朱庄煤矿Ⅲ636工作面地面定向钻防治灰岩水害技术与应用

时间：2024-05-19

乔雷

摘要：通过对朱庄煤矿Ⅲ636工作面水文地质条件、灰岩富水性特征及安全开采隔水层厚度的分析，采取地面定向钻孔探查注浆加固及井下探查效果验证技术对该工作面灰岩水害进行治理，有效保证了工作面安全回采。

关键词：煤矿；防治水；定向钻；效果验证

中图分类号：TD745 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）12-0184-02

二叠系山西组6煤层是朱庄煤矿的主采煤层之一，随着开采深度增加，太灰含水层呈高承压、强富水等特点，6煤防治水工作难度大，1990年1月至2016年7月，朱庄煤矿6煤层开采过程中曾发生10次底板太原组灰岩突水，涌水量150～1420m3/h，对6煤层开采带来极大威胁。2013年以前采用常规井下钻探技术注浆加固改造灰岩含水层基本保证了6煤安全开采，但随着开采深度增加，采用传统钻探工艺注浆加固改造灰岩存在局限性，治理效果差，不能真正实现抗压安全开采，Ⅲ63采区首次工作面Ⅲ631采用传统常规钻治理后工作面曾多次出水，最后导致工作面停采。为此，朱庄煤矿积极探索灰岩水害治理新技术，开展地面定向钻对6煤层底板三灰薄层高压强含水层实施超前治理。

1 工作面概况

1.1 地质概况

Ⅲ636工作面所采煤层为二叠系下统山西组6煤，煤层厚度平均2.8m；煤层倾角平均13°，可采储量46.7万吨。整体为单斜构造，里高外低。地质条件复杂，机、风巷及切眼共组合断层17条，工作面内部有三维地震解释断层DF5和DF10，落差为0.6～4.0m，其中落差2.0m及以上的断层7条，详见表1。

1.2 水文地质概况

Ⅲ636工作面6煤底板以下57～61m为太原组灰岩岩溶裂隙含水层，该层厚151～181m，平均厚158m，太原组石灰岩12层，石灰岩总厚50～81m，平均厚69m，单层厚度较大的有L3、L4、L11、L12灰岩等。岩溶裂隙发育，富水性强，钻孔单孔涌水量q为0.016～2.338L/s·m，含水层渗透系数K为0.128～97.16mm/d，水压4～5MPa。通过垂向构造可与奥灰水发生水力联系，接受奥灰水的大量补给，同时受地面降水补给。

2 防治技术方案

2.1 地面定向钻超前治理

根据Ⅲ636工作面水文地质条件、灰岩富水性特征及安全开采隔水层厚度的要求，采取地面定向钻孔顺三灰层位探查注浆加固，改造三灰含水层等效为隔水层，达到工作面底板灰岩水超前区域治理目的。

2.1.1 地面定向钻治理概况

治理工程自2014年6月开始至2015年4月结束，沿地层倾向及走向共施工3个主孔，14个分支孔，钻孔间距50～109m，总钻探工程量3007m，顺三灰层段进尺2863m，三灰跟层率95.21%，总注浆量（水泥及粉煤灰）17734t，注浆终压12MPa。详见图1。

2.1.2 地面定向钻治理过程

各孔组单元呈扇形发散，分支孔从主孔二开套管之下的合适位置开始侧钻，按照设计轨迹完成治理任务。主孔下一开Φ244.5×8.94mm套管至基岩以下10～20m，二开Φ177.8×8.05mm套管至煤层以下30m，Φ152mm裸孔沿三灰顺层钻进注浆加固，分支孔以Φ152mm裸孔自主孔二开套管底部沿三灰顺层钻进注浆加固，次级分支孔以Φ152mm裸孔自分支孔造斜沿三灰顺层钻进注浆加固。在井场内建立临时注浆站，使用射流搅拌系统、泥浆泵和高压射流泵，采用分段下行式、孔口封闭静压注浆法对三灰目标层、钻探中漏失的地层进行注浆。施工流程详见图2。

2.2 井下探查验证

根据《煤矿防治水规定》等相关文件要求，开展Ⅲ636工作面井下探查验证工程，对地面定向钻超前区域治理效果进行钻探验证。

井下验证工程施工情况：

针对地面定向钻控制薄弱区、冲洗液漏失区、断层构造发育区、物探异常区等区域，并满足井下验证钻孔每100m走向不少于1孔（终孔间距）的要求，在Ⅲ636机、风巷钻场内共施工验证孔18个，总钻探工程量2275m，注入水泥量66t，另外，Ⅲ636工作面风巷外侧30m范围由上区段Ⅲ634工作面机巷施工的10个钻孔进行验证加固。

3 防治水治理效果验证与评价

3.1 物探异常区验证

地面定向钻超前区域治理后，委托西安科技大学对Ⅲ636工作面进行音频电透视探测，工作面整个底板下方电阻率偏高，仅在断层发育的个别地段有局部小范围的低阻发育。其中底板下40～80m层段有2处视电导率值大于4S/m的弱异常条带，分别编号为B-1号、B-2号弱异常。

B-1、B-2号弱异常区由地面定向钻孔D2孔組和D4孔组进行区域注浆加固。同时，B-1号弱异常区由井下钻孔Ⅲ636-8#控制，该孔仅三灰段出水1m3/h，；B-2号弱异常区由井下钻孔Ⅲ636-18#控制，该孔灰岩段均未出水。

3.2 地面定向钻孔控制薄弱区验证

地面定向钻孔之间存在的4处控制薄弱区分别由井下验证钻孔进行控制，仅1个钻孔三灰段出水1m3/h，其余钻孔灰岩段均未出水。

3.3 地面定向钻孔冲洗液漏失区验证

地面定向钻孔4处冲洗液漏失区分别由井下验证钻孔探查验证，其中2个钻孔三灰出水1m3/h，1个钻孔三灰出水2m3/h，其余灰岩段均未出水。

3.4 断层构造发育区验证

Ⅲ636工作面回采范围内实揭和三维地震解释断层落差2.0m及以上的共7条，通过井下各验证钻孔对地面治理工程断层加固情况探查验证分析，说明地面注浆对断层密集区已充分充填压实，且井下验证孔对灰岩出水钻孔再次进行注浆加固。详见图1。

3.5 效果评价

通过以上综合分析，说明Ⅲ636工作面地面治理效果较好。