地面定向鉆進(jìn)技術(shù)在探查小煤窯越界開(kāi)采中的應(yīng)用研究

李 智 王宇航 張結(jié)如

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710054；2.陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省西安市，710054；3.淮北礦業(yè)股份有限公司朱莊煤礦，安徽省淮北市，235047）

我國(guó)華北型煤田開(kāi)采歷史悠久，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要支持，但隨著開(kāi)采強(qiáng)度的不斷提高，東部煤礦區(qū)逐漸進(jìn)入下組煤和深部煤層的開(kāi)采階段［1-2］。在煤炭資源需求量日益增加的大環(huán)境下，部分煤礦企業(yè)尤其是一些小煤窯安全與法制觀念淡薄，越層越界開(kāi)采行為時(shí)有發(fā)生。由于技術(shù)限制，小煤窯往往無(wú)法準(zhǔn)確地確定越界開(kāi)采范圍，違規(guī)生產(chǎn)既擾亂了正常的煤礦資源開(kāi)發(fā)秩序，更對(duì)相鄰煤礦的正常開(kāi)采構(gòu)成了巨大的安全隱患［3］。因此，與可能存在越界開(kāi)采小煤窯相鄰的大型煤礦在采掘前，應(yīng)該對(duì)越界開(kāi)采范圍進(jìn)行探查［4］。

地面定向鉆進(jìn)技術(shù)是指利用隨鉆測(cè)量?jī)x器（WMD）、一定的鉆具組合再配合特殊泥漿鉆井液循環(huán)等技術(shù)，在地面合適位置進(jìn)行開(kāi)孔施工，進(jìn)入目標(biāo)層位后在目的層中定向鉆進(jìn)，并對(duì)其進(jìn)行探查與治理［5］。我國(guó)定向鉆井技術(shù)始于1956年，最早應(yīng)用在石油行業(yè)。由于該技術(shù)基本不受地面場(chǎng)地影響，通過(guò)分支孔鉆探工藝能對(duì)導(dǎo)水通道以及目的層位附近進(jìn)行區(qū)域性探查，避免了以往常規(guī)地面治理的盲目性，施工安全性高，又極大地節(jié)省工時(shí)、節(jié)約成本，十幾年來(lái)，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于煤礦水害防治領(lǐng)域［6-7］。目前，對(duì)于煤礦陷落柱探查與突水防治［8-9］、煤層底板斷層帶突水［10］以及煤礦區(qū)域超前治理［11-12］等方面已取得了顯著的治理效果［13-14］，技術(shù)手段日益成熟。

由于小煤窯越界開(kāi)采層位以及盜采巷道位置難以確定，而采用井下或者地面直孔進(jìn)行施工都難以快速有效地達(dá)到探查目的，因此本研究選擇地面定向鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)小煤窯越界開(kāi)采情況進(jìn)行探查。

1 礦井及小煤窯越界開(kāi)采情況

1.1 礦井地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

淮北礦業(yè)股份有限公司朱莊煤礦屬華北型煤田，水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，主采煤層為二疊系下石盒子組3#、4#、5#煤層以及山西組6#煤層。井田位于閘河復(fù)向斜南段，以正斷層構(gòu)造為主。Ⅲ-63采區(qū)位于井田東南部朱暗樓向斜和戴莊背斜處，褶曲、斷層較發(fā)育，地層走向變化大，傾角為6°～34°，存在疑似陷落柱。

Ⅲ-63采區(qū)6#煤層頂板為砂巖裂隙含水層，富水性弱，以靜儲(chǔ)量為主，突水量一般小于10 m3/h。底板下45～63 m為太原組灰?guī)r巖溶裂隙含水層，平均厚度為158 m，共有12層石灰?guī)r，平均厚度為69 m，其中三灰、四灰富水性強(qiáng)，單孔涌水量100～600 m3/h，水壓約5 MPa，與奧陶系灰?guī)r水通過(guò)垂向?qū)ǖ腊l(fā)生水力聯(lián)系，直接威脅6#煤層的安全開(kāi)采［15］。奧灰含水層位于6#煤層下200～240 m，一般情況下對(duì)礦井無(wú)突水威脅，但在斷層和陷落柱等垂向?qū)ǖ来嬖跁r(shí)，可能發(fā)生突水事故。而且?jiàn)W灰含水層富水性強(qiáng)、水壓高、水量大，也是礦井安全生產(chǎn)的重要隱患之一。

1.2 小煤窯越界開(kāi)采情況

小煤窯與朱莊煤礦Ⅲ-63采區(qū)右翼相鄰，目前已閉坑。朱莊煤礦在2013年Ⅲ-631機(jī)巷掘進(jìn)期間聽(tīng)到不明來(lái)源的放炮聲，懷疑鄰近的小煤窯存在越界開(kāi)采現(xiàn)象，但開(kāi)采煤層層位不清，若與朱莊煤礦毗鄰巷道為6#煤層巷道，將會(huì)對(duì)朱莊煤礦Ⅲ-63采區(qū)右翼工作面的開(kāi)采造成影響；此外，老窯水積水范圍、積水量不清，會(huì)嚴(yán)重威脅朱莊礦Ⅲ-63采區(qū)右翼6#煤層的安全開(kāi)采。為確定小煤窯是否存在6#煤層越界開(kāi)采現(xiàn)象以及消除老窯水隱患，本研究采用地面定向鉆技術(shù)探查小煤窯越界開(kāi)采層位、巷道所處層位和展布等情況，根據(jù)探查結(jié)果調(diào)整原工作面設(shè)計(jì)，并為礦方留設(shè)防隔水煤（巖）柱提供依據(jù)。

2 探查設(shè)計(jì)方案

2.1 治理思路

采用地面定向鉆進(jìn)技術(shù)，結(jié)合礦方提供的地質(zhì)與小煤窯資料對(duì)鄰近Ⅲ-63采區(qū)右翼的小煤窯越界開(kāi)采進(jìn)行準(zhǔn)確探查，假定存在的巷道為6#煤層巷道并預(yù)計(jì)盜采巷道的大致位置。在注漿封堵6#煤層以上砂巖層的基礎(chǔ)上，通過(guò)鉆探過(guò)程中在6#煤層附近鉆井液的漏失量以及壓水試驗(yàn)情況判斷是否存在越界開(kāi)采；并結(jié)合地層條件和前期地質(zhì)資料綜合分析確定小煤窯巷道所處的煤層層位和展布情況，為礦方留設(shè)防隔水煤（巖）柱提供依據(jù)。

2.2 鉆探設(shè)計(jì)

基于地面定向鉆孔的施工能力，設(shè)計(jì)T孔組進(jìn)行定向探查，包括1個(gè)主孔和2個(gè)分支孔，呈扇狀布孔，鉆孔結(jié)構(gòu)采取一開(kāi)下表層套管，二開(kāi)為裸孔段。從主孔一開(kāi)套管下合適位置進(jìn)行側(cè)鉆，施工分支孔，鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。其中T1鉆孔對(duì)Ⅲ-633工作面切眼外小煤窯巷道進(jìn)行探查，從推測(cè)的小煤窯西側(cè)6#煤層巷道外約10 m穿過(guò)6#煤層；T2鉆孔位于T1孔南部，對(duì)Ⅲ-635工作面切眼外小煤窯巷道進(jìn)行探查；T3鉆孔位于T2孔南部，對(duì)Ⅲ-635工作面切眼外小煤窯巷道進(jìn)行探查，沿西側(cè)6#煤層巷道穿過(guò)6#煤層。鉆孔設(shè)計(jì)平面布置圖見(jiàn)圖2。

圖1 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 鉆孔設(shè)計(jì)平面布置圖

2.3 注漿設(shè)計(jì)

注漿方式采用孔口止?jié){靜壓分段下行式注漿法，漿體使用通用硅酸鹽32.5水泥輔以Ⅱ級(jí)新鮮粉煤灰。

當(dāng)鉆探過(guò)程中鉆井液較大漏失后，監(jiān)測(cè)水位并判定漏失層位，若為6#煤層破壞邊界，則用稠漿注漿封孔，如稠漿無(wú)法封孔，則利用木塞、鋸末、骨料等進(jìn)行封孔；若鉆遇其他層位，如砂巖含水層或4#、5#煤層采空區(qū)，則進(jìn)行注漿封堵，注漿終壓設(shè)計(jì)為6 MPa。當(dāng)注漿壓力達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，逐次降低泵量，直至泵量達(dá)到60 L/min，并維持30 min，堵漏后繼續(xù)鉆進(jìn)直至設(shè)計(jì)終孔深度。

2.4 鉆遇采空區(qū)判別依據(jù)

（1）鉆孔附近煤層沒(méi)有越界開(kāi)采的依據(jù)：若鉆探過(guò)程中鉆井液正常消耗，且鉆孔巖屑錄井顯示全部為實(shí)體煤，說(shuō)明探查范圍內(nèi)煤層完整，不存在越界開(kāi)采現(xiàn)象。

（2）鉆孔附近煤層存在越界開(kāi)采的依據(jù)：若鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生鉆井液漏失（漏失量＞2 m3/h）或鉆井液雖無(wú)消耗，但提鉆后進(jìn)行的壓水試驗(yàn)發(fā)生壓力突降的情況，則說(shuō)明在壓力的作用下鉆孔與井下盜采巷道發(fā)生貫通。

3 地面定向鉆探查成果

3.1 T1孔探查概況

T1主孔終孔孔深612 m，其中一開(kāi)段0～150.13 m，二開(kāi)段150.13～612 m；單孔注漿量976 t，其中注水泥量為940 t、粉煤灰36 t。

為避免6#煤層上覆含水層對(duì)小煤窯越界開(kāi)采巷道判別產(chǎn)生影響，在5#煤層附近和6#煤層上進(jìn)行2次壓水試驗(yàn)。其中孔深358～402 m處見(jiàn)5#煤層，鉆探過(guò)程中無(wú)漏失，在5#煤層附近孔深421 m處砂巖層進(jìn)行壓水試驗(yàn)，壓力為2.0 MPa，進(jìn)行注漿，單次注漿量756 t，其中水泥量為720 t、粉煤灰量為36 t，終孔壓力為6 MPa。

在6#煤層附近孔深564 m處砂巖層進(jìn)行壓水試驗(yàn)，壓力為2.3 MPa，單次注漿量為189 t，終孔壓力為6 MPa。T1孔穿過(guò)假定巷道時(shí)，位于巷道下方2.77 m、孔深608 m處發(fā)生鉆井液漏失，漏失量為15 m3/h，水位埋深超過(guò)200 m，鉆孔繼續(xù)延伸4 m，達(dá)到終孔612 m，隨后進(jìn)行注漿加鋸末封孔，單次注水泥31 t。

通過(guò)探查揭露6#煤層位置為孔深564～571 m（標(biāo)高-479.28～-481.43 m），破碎含有矸石，鉆探探測(cè)6#煤層偽厚度為2.14 m，根據(jù)6#煤層傾角、鉆孔井斜換算6#煤層真厚度為0.37 m。結(jié)果表明T1探查范圍內(nèi)小煤窯存在越界開(kāi)采現(xiàn)象。

3.2 T2孔探查概況

T2分支孔終孔孔深631 m，側(cè)鉆點(diǎn)232 m，二開(kāi)進(jìn)尺399 m，單孔注水泥量為395 t。

在孔深402～407 m處見(jiàn)5#煤層，鉆探過(guò)程中無(wú)漏失。在6#煤層附近孔深602 m處砂巖層進(jìn)行壓水試驗(yàn)，壓力為0 MPa，注漿封堵，單次注漿量為385 t，終孔壓力為6 MPa。鉆進(jìn)至610 m時(shí)發(fā)生鉆井液全漏失，漏失量＞60 m3/h，水位埋深超過(guò)200 m，說(shuō)明T2孔穿過(guò)小煤窯盜采巷道。遇漏后鉆孔繼續(xù)延伸4 m，達(dá)到終孔614 m，注漿加鋸末封孔，單次注水泥10 t。

T2孔揭露6#煤層位置為孔深610～614 m（標(biāo)高-491.92～-492.84 m），鉆探探測(cè)6#煤層偽厚度為0.92 m，根據(jù)6#煤層傾角、鉆孔井斜換算煤層真厚度為0.08 m。表明T2探查范圍內(nèi)小煤窯存在越界開(kāi)采現(xiàn)象。

3.3 T3孔探查概況

T3分支孔終孔孔深690 m，側(cè)鉆點(diǎn)266 m，二開(kāi)進(jìn)尺424 m，單孔注水泥量為170 t。

在孔深441～444 m處見(jiàn)5#煤層，鉆探過(guò)程中無(wú)漏失。在6#煤層附近孔深630 m處砂巖層進(jìn)行壓水試驗(yàn)，壓力為1.8 MPa，注漿封堵，單次注漿量為160 t，終孔壓力為6 MPa。鉆進(jìn)至644 m時(shí)發(fā)生鉆井漏失，漏失量為5 m3/h，水位埋深超過(guò)200 m。遇漏后鉆孔繼續(xù)延伸至46 m，達(dá)到終孔656 m，注漿加鋸末封孔，單次注水泥量為10 t。

通過(guò)T3孔揭露6#煤層位置為孔深644～656 m（標(biāo)高-496.93～-498.33 m），煤層完整，鉆探探測(cè)6#煤層偽厚度為1.4 m。T3探查范圍內(nèi)小煤窯存在越界開(kāi)采現(xiàn)象。

4 探查效果分析

地面定向孔組實(shí)施的3個(gè)鉆孔均在6#煤層附近發(fā)生了漏失，以T2孔漏失量最大，超過(guò)60 m3/h。T1孔、T2孔、T3孔漏失點(diǎn)的平面位置所確定的盜采巷道位置與前期收集到的資料基本吻合，漏失點(diǎn)、見(jiàn)6#煤層位置、盜采巷道大致位置以及孔組實(shí)鉆平面軌跡如圖3所示。漏失點(diǎn)見(jiàn)煤情況見(jiàn)表1。

探查結(jié)果表明T1、T2、T3孔探查到的6#煤層均有不同程度的開(kāi)采，以T2孔探查范圍內(nèi)的6#煤層開(kāi)采最為嚴(yán)重。說(shuō)明小煤窯對(duì)朱莊煤礦Ⅲ-63采區(qū)右翼6#煤層存在越界開(kāi)采現(xiàn)象。

圖3 小煤窯越界開(kāi)采實(shí)鉆平面軌跡圖

表1 探查小煤窯越界開(kāi)采漏失點(diǎn)情況匯總表

5 結(jié)論與建議

（1）為了查明朱莊煤礦Ⅲ-63采區(qū)右翼毗鄰的小煤窯是否對(duì)6#煤層存在越界開(kāi)采，設(shè)計(jì)1個(gè)地面定向孔組對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確探查，孔組包括1個(gè)主孔和2個(gè)分支孔，鉆探工程量為1435 m；注水泥漿總量為1505 t、粉煤灰總量為36 t。

（2）提出通過(guò)鉆井液的漏失情況、巖屑錄井情況以及壓水試驗(yàn)等手段綜合判定鉆探過(guò)程中是否遇到采空區(qū)的方法。

（3）通過(guò)3個(gè)鉆孔施工，查明了與朱莊煤礦Ⅲ-63采區(qū)右翼毗鄰的小煤窯存在越界開(kāi)采現(xiàn)象且盜采層位為6#煤層，并確定了巷道的展布情況。說(shuō)明地面定向鉆進(jìn)技術(shù)是探查小煤窯越界開(kāi)采的一種高效準(zhǔn)確的方法。

（4）為保證Ⅲ-63采區(qū)右翼的安全開(kāi)采，建議礦方根據(jù)探查結(jié)果合理留設(shè)安全煤柱，并在必要情況下對(duì)盜采巷道進(jìn)行封堵治理。