆，累计消耗水泥。注浆施工情况见表。考虑到篇幅有限，本文仅选 分支孔注浆情况进行分析。分支孔注浆施工。分支孔钻探施工过程中，共发生泥浆漏失 次，均为突然漏失，进行注浆施工 次，其中两次在砂岩层，注浆量较小，五次在奥灰顶部，累计注入水泥。分支孔注浆施工情况见表。分支孔第三次、第七次漏 失 点 注 浆 量 相 对 较 大，注 水 泥 量 分 别 为 年第 期 煤 炭 工 程 施工技术 及，共占单孔总注浆量的。根据冲洗液漏失情况和注浆情况分析，在第三次和第七次漏失点处可能揭露了较大的裂隙破碎带，初步推断奥灰顶部区域局部岩溶裂隙发育，规模相对较大，存在较为畅通的导水通道。表 注浆施工情况孔号压水试验 次注浆 次水泥浆 水泥 合计 效果验证棋盘井煤矿 煤井底车场奥灰超前治理工程施工结束后，针对注浆量较大的 孔终孔位置及孔终孔位置，设计了 个检查孔 和，以检验 工作面南部部分区域注浆治理效果。检查孔检查孔出二开套管口侧钻，依次斜穿 孔、孔、孔、孔、孔和 孔，孔穿过 孔终孔位置后顺 轨迹外延 进行探查。检査孔正常第 设计注浆段长（）、第 注浆段长（）未漏失，压水试验计算吸 水 率 分 别 为 （）及 （），远小于 （）设计注浆启动标准，说明以上两段经过区域注浆治理效果良好。检查孔钻进至 孔口失返，顶漏钻进至 终孔完钻，起钻测水位并进行第 次注浆。第 次注浆结束后扫孔钻进至孔深 孔口再次失返，顶漏钻进至原完钻孔深，起钻测水位并进行注浆。孔第二次注浆（段），由于存在岩溶裂隙反复劈裂注浆，最终以终压 结束注浆。扫孔至 进行压水试验。计算吸水率分别为 （），小于 （），补充注浆治理效果良好。表 分支孔注浆施工情况注浆次序漏失量（）注浆位置 压水情况注浆时间 浆液比重（）注浆量 第一次失返压水泵量 ，压水 ，孔口无压 第二次压水泵量 ，压水 ，孔口无压 第三次失返压水泵量 ，压水 ，孔口无压 第四次失返压水泵量 ，压水 ，孔口无压 第五次失返 压水泵量 ，压水 ，孔口无压 第六次失返 压水泵量 ，压水 ，孔口无压 第七次失返压水泵量 ，压水 ，孔口无压 合计 检查孔检查孔从 孔 处侧钻，依次斜穿 孔、孔和 孔，最终靶点落在 孔和 孔终孔位置中间部位。检査孔 侧钻施工至 （距离终孔位置 ）出现少量漏失，漏失量 ，终孔压水试验计算得到吸水率 （），远小于 （）设计注浆启动标准，说明该孔段所经区域注浆治理效果良好。综上所述，孔 孔段，孔全孔段压水试验结果证明以上区域注浆治理效果良好。孔在接近原 漏失点附近时仍然 次出现漏失，验证了该区域岩溶通道发育情况复杂，后经 次补充注浆才满足要求，说明井田范围内奥灰岩溶裂隙发育的特殊区段需进行加密探査及反复注浆验证才能达到可靠的治理效果。区域治理效果分析棋盘井煤矿 煤井底车场奥灰超前治理工程施工了 个地面主孔、个分支孔、个检查孔，工程从 年 月 日开工，年 月 日完工，历时，工程累计完成进尺 ，注施工技术 煤 炭 工 程 年第 期水泥 ，治理面积 。奥灰超前探查注浆治理工程完成了对该区域的探查治理，消除了奥灰水突水隐患。）孔至 孔等 个分支孔覆盖了煤井底车场区域（包括 煤辅助运输大巷、主运输大巷、回风大巷以及 工作面南部区域），治理工程揭露漏失点 处，其中岩溶裂隙集中发育区段 处，均已通过注浆治理完成了改造和加固。）通过注浆治理工程实施，在井底车场区段改造了奥灰顶部含水层并提高了隔水层的隔水强度，阻断了煤与奥灰含水层直接的水力联系，煤隔水层厚度增加了 ，突水系数降低了 ，具体见表。改后井底车场附近 煤突水系数为 ，小于 的临界值，在有效治理区段可以进行安全开釆。表 煤井底车场奥灰治理区域突水系数计算对比项目隔水层厚度 隔水层底板承受水压 突