李 智，鄭士田，石志遠(yuǎn)，王宇航

極軟中厚煤層越界開采區(qū)老空水害防治技術(shù)

李 智1,2,3，鄭士田2,3，石志遠(yuǎn)2,3，王宇航2,3

(1. 煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3. 陜西省煤礦水害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710077)

小煤窯越界開采是我國(guó)煤炭行業(yè)極為普遍的現(xiàn)象。由于越界開采范圍、積水量等條件不明，老空水嚴(yán)重威脅著毗鄰大型煤礦的安全采掘工作。為快速準(zhǔn)確地探查小煤窯越界開采邊界并預(yù)防老空水的威脅，運(yùn)用地面定向鉆孔軌跡可控、定位精確的特點(diǎn)，提出了以極軟中厚煤層精準(zhǔn)鉆進(jìn)、不同巖性鉆井液配比和采空區(qū)井漏預(yù)防與封堵為主的極軟中厚煤層中地面順層孔長(zhǎng)距離鉆進(jìn)技術(shù)，并提出了越界開采區(qū)老空水害防治流程。以華北型煤田某煤礦Ⅲ63采區(qū)右翼為研究區(qū)，應(yīng)用越界開采區(qū)老空水害防治技術(shù)體系，通過(guò)工程示范準(zhǔn)確查明了越界開采邊界與越界開采方向，為合理留設(shè)礦界防隔水煤柱提供依據(jù)。該方法的成功應(yīng)用為同類礦井的老空水害防治提供了科學(xué)的技術(shù)，并且為地面順層孔在探查越界開采邊界與極軟煤層抽取瓦斯等領(lǐng)域中的應(yīng)用提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

老空水害防治；地面順層孔；極軟中厚煤層；越界開采

煤炭是我國(guó)的主體能源，長(zhǎng)久以來(lái)支持著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展[1]。從20世紀(jì)80年代中期開始小煤窯在各地得到了迅猛發(fā)展，在一定階段內(nèi)加速了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但也帶來(lái)許多隱患與危害。小煤窯普遍存在越界開采現(xiàn)象，造成查無(wú)可查的眾多采空區(qū)，這些采空區(qū)與地下水、地表水和大氣降水相互聯(lián)系形成老空水，嚴(yán)重威脅相鄰礦井的安全開采。老空水害事故具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、傷亡率高的特點(diǎn)，已經(jīng)成為威脅礦井安全的最大水害類型之一，其防治技術(shù)的發(fā)展也越來(lái)越受到關(guān)注[2-3]。老空水的傳統(tǒng)防治方法是超前疏干或留設(shè)防隔水煤柱[4]，但發(fā)生越界開采的小煤窯由于技術(shù)限制往往無(wú)法精準(zhǔn)確定越界開采范圍，使礦界防隔水煤柱的留設(shè)缺乏依據(jù)。因此，直接采用常規(guī)方法防治越界開采小煤窯老空水無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果，必須在采掘前對(duì)越界開采邊界進(jìn)行徹底探查[5]，再據(jù)此合理留設(shè)防隔水煤柱來(lái)防治老空水害的發(fā)生。

鉆探是目前查明越界開采邊界最直接可靠的勘探技術(shù)。傳統(tǒng)鉆探方法有地面直孔探查與井下順煤層探查[6]，地面直孔屬于點(diǎn)狀探查，必須依賴精確的地質(zhì)資料，否則盲目性大，工程量大，經(jīng)濟(jì)性差。在地面直孔的基礎(chǔ)上，李智等[7]提出利用地面定向鉆技術(shù)穿透目標(biāo)煤層，根據(jù)鉆井液漏失等指標(biāo)識(shí)別小煤窯是否存在越界開采現(xiàn)象，但這種方法只能定性說(shuō)明小煤窯存在越界開采，無(wú)法準(zhǔn)確劃定越界開采邊界。為此，必須采用順目標(biāo)煤層鉆進(jìn)的方法，探查出一條完整煤層線，為合理留設(shè)防隔水煤柱提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而預(yù)防越界開采區(qū)老空水害。目前，井下水平井順煤層鉆進(jìn)主要應(yīng)用于煤層氣抽采領(lǐng)域，其技術(shù)與裝備發(fā)展迅速[8-10]。針對(duì)井下水平井界面探查精度差、效率低等問(wèn)題，陳剛等[11]通過(guò)模擬研究，為井下儀器的參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)；中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司在保德煤礦更是完成了主孔3 353 m的順煤層超長(zhǎng)定向孔[12]。但井下鉆孔必須在巷道形成后方可實(shí)施，且多在硬度較大的厚煤層中實(shí)現(xiàn)[13]，而松軟煤層的鉆進(jìn)主要存在鉆孔變形量大、孔壁破碎嚴(yán)重，煤屑運(yùn)移阻力增大且易發(fā)生堆積等難題，針對(duì)以上問(wèn)題形成了空氣螺桿馬達(dá)軟煤定向成孔、空氣泡沫鉆進(jìn)、雙動(dòng)力排渣鉆進(jìn)、懸浮液排渣鉆進(jìn)等井下鉆探工藝[14]，并成功在淮北、淮南及貴州等地區(qū)煤礦實(shí)現(xiàn)井下順?biāo)绍浢簩鱼@進(jìn)[15-17]。而受越界開采區(qū)老空水害威脅的礦井，一般必須在井下采掘系統(tǒng)形成前就留設(shè)好礦界防隔水煤柱。地面定向鉆技術(shù)目前廣泛應(yīng)用在底板區(qū)域治理[18-20]和查治隱伏導(dǎo)水通道[21-22]等煤礦防治水領(lǐng)域，具有施工安全、探查準(zhǔn)確、不受井下條件限制的優(yōu)勢(shì)。因此，基于施工難度和成本、安全性以及探查準(zhǔn)確性等方面考慮，采用地面順煤層定向鉆進(jìn)是目前確定越界開采邊界最高效可行的手段，但地面鉆孔在松軟中厚煤層中鉆進(jìn)技術(shù)仍處于探索階段。

筆者在總結(jié)極軟中厚煤層中地面順層孔長(zhǎng)距離鉆進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出極軟中厚煤層中越界開采區(qū)老空水害防治技術(shù)體系，并成功應(yīng)用在華北型煤田某煤礦工程實(shí)踐中，以期為該煤礦毗鄰越界開采區(qū)的Ⅲ63采區(qū)右翼礦界防隔水煤柱的留設(shè)提供可靠依據(jù)，進(jìn)一步完善老空水害防治技術(shù)體系。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

研究區(qū)為華北型煤田某煤礦Ⅲ63采區(qū)右翼，礦井水文地質(zhì)類型為極復(fù)雜，井田內(nèi)的含煤地層為石炭系、二疊系，礦井內(nèi)無(wú)基巖出露，均為厚層松散層覆蓋。Ⅲ63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°。

Ⅲ63采區(qū)主采山西組6號(hào)煤層。6號(hào)煤煤質(zhì)極軟，具有煤體破碎、滲透性低、瓦斯壓力大的特點(diǎn)，經(jīng)測(cè)量最小堅(jiān)固性系數(shù)min=0.3，平均堅(jiān)固性系數(shù)avg≤0.55，按照硬度標(biāo)準(zhǔn)定性為極軟煤層[23](0.8>>0.5)；6號(hào)煤平均厚2.8 m，按照厚度標(biāo)準(zhǔn)[23]定性為中厚煤層(表1)，煤層滲透率≤0.1×10–3μm2。

表1 煤層厚度劃分標(biāo)準(zhǔn)

6號(hào)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，其中第三層灰?guī)r、第四層灰?guī)r富水性強(qiáng)，單孔涌水量100～600 m3/h，水壓約為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號(hào)煤層的安全開采[19]。奧陶系灰?guī)r含水層位于6號(hào)煤層下200～240 m，具有富水性強(qiáng)、水壓高、水量大的特點(diǎn)，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)生嚴(yán)重突水事故。

1.2 小煤窯越界開采概況

圖1 礦井位置關(guān)系

2 極軟中厚煤層中越界開采區(qū)老空水害防治技術(shù)體系

2.1 地面順層孔長(zhǎng)距離鉆進(jìn)技術(shù)

目前，地面順層孔在石油開采、礦井底板水害治理等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，但應(yīng)用在極軟中厚煤層中長(zhǎng)距離順層鉆進(jìn)面臨以下幾個(gè)問(wèn)題：①在松軟質(zhì)地煤層中定向難度大，2～3 m厚度的煤層對(duì)于常規(guī)地面定向鉆而言屬于較薄的目標(biāo)層；由于煤層硬度較低，復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)井斜會(huì)微降，而螺桿在煤層中增斜能力差，井斜的增加達(dá)不到理論設(shè)計(jì)的效果，順煤層段穩(wěn)斜鉆進(jìn)的難度也就加大，跟層率難以保證；②鉆進(jìn)中若不能合理選擇鉆井液添加劑，造成鉆井液配比不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致井壁內(nèi)外壓力不平衡而發(fā)生塌孔；③當(dāng)突然鉆遇越界開采區(qū)時(shí)，極可能發(fā)生卡鉆、埋鉆等井下事故，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率。因此，松軟煤層中如何成孔是長(zhǎng)距離順煤層鉆進(jìn)的一個(gè)難題。本次通過(guò)總結(jié)分析鉆探定向數(shù)據(jù)、鉆井液配比參數(shù)以及鉆遇特殊情況等，形成極軟中厚煤層中地面順層孔長(zhǎng)距離鉆進(jìn)技術(shù)，具體包括以下幾個(gè)方面。

2.1.1 極軟中厚煤層精準(zhǔn)鉆進(jìn)

首先，在鉆頭進(jìn)入煤層后時(shí)刻記錄每米鉆時(shí)變化情況并根據(jù)巖屑的變化及時(shí)調(diào)整實(shí)鉆軌跡。其次，在順煤鉆進(jìn)過(guò)程中，由于煤層硬度小，動(dòng)力鉆具會(huì)產(chǎn)生造斜能力不足，出現(xiàn)設(shè)計(jì)井斜和方位與實(shí)際情況不符的現(xiàn)象，這時(shí)要以滑動(dòng)鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)相結(jié)合的方式保證煤層跟層率。

當(dāng)實(shí)鉆方位與設(shè)計(jì)方位相符且井斜與煤層傾角一致時(shí)，在煤層中應(yīng)以復(fù)合鉆進(jìn)為主，這是因?yàn)槊簩虞^圍巖相比，堅(jiān)固性系數(shù)較小，鉆進(jìn)過(guò)程中鉆具會(huì)沿較軟的地層進(jìn)行鉆進(jìn)，此時(shí)由于煤層厚度較薄，在其中移動(dòng)工具面進(jìn)行定向鉆進(jìn)反而會(huì)造成出層現(xiàn)象，應(yīng)以復(fù)合鉆進(jìn)方式為主，充分把握這一規(guī)律可以更加有效地增加順煤層鉆進(jìn)距離。此外，在煤層中鉆速較快，工具面不穩(wěn)定，鉆進(jìn)過(guò)程中要根據(jù)情況及時(shí)調(diào)整軌跡。

2.1.2 不同巖性鉆井液配比

一般而言，使用常規(guī)鉆井液在煤層中鉆進(jìn)時(shí)，由于煤層硬度小、質(zhì)地較軟，孔內(nèi)會(huì)出現(xiàn)掉塊、塌孔、卡鉆等復(fù)雜情況；而煤層上覆多為泥巖和砂巖，所以在鉆探過(guò)程中應(yīng)根據(jù)巖性不同放置不同的鉆井液添加劑。

黃土層造漿率比較高，鉆井液中只需添加少量提高黏度的藥品即可(如高黏纖維素)，且黏度應(yīng)控制在20 s以內(nèi)，不然容易發(fā)生黃土包裹鉆頭的情況，造成鉆探效率低下。

砂、泥巖相對(duì)黃土層而言較穩(wěn)定，但容易發(fā)生井漏和塌孔情況，鉆井液中必須添加防塌潤(rùn)滑劑且黏度需達(dá)到30 s以上。具體配方體系可為：在100 m3的鉆井液中加入膨潤(rùn)土2 000 kg，燒堿125 kg，銨鹽250 kg，防塌降黏劑500 kg，硫化瀝青200 kg，潤(rùn)滑劑500 kg。

煤相對(duì)砂巖和泥巖來(lái)說(shuō)穩(wěn)定性差，在穿越煤層時(shí)鉆井液參數(shù)可以取與在砂巖中參數(shù)近似，但在順煤鉆進(jìn)時(shí)，黏度需保持在40 s左右，并適當(dāng)添加NaOH、重晶石、CMC、聚合物等成分，以便更好地在井眼內(nèi)形成“泥餅”來(lái)保護(hù)井壁，增加井壁穩(wěn)定性，防止塌孔。

2.1.3 采空區(qū)井漏預(yù)防與封堵

對(duì)于采空區(qū)井漏，應(yīng)堅(jiān)持預(yù)防為主的原則，盡可能避免因人為失誤而引起井漏。預(yù)防主要有以下幾種方法：①平衡地層壓力。在同一裸眼井段中，地層存在多壓力層系，并且一組地層的孔隙壓力高于另一組地層的漏失壓力或破裂壓力，此時(shí)，為了平衡高壓巖層的孔隙壓力，必須使用高密度(2.5～3.0 g/cm3)鉆井液鉆進(jìn)。②降低井筒中鉆井液的動(dòng)壓力。在鉆進(jìn)過(guò)程中和完鉆時(shí)，需合理調(diào)配鉆井液密度，選用合適的添加劑類型，首先，黏度必須在50 s以上，且要預(yù)先添加常規(guī)堵漏劑，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)壓力平衡；其次，要降低鉆井液的環(huán)空壓耗；最后，要降低開泵、下鉆和下套管過(guò)程中的激動(dòng)壓力。③提高地層的承壓能力。地層的漏失壓力主要取決于地層特性，因此，可以通過(guò)增大鉆井液進(jìn)入漏失層的阻力來(lái)提高地層承壓能力，以到達(dá)防止井漏的目的。

若采用上述預(yù)防措施后鉆孔過(guò)采空區(qū)時(shí)仍發(fā)生井漏，則需進(jìn)行堵漏。①當(dāng)漏失量小于15 m3/h時(shí)，可調(diào)整鉆井液密度至1.3～1.6 g/cm3，添加當(dāng)前鉆井液體積10%的超細(xì)碳酸鈣、非滲透處理劑等堵漏材料來(lái)進(jìn)行細(xì)微空隙堵漏，并適當(dāng)降低鉆井液循環(huán)流量以降低井壁液柱壓力和環(huán)空壓耗，進(jìn)而改變鉆井液在漏失通道中的流動(dòng)阻力，減少地層產(chǎn)生誘導(dǎo)裂縫的可能性，在漏失通道內(nèi)建立堵塞隔墻。若采用復(fù)合型堵漏劑堵漏，由于其顆粒較大，且遇水容易膨脹，必須取出定向儀器后，采用常規(guī)鉆具進(jìn)行堵漏。②當(dāng)漏失量大于等于15 m3/h時(shí)，則需進(jìn)行注漿封堵。注漿材料選取普通硅酸鹽水泥，注漿終止孔口壓力為3～4 MPa，注漿過(guò)程中密度一般為1.2～1.5 t/m3。注漿初期先用1.2～1.3 t/m3低密度漿液進(jìn)行試注，當(dāng)孔口壓力上升至注漿終壓的1/2時(shí)，提高漿液密度至1.4～1.5 t/m3。當(dāng)孔口壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓后，降低注漿流量至60 L/min，并維持30 min，即可認(rèn)為該回次注漿結(jié)束。

2.2 越界開采區(qū)老空水害防治流程

通過(guò)分析越界開采煤層物理性質(zhì)及區(qū)域構(gòu)造發(fā)育特征，確定探查目標(biāo)層與探查線，在地面合適位置設(shè)計(jì)若干鉆孔，應(yīng)用極軟中厚煤層中地面順層孔長(zhǎng)距離鉆進(jìn)技術(shù)沿目標(biāo)煤層鉆進(jìn)，根據(jù)李智等[7]提出的鉆遇越界開采區(qū)域判別準(zhǔn)則，若在鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生鉆井液大量漏失或鉆具突然放空等情況，說(shuō)明仍處于越界開采范圍內(nèi)，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注漿封堵，并在越界開采巷道與漏失區(qū)域之間設(shè)計(jì)鉆孔，一方面對(duì)封堵效果進(jìn)行驗(yàn)證，另一方面確定越界開采方向。接著將探查線向待采工作面方向移動(dòng)至少10 m，利用地面定向鉆具有區(qū)域性探查的特點(diǎn)[24]，設(shè)計(jì)分支孔繼續(xù)探查，直至各鉆孔順煤段連接成一條完整探查線，并以此為依據(jù)留設(shè)礦界防隔水煤柱。越界開采區(qū)老空水害防治流程如圖2所示。

圖2 越界開采區(qū)老空水害防治流程

3 老空水害防治工程實(shí)踐

3.1 越界開采邊界探查設(shè)計(jì)方案

為了探查Ⅲ63采區(qū)右翼相鄰小煤窯越界開采范圍，首先以小煤窯疑似越界開采巷道向礦井方向推移14 m為推測(cè)越界開采巷道位置，再向礦井方向推移50 m劃定為疑似越界開采邊界線，為最大程度地保證防隔水煤柱的安全距離，在疑似越界開采邊界線的基礎(chǔ)上向礦井方向再推移50 m劃定為設(shè)計(jì)探查線，如圖1所示。

以小煤窯越界開采的6號(hào)煤層為目標(biāo)層位，設(shè)計(jì)3個(gè)地面孔組(D1、D2和D3孔組)，為提高探查效率，同時(shí)施工3個(gè)孔組。D1孔組探查Ⅲ633工作面切眼外側(cè)煤層完整性；D2孔組探查Ⅲ635工作面切眼外側(cè)煤層完整性，開始順煤位置與D1孔組順煤段相交；D3孔組探查Ⅲ635與Ⅲ637工作面切眼外側(cè)煤層完整性，其順煤段末端與D2孔組順煤段相交。鉆孔采取三開結(jié)構(gòu)，二開套段底口位于6號(hào)煤頂板上約30 m，三開為裸孔段沿目標(biāo)層位鉆進(jìn)。鉆孔設(shè)計(jì)平面如圖3所示。由于目標(biāo)層厚度較薄且地層起伏較小，只要各鉆孔順煤段在平面上相連則認(rèn)為構(gòu)成完整探查線。

圖3 設(shè)計(jì)鉆孔分布

3.2 越界開采情況探查與結(jié)果分析

在探查過(guò)程中運(yùn)用極軟中厚煤層精準(zhǔn)鉆進(jìn)、不同巖性鉆井液配比和采空區(qū)井漏預(yù)防與封堵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在極軟煤層中順利成孔長(zhǎng)距離鉆進(jìn)的目的。由于6號(hào)煤層屬于極軟中厚煤層，當(dāng)鉆孔方位與設(shè)計(jì)方位相符且井斜與煤層傾角一致時(shí)開始順煤層鉆進(jìn)，以復(fù)合鉆進(jìn)為主。D1孔組與D3孔組各鉆孔順煤情況見(jiàn)表2，從表2可以看出除D1-2孔外其余鉆孔順煤段中復(fù)合式鉆進(jìn)進(jìn)尺1占比遠(yuǎn)大于定向鉆進(jìn)進(jìn)尺2，D1與D3孔組復(fù)合段進(jìn)尺占比達(dá)到74%和75%。

根據(jù)不同巖性鉆井液配比技術(shù)，在D1孔組一開段為防止發(fā)生松散層黃土包裹鉆頭的情況，在鉆井液中加入50 kg高黏纖維素將黏度控制在20 s。在二開砂巖、泥巖井段為防止井漏和塌孔，加入硫化瀝青200 kg，350 m遇到5號(hào)煤采空區(qū)，漏失量為12 m3/h，加入125 kg燒堿和200 kg常規(guī)堵漏劑，當(dāng)鉆進(jìn)至520 m時(shí)漏失量減小至10 m3/h，鉆井液中加入50 kg防塌劑，順利鉆進(jìn)至540 m，位于6號(hào)煤頂板上30 m，下入二開套管。在三開段煤層中，每60 m3鉆井液添加100 kg NaOH、250 kg重晶石、250 kg CMC等添加劑，黏度穩(wěn)定在40 s左右，以便增加井壁穩(wěn)定性，防止塌孔。

不同井段鉆井液參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 鉆孔順層段定向與復(fù)合井段對(duì)比

表3 不同井段鉆井液參數(shù)

在順煤鉆探過(guò)程中D1-2孔、D3-1孔和D2-1孔均發(fā)生漏失現(xiàn)象，漏失位置如圖4所示。其中，D3-1孔在988 m時(shí)發(fā)生鉆井液漏失，鉆進(jìn)至990 m時(shí)漏失量大于50 m3/h。D2-1孔以D3-1孔漏失點(diǎn)為目標(biāo)靶點(diǎn)，鉆進(jìn)至752 m發(fā)生約6 m3/h的漏失，頂漏鉆進(jìn)至755 m漏失量增大到40 m3/h，據(jù)此可以確定漏失點(diǎn)附近仍屬于越界開采區(qū)域；D1-2孔從井深599 m處揭露6號(hào)煤層，當(dāng)順煤層鉆進(jìn)至881 m時(shí)發(fā)生鉆井液突然失返，與D3-1孔漏失點(diǎn)平面距離28 m，分析確定該漏失點(diǎn)與D2-1孔和D3-1孔漏失區(qū)域同屬于越界開采范圍。根據(jù)2.2節(jié)提出的越界開采區(qū)老空水害防治流程對(duì)鉆遇采空區(qū)進(jìn)行注漿封堵，注漿開始時(shí)孔口壓力為零，使用密度1.3 t/m3漿液進(jìn)行注漿，經(jīng)過(guò)3 h孔口壓力上升至2 MPa時(shí)，提高漿液密度至1.5 t/m3。又經(jīng)過(guò)3 h孔口壓力達(dá)到終壓4 MPa，降低注漿流量至60 L/min，并維持30 min，該回次注漿結(jié)束。然后施工D2-2孔驗(yàn)證封堵效果并判斷越界開采方向。

圖4 鉆孔軌跡及漏失點(diǎn)分布

D2-2孔從井深625 m處揭露6號(hào)煤層，在638 m開始出現(xiàn)水泥，705～725 m水泥體積分?jǐn)?shù)約95%，含少量煤屑，鉆進(jìn)過(guò)程未出現(xiàn)漏失現(xiàn)象。表明從705 m左右開始為6號(hào)煤層采空區(qū)，所遇水泥為之前對(duì)6號(hào)煤層采空區(qū)的注漿封堵物。根據(jù)D2-1、D1-2、D3-1鉆孔的漏失情況以及D2-2孔巖屑錄井可以確定：①D2-1、D1-2孔對(duì)采空區(qū)填充效果較好；②小煤窯越界開采范圍在越界巷道的基礎(chǔ)上又至少向礦井方向延伸了150 m。

在確定越界開采情況的基礎(chǔ)上將探查線向Ⅲ63采區(qū)方向移動(dòng)15 m，再施工分支孔對(duì)6號(hào)煤層進(jìn)行探查，其中D1-1孔、D1-3孔、D1-3-1孔、D3-1與D3-2孔共順煤鉆進(jìn)992 m，各鉆孔具體順煤情況見(jiàn)表4。

3.3 完整探查線的確定

D1-1孔、D1-3孔、D1-3-1孔、D3-2孔、D3-1孔連續(xù)順6號(hào)煤層鉆進(jìn)，軌跡相交或壓茬，有效順煤段均無(wú)鉆井液漏失且煤層巖屑正常，形成完整的6號(hào)煤層探查線，如圖5所示，各鉆孔設(shè)計(jì)與實(shí)鉆的方位和井斜對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表4?？梢钥闯龈黜樏憾螌?shí)鉆方位與設(shè)計(jì)方位的誤差在1°左右，而定向儀器方位測(cè)量的系統(tǒng)誤差為±1°。實(shí)鉆井斜與煤層傾角的誤差基本為2°以內(nèi)，但考慮到煤層傾角是根據(jù)礦井范圍內(nèi)的鉆孔資料推測(cè)，探查區(qū)域上沒(méi)有實(shí)際揭露數(shù)據(jù)，所以煤層傾角數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確；6號(hào)煤層均厚為2.8 m，各鉆孔順煤段揭露的巖屑均為6號(hào)煤，且定向儀器井斜測(cè)量也存在系統(tǒng)誤差。根據(jù)以上分析可以得出，極軟中厚煤層中地面順層孔長(zhǎng)距離鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用能夠精確地達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，成功實(shí)現(xiàn)了地面定向鉆在極軟中厚煤層中長(zhǎng)距離順層鉆進(jìn)并確定了小煤窯越界開采邊界。

表4 鉆孔順煤層鉆進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖5 完整探查線與防隔水煤柱邊界

3.4 防隔水煤柱的留設(shè)

留設(shè)防隔水煤(巖)柱是防止各種條件下突水事故發(fā)生的重要手段，對(duì)礦井安全采掘工作具有重要的意義[25-26]。根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》附錄六之二的要求[21]，防隔水煤(巖)柱的寬度按如下公式留設(shè)：

式中：為煤柱留設(shè)的寬度，m；為安全系數(shù)，一般取2～5；為煤層厚度或采高，m；為水頭壓力，MPa；p為煤的抗拉強(qiáng)度，MPa。

為確保礦井安全生產(chǎn)，提高煤柱留設(shè)安全級(jí)別，值選擇最大值5，煤層厚度選擇最大值2.8 m，小煤窯井口高程+34.6 m，Ⅲ63采區(qū)相鄰點(diǎn)的6號(hào)煤層最低點(diǎn)煤層高程–520 m，以小煤窯充滿水且水位升至井口高程的極限情況下計(jì)算水頭壓力為5.546 MPa。根據(jù)抗拉強(qiáng)度原位測(cè)定結(jié)果，6號(hào)煤的p值選擇最小值0.28 MPa。

根據(jù)各參數(shù)選擇情況，代入式(1)計(jì)算得出=54.0 m，以圖5中完整6號(hào)煤層探查線為邊界，向采區(qū)方向留設(shè)防隔水煤柱。煤柱邊界與工作面切眼位置如圖5所示。目前，在合理留設(shè)防隔水煤柱的基礎(chǔ)上Ⅲ633工作面已完成安全回采。

4 結(jié)論

a. 針對(duì)我國(guó)老空水危害提出以復(fù)合鉆進(jìn)為主，滑動(dòng)鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)相結(jié)合的極軟中厚煤層精準(zhǔn)鉆進(jìn)技術(shù)；根據(jù)不同層位穩(wěn)定性和巖性的差異選擇不同巖性鉆井液配比技術(shù)；采用添加高密度鉆井液、常規(guī)堵漏劑和注漿封堵等方法為主的采空區(qū)井漏預(yù)防與封堵技術(shù)，綜合形成極軟中厚煤層中地面順層孔長(zhǎng)距離鉆進(jìn)技術(shù)。

b.結(jié)合地面定向鉆技術(shù)施工效率高、安全性強(qiáng)、探查范圍廣的優(yōu)勢(shì)，從目標(biāo)層位與探查線的確定到地面順層孔探查方案的確定，再到探查過(guò)程中揭露采空區(qū)的處理方法，直至形成目的煤層完整探查線，最后據(jù)此留設(shè)防隔水煤柱，形成了完整的越界開采區(qū)老空水害防治流程，進(jìn)一步完善了老空水害防治技術(shù)體系。

c.以華北型煤田某煤礦為研究對(duì)象，其6號(hào)煤層存在小煤窯越界開采現(xiàn)象，實(shí)施3組地面順層鉆孔對(duì)越界開采邊界進(jìn)行了探查，根據(jù)鉆井液漏失確定了越界開采范圍，運(yùn)用極軟中厚煤層長(zhǎng)距離順層鉆進(jìn)技術(shù)并結(jié)合實(shí)際巖屑情況驗(yàn)證，順6號(hào)煤層共鉆進(jìn)992 m，快速準(zhǔn)確地形成了完整6號(hào)煤層探查線，并以此留設(shè)防隔水煤柱。目前Ⅲ633工作面已安全回采，證明本文提出的技術(shù)方法效果可靠性較高。

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Prevention and control technology of goaf water hazard in unauthorized mining areas of extremely soft and medium-thick coal seams

LI Zhi1,2,3, ZHENG Shitian2,3, SHI Zhiyuan2,3, WANG Yuhang2,3

(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 3. Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard, Xi’an 710077, China)

Unauthorized mining in coal pit is common in China’s coal industry. As the scope of unauthorized mining and the amount of accumulated water are hard to determine, the goaf water seriously threatens the safety of mining in adjacent large coal mines. In order to explore the unauthorized boundary of coalpits quickly and accurately and prevent the threat of goaf water, the long distance drilling technology of ground bedding borehole in medium and thick coal seam is proposed based on the controllable trajectory and accurate positioning of ground directional drilling, which mainly includes precise drilling in extremely soft and medium-thick coal seam, drilling fluid ratio of different lithology, prevention and plugging of lost circulation in goaf. In addition, the prevention and control process of water disaster in the goaf of the unauthorized mining area is put forward. Taking the right side of Ⅲ63 mining area of a coal mine in North China coalfield as the research area, adopting the goaf water disaster prevention technology system in the unauthorized mining area, the unauthorized mining boundary and direction are accurately identified through engineering demonstration, which provides a basis for reasonably retaining the waterproof coal pillar in the mine boundary. The successful application of the method provides a scientific technique for the prevention and control of goaf water disaster in similar mines, and provides valuable experience for the ground bedding borehole in the field of detecting the unauthorized mining boundary and gas extraction from extremely soft coal seam.

prevention and control of goaf water hazards; ground bedding borehole; extremely soft medium-thick coal seam;unauthorized mining

語(yǔ)音講解

TD745

A

1001-1986(2021)06-0167-08

2021-05-08；

2021-09-20

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2017YFC0804102)

李智，1992年生，男，陜西西安人，博士研究生，助理研究員，從事礦井防治水與注漿工程方面的研究. E-mail：lizhi@cctegxian.com

李智，鄭士田，石志遠(yuǎn)，等. 極軟中厚煤層越界開采區(qū)老空水害防治技術(shù)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2021，49(6)：167–174. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.020

LI Zhi，ZHENG Shitian，SHI Zhiyuan，et al. Prevention and control technology of goaf water hazard in unauthorized mining areas of extremely soft and medium-thick coal seams[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(6)：167–174. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.06.020

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