李 莹，曹伟康

（1.冀中能源峰峰集团有限公司 辛安矿，河北 邯郸056200；2.山西古县老母坡煤业有限公司，山西 临汾041000）

1 矿井概况

辛安矿隶属冀中能源峰峰集团有限公司，原名黄沙矿，由黄沙区和辛安区组成。2013年因矿井资源接近枯竭，经政府批准破产重组，更名为冀中能源峰峰集团有限公司辛安矿。重组后井田范围保持不变，矿区面积15.280 7 km2；批准开采煤层为2、6、7、8、9号煤层，开采方式为地下开采，开采煤层标高+230—-950 m。目前，矿井主采煤层为2号煤，2014年矿井核定生产能力为150万t/a。矿井地质类型、水文地质类型均为复杂型，矿井涌水量在30～34 m3/min，属大水矿井，防治水工作难度较大。

2 -500北翼地区概况

辛安矿-500水平北翼地区（以下简称-500北翼）位于以矿井东部井田边界F1和F55大断层为主干的“帚状”构造收敛部，区内大中型断层极为发育，根据勘查资料显示，区内2号煤层埋深大、断裂构造发育、煤岩层受强烈挤压十分破碎，地层扭曲变形严重，且区内山伏青、大青水可能通过各大中型断层及其交接部位获得奥灰水的侧向和垂向补给。2015年经地面专项补勘，区内地质条件得到基本控制，新增2条落差25 m以上的断层（F41-1、F42-1），且原有断层走向长度增加，区内构造情况更趋复杂。为确保区内煤层安全开采，选择-500北翼地区作为此次工程的试验地区，提高-500北翼地区构造及水文地质条件探查精度，并采取针对性防治水措施。

3 -500北翼探查工程主要研究内容

3.1 主要研究、试验内容

目前，经过峰峰集团近几年研究和实践，地面定向水平钻进技术试验效果显著，在目的层内钻遇高，注浆效果好。该项目选择大青薄层灰岩作为探查研究目的层进行工程施工，利用水平定向钻孔在探查目的层内的钻遇情况，通过孔口返出岩屑对地层进行辨别，从而达到判别构造的发育情况。

辛安矿通过矿井已有勘探资料，通过多方分析论证，选择-500北翼地区作为此次工程的试验地区，选择大青灰岩作为探查治理目的层，通过钻孔在大青灰岩的钻遇情况，分析钻遇的地质构造。工程设计施工3个主孔，多水平分支孔及次级分支孔，线、网状对区域内大青灰岩构造及水文地质条件进行全面探查、治理，有效探明开采煤层底板构造发育情况，并采取针对性防治水措施，确保区内煤层安全开采。

3.2 目 标

对煤层下伏大青薄层灰岩含水层地质构造条件及水文地质条件进行精准探查，提高区内地质、水文地质条件探查精度，并通过探查钻孔进行预注浆加固、治理。在工程施工过程中对已进行过探查治理的区域进行安全开采阶段评价，同时通过钻探及物探手段，确认探查治理效果及技术的可行性研究，最终解放采区煤层储量，实现区内煤层的安全开采。

3.3 技术关键

钻孔按设计曲线轨迹准确钻进至目标层位并在目标层位长距离钻进是定向水平钻进的关键步骤，只有保证钻孔在目的层内的高钻遇率才能通过钻遇地层情况有效的对地质构造进行精准辨别。

4 探查治理目的层选择

辛安矿奥灰位于地下水强径流带，富水性极强，矿井2010和2011年连续2 a年发生奥灰突水事故，最大突水量400 m3/min，另外，辛安矿地质类型为极复杂型，构造发育且新区控制程度低，选择奥灰顶部作为治理目的层不仅构造无法判别，且注浆量大，无法达到治理的效果，因此选择奥灰顶部作为区域治理目的层不符合矿井实际情况。

选取奥灰顶部为目的层：奥陶系灰岩属巨厚层，无界，在奥灰中施工钻孔，钻孔始终在灰岩范围内，层位判别困难，另外，奥灰富水性存在各向异性，注浆浆液控制难度大，注浆量过大增加成本。

选取薄层灰岩为目的层：薄层灰岩厚度小，上下标志层较多，断层、隐伏构造容易进行判断，注浆浆液扩散容易控制，注浆量小，能满足工作面开采的安全技术条件。

5 -500北翼地区探查方案设计

该试验设计主孔3个，编号注3、注4、注5，定向分支孔30个，按水平间距40 m，东西向平行布置，自南向北依次编号为注3-1～注3-12；注4-1～注4-16；注5-1、注5-2。对覆盖范围内2号煤层底板大青含水层构造及水文地质条件进行全面探查、治理。

6 工程探查成果

（1）辛安矿北翼地面区域治理勘探工程注3、注4孔设计30个水平分支，设计钻探工程量37 086 m，实际自2017年4月10日开工，2019年12月21日完成钻探施工任务。历时986 d。共完成2个主孔段，7个造斜段，28个水平分支孔，完成钻探工程量39 504.92 m，包括主孔段319.01 m，造斜段4 827.66 m，水平段34 358.25 m。实际完成工程量比设计增加了2 418.92 m，增加原因为新探查f1、f2、f3、f4、f5等断层，及增加奥陶系灰岩顶界面探查孔需要增加工程量，查明断层落差后重新侧钻钻进。各分支钻孔方位、倾角、孔深、探测层位、入窗及靶点均达到设计要求。

（2）该工程水平分支成平行条带状或羽状分布，3-0、3-1、3-2、3-3分支间距60 m左右；3-4及后续水平分支间距40 m左右，所有分支严格按照设计轨迹进行施工，定向轨迹偏差均小于±5 m，关键点偏差小于±3 m，满足设计要求。

（3）该工程钻进过程中累计共注水泥44 621.33 t，包括漏失注浆水泥44 424.32 t，封孔注浆水泥197.01 t。注浆压力10～15 MPa，注浆后扫至原孔深进行了压水试验，计算透水率小于0.01 L/min.m.m，继续钻进过程中在注浆位置附近未发生漏失，注浆质量合格。

（4）水平分支大青灰岩钻遇率为80%～97%，均大于80%，达到设计要求。

（5）施工过程中根据收集的地质资料建立了大青灰岩伽马值范围（大青灰岩顶板砂质泥岩100～130 API、大青灰岩<40API、大青灰岩底含炭质灰岩100 API左右、大青灰岩底板8号煤80～100 API）、钻时变化以及地层岩性稳定性，摸清了大青灰岩及其顶底板地层地质情况。

（6）水平分支施工过程中，结合岩粉、伽马、钻时综合分析，多次钻遇断层，经对地层分析比对，进一步提高了对F37、F38、F39、F40、F41、F42、F44、F55-1等断层的控制程度。新增大青灰岩段6条，分别为f1、f2、f3、f4、f5、f6。注3孔各分支孔f2断层以西揭露大青层位地层较为稳定，f2断层以东各孔均揭露多条落差大于10米的隐伏断层，断层在大青层位附近发育。受断层组影响，地层连续性遭到破坏。可为后期工作面开采提供依据。

（7）各分支孔在水平段施工过程中共进行压水试验93次，非漏失段计算透水率均小于0.01 L/min.m.m。部分区域大青灰岩岩溶裂隙发育，施工过程中发生循环液失返现象，测量大青灰岩含水层水位为115.6～-156.75 m，奥灰含水层近3年最高水位+126.1 m，说明大青灰岩含水层裂隙局部发育，且与下伏奥灰含水层存在一定水力联系部分分支孔施工至过f5、f6断层后，出现循环液漏失现象，水位为+121.95～+126.1 m，受构造影响，大青灰岩与奥陶系灰岩存在水力联系。

（8）截至2020年4月1日，-500北 翼212-1煤柱工作面已施工完成井下大青区域治理效果检验孔6个，结合采区内及周边已有大青观测孔资料，大青水位由-50 m降为-270 m，治理前大青单孔涌水量20～150 m3/h，治理后单孔涌水量均小于3 m3/h。

（9）综上所述，通过区域探查治理后，切断了大青灰岩含水层与下伏奥灰含水层的水力联系，将底板大青灰岩含水层改造为相对隔水层，进一步增强了2号煤层底板岩层的完整性，使煤层开采安全系数增加，达到了区域治理目的。

7 技术创新

（1）避免了井下施工钻孔的危险性，避免淹头、淹面情况发生。

（2）将矿井构造探查由单点控制升级为线、网状控制，可有效提高矿井构造探查精度。

（3）该技术仅需施工1个主孔，通过施工多水平分支孔实现构造的精准探查。

（4）简化施工工序，少下套管减少单孔施工所需的等凝时间

（5）省却地面物探技术探查需求。

（6）可通过探查钻孔对含水层进行注浆改造、对隔水层进行加固，提高煤层开采安全系数。

8 结 语

利用定向水平钻进技术精准探查矿井地质构造研究经过辛安矿-500北翼地区的实践应用，证明该技术成熟度高，成功率大，设计简单、实施简便、适用范围广泛、效果良好，所总结出来的各项技术参数、经验等，对于地质、水文地质条件复杂的地区及与辛安矿相似的矿井实施精准构造探查提供了很好的参考借鉴。