煤矿水害防治中定向钻探注浆技术的应用

2020-11-29陈超

科技与创新 2020年14期

陈超

煤矿水害防治中定向钻探注浆技术的应用

陈超

（淮北杨柳煤业有限公司，安徽淮北 235119）

中国地质构造多样且结构复杂，随着煤矿行业的深入开发，矿井水害问题尤为突出，定向钻探注浆技术结合了注浆与定向钻进两种技术的优势。将结合煤矿水害防治必要性及定向钻探注浆技术特点，讨论其在奥灰水层注浆、底板顶板水害治理等方面的具体应用，为进一步改善煤矿水害的问题提供参考。

煤矿水害；定向钻探；注浆技术；技术应用

近几年，煤矿生产安全问题得到重视，矿难发生率与死亡率也在下降。众所周知，煤矿开采需要在井下进行，地下环境及地质结构复杂，安全隐患较大，其中水害事故排名重大事故的前三名，常见水害有大气降水水害、地下水源水害、老空水源水害等，其中部分水害还具有隐蔽性，防控难度大。

1 煤矿水害防治必要性

中国自然资源现状为少油多煤，全国煤炭储量可达全球煤炭储量的11.7%，因此煤炭行业发展比较快。但是随着开采深度加大，安全风险也在增强，尤其是很多煤层的水文地质条件及工程条件相对复杂，结构多样，所以容易引发水害事故。

“十二五”期间，中国各地共发生煤矿水害事故121起，死亡人数达546人，其中较严重水害事故50起，占全国重大事故数量的17.5%。水害事故一旦发生，不仅会使煤矿企业蒙受巨大经济损失，同时还严重威胁着开采人员的生命安全。例如，很多矿井开采深度、规模较大，作业时会对地质顶板、底板的含水层结构造成严重的破坏，进而引发水害事故。《煤矿防治水细则》中的第五章提到，在煤矿开采时，需要做好防治水工作，采用注浆技术改造煤层强度，并做好区域治理，实现井下注浆加固、注浆封堵突水点、注浆井筒堵水，同时文件还对技术使用及技术管理作出说明。因此，为了提高煤矿作业的安全性，促进行业经济发展，必须采取水害防治措施[1]。

2 定向钻探注浆技术的特点

以往煤矿单位在开展井下作业时，多采取三维地震勘探、地质雷达、地质电法等技术来实现地质结构勘测，从反馈数据来分析井下地质是否存在断层、褶曲、陷落柱等问题。但是此类技术在勘测大断层地质时结果精准度不高。例如，钻孔深度不够，所以不能掌握钻孔实际的探测轨迹，无法实现巷道超前勘测，井下掘进时的安全性得不到保障，容易出现煤矿或瓦斯冲突问题以及渗水事故。而定向钻探技术的钻孔深度较大，能实现远距离的钻孔轨迹控制，提高井下作业的安全性，优化勘测数据精准度。该技术最早起源于19世纪后期的美国，中国于20世纪50年代引进，有效提高了地下煤矿施工的空间位置布局效果。而注浆技术最早发明于1802年，贝鲁尼为了提高地质层的物理稳定性，尝试在地质层中注入石膏及黏土，经过近200年的改进与研究，最终注浆技术在加固岩土、防渗堵水等方面发挥出了良好作用。定向钻探技术能够让井身沿着预先设定的方向及轨迹达到目的层，也被称为斜向钻井技术。注浆技术则是将制备好的泥浆填充到岩土层中，通过挤压、充填的方式改变煤层物理力学。泥浆与化学浆通过定向钻探管道挤压紧煤矿井下的岩层缝隙中，经过扩散与凝固，最终完成硬化，提高了岩层的硬度与强度，使得岩层具有良好的密实性与不透水性。将定向钻探技术与井下注浆结技术结合起来能够帮助封堵井下渗水点，恢复被淹矿井，降低矿井有水量，加固煤矿层底板，避免突水问题的出现[2]。

3 定向钻探注浆技术在煤矿水害防治中的应用

3.1 多分支钻探注浆

多分支钻探注浆技术的原理结合了地面注浆技术与随钻导向测量技术，通过定向钻孔来确定地下水害位置，实现超前注浆，减少地下水害风险。施工钻孔地面包含指控段、造斜段、顺层分支空段等。本文以三灰岩层为例，在治理时，首先要顺层钻探三灰岩层，利用区域性超前定向钻探技术来勘察灰层底板构造，观察是否存在溶洞缝隙以及隐伏构造。然后使用高压注浆，封堵缝隙。在使用多分支钻探注浆技术时，应分段施工、探注结合。在整个煤层底板出构建完整的“水泥止水塞”，隔绝三灰层以及地下含水层的水源，表面底板高压灰岩出现突水灾害。多分支钻探技术能够在煤层地表的多分支近水平层进行水层钻孔，使其形成顺层钻孔群，最终呈现为“网状分布”。钻孔距离应保持在50～90 m，这样有利于后期对含水层的含水空间、压浆通道、导水通道进行注浆封堵，从而彻底断绝突水问题。隔绝三灰及奥陶系灰岩水层突入工作区，提高地下作业安全性。需要注意的是，顺层多分支钻探注浆技术使用起来比较复杂，需要前期设计好施工图纸，确保施工流程的精准性，例如钻探设计、钻孔导向、注浆系统、判层都要标注清楚，以确保注浆工艺的顺利使用。

3.2 不同地质勘探

定向钻进技术更加适用于岩层以及稳定性强的煤层，该技术使用的机械设备为强度较高的中心通缆钻杆以及孔底螺杆马达。使用时采取弯外管孔底螺旋马达、高压水灰带动钻孔底部马达、驱动力促使马达回旋，检测器向地面传输钻探信息及钻探轨道，然后随钻测量技术会将钻探轨迹数据传达到钻头底部，螺杆马达对应调节钻头角度及方位，实现精准钻探。该技术最大的优势就是能人为控制钻头走向，因此对多种岩层及地下结构都有良好的适用性。例如，勘探矿井采空区时，施工人员只需要找准定向打钻目标，然后保证打孔间隔在20 m左右，使用定向钻进技术开始下钻，如果在钻探过程中未能发现速度突然加快然后卡钻或地下水返水等情况，就可以判断该区域为采空区，并利用随钻系统确定该区域的坐标，做好采空区标记，为矿井施工提供安全保障。除此之外，定向钻进技术还可以使用于陷落柱的勘探，首先在勘探区做好打钻目标，然后下钻，如果过程中出现速度减慢、钻进卡钻、钻头处出现较大岩粒，就可以确定该位置为陷落柱，并用随钻系统确定坐标。一般在开掘地质较为松软的巷道时，掘进过程需要依靠超前钻探来确定煤层情况，这时在煤层底板或顶板处使用定向打钻技术，就可以探测处煤点位置，然后技术人员以此绘制煤点分布图，确定断层位置，设计出后期掘进轨迹。

3.3 奥灰水层注浆

对奥灰水层注浆时，往往使用的注浆技术为“升压渗透”法，压力作用下，浆液随之扩散，等到浆液完全将矿井煤层中的缝隙填满后，压力仍在加大，这时，地下水就会被注入的浆液所代替，并形成注浆区域地下水区两部分。奥灰水层注浆时，应选用水泥与粉煤灰混合作为注浆材料。首先，在地面搭建一个注浆站，然后用水力射流工艺将水泥与粉煤灰均匀混合，水灰比应在1.3∶1～3∶1之间。如果采用定向钻探技术后勘测到煤层存在大裂缝，就需要使用上文中提到的水灰浆。如果发现溶洞或结构断裂时，则应当使用砂石骨料注浆。使用定向注浆技术时，应控制注浆压力在5～12 MPa之间。根据矿井的实际情况、封堵浆液损耗量、定向钻井距离来及时停止注浆操作。例如，当煤矿钻井浆液损耗量大于5 m3/h时，即可以停止注浆；当煤矿钻井浆液没有出现明显漏失，且钻井距离达到150 m（或以上）时，就要停止压水操作，检查压水量是否超过0.5 m3/min，然后开始注浆。需要注意的是，技术人员在使用定向钻探注浆技术时，要考虑到铺底控制工作，一旦钻探过程中发现有“格子”形状的断层或溶洞结构需要采取注浆操作时，一旦注浆压力超出定制，浆液就会沿着缝隙或溶洞延伸到不需要注浆的奥灰水层下方，这样容易导致含水层损坏，也会造成大量浆液消耗，产生成本浪费问题。因此，在对巨厚含水层采取注浆操作时，要做好铺底控制。例如，当漏失量小于0.5 m3/h时，可以使用1∶1注浆作为铺底材料；当漏失量为0.5～1 m3/h时，可采用注浆或者早强水泥预制浆作为铺底材料；当漏失量大于1 m3/h时，需要使用粉煤灰当中铺底材料。另外，如果发生掉钻问题，就要用碎石或细沙来做铺底[3]。

3.4 底板水顶板水治理

中国很多地区的煤层顶部都存在含水层，且面积分布较大，所以在开采过程中很容易发生水害，在地面上使用定向注浆技术可以有效封堵水层，隔绝导水通道，降低涌水量，避免煤层顶板缝隙含水层突水问题，提高井下作业的安全性。另外底板水害也是威胁矿井作业安全性的主要因素，例如，中国华北、华东地区石炭二叠系煤田面积较大，此类煤田地质条件比较复杂，一旦底板充水会含水量高，就会导致煤层隔水底板变薄、变脆，在开采过程中，很容易出现导水缝隙带破裂，引发突水灾害。所以使用定向钻探注浆技术可以将底板隔水层封堵，提高煤层底板的完整性及强度，降低水头压力的威胁，以往技术人员在治理底板水时常使用疏排水或建立防水煤柱等方法，但是费用较高。采取定向钻探注浆技术能够大大节约施工成本，而且能够保护地下自然环境，减少生态污染。