王国文，闫鑫，贺晓浪，丁湘，肖乐乐

（1.鄂尔多斯市伊化矿业资源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017318；2.中煤冲击地压与水害防治研究中心，内蒙古 鄂尔多斯 017000；3.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054；4.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054）

0 引言

侏罗纪煤炭是中国的主要煤炭资源，也是中国煤炭开采的主要对象之一［1］。近年来随着煤炭工业战略西移，煤炭资源开采强度不断加大，煤层顶板砂岩含水层水害问题凸现，对矿井安全生产构成严重威胁［2］。煤层开采前，在人工控制条件下施工疏放水钻孔，进行超前预疏干或疏降水压是减轻或消除顶板含水层水害的一种有效方法［3］，可以有效消减井下峰值涌水量，减轻排水系统的工作压力。目前，深部侏罗纪煤层在顶板砂岩水探放设计时多采用“均匀布孔，全面覆盖”的固定模式。由于此类区域为陆相沉积多相变、多旋回的沉积模式，使得顶板砂岩水富水极不均匀，采用固定模式的疏放水设计针对性较差，会产生不必要的工程量，疏放水效果较难保证。同时设计施工不合理的疏放水钻孔，还会导致工作面生产进度延缓。因此，有必要在准确分析工作面水文地质条件的基础上，科学合理地布设探放水钻孔，针对不同含水层条件，采用不同的疏放水方式，靶向疏放顶板含水层水量，提高疏放水效率，节约疏放水工程量，确保工作面安全回采［4］。

前人在煤层顶底板含水层超前疏水降压方面进行了大量技术研究和工程实践，取得了一系列丰硕成果。顶板含水层超前疏放的主要技术措施包括短距离回转钻进群孔疏放技术和长距离定向钻进引流疏放技术。前者主要运用于含水层厚度较薄、与煤层距离较近，且富水相对较弱的顶板砂岩水疏放，后者多用于探查底板隐伏构造、奥陶系灰岩水水压疏降、超长工作面瓦斯大区域治理等方面［5-9］，在顶板砂岩探放水中，多用于含水层厚度较大、与煤层距离较远且富水较强的区域。

由于工作面长度相对较短，水文地质条件差异较小，以往对于两种钻进技术的研究多侧重于对单个技术的分析，在矿井顶板疏放水实践中，也多是单独采用其中的某一项技术，鲜有根据工作面顶板砂岩含水层结构差异和富水不同、联合应用短距离回转钻进群孔疏放技术和长距离定向钻进引流疏放技术的。母杜柴登煤矿工作面长度达5933 m，在空间上跨度较大，水文地质条件差异巨大，富水极不均匀，因此，需要采取针对性的疏放水措施，提高疏放水效率，降低疏放水成本。本文根据工作面顶板含水层不同位置富水不同，提出长距离定向钻进引流疏放和短距离回转钻进群孔疏放联合的顶板砂岩水靶向疏放技术，以期取得较好的疏放效果。

1 短距离群孔疏放和长距离定向引流

短距离回转钻进群孔疏放是在井下工作面辅助运输巷和胶带运输巷中，根据上覆含水层特征及其与煤层的距离，利用短距离回转钻施工一系列专门钻孔，使钻孔直接进入含水层中，利用水位压力和水的自然重力，将顶板砂岩水通过钻孔有控制地提前疏放。

短距离回转钻进群孔疏放技术的优点：钻场设置灵活，可在较小空间内施工钻孔，施工方便；钻孔距离短，可根据疏放水情况随时优化调整钻孔布置；设备结构相对简单，易于操控，施工难度较小，可近距离疏放顶板含水层水；设备体积相对较小，施工占用场地小。

短距离回转钻进群孔疏放技术的缺点［10-11］：单个钻孔钻探长度有限，施工深度为50～150 m，可疏放高度有限，覆盖范围较小；钻孔施工过程中轨迹难以控制，不易精确测量；施工周期较长，群孔施工需要频繁搬移钻机设备，还需要多次下设套管、封孔；需要多次钻场施工及穿过地层进入含水层，无效进尺较多。

长距离定向钻进引流疏放是利用长距离定向钻机（图1），在工作面辅助运输巷或胶带运输巷内设置钻场，以大倾角上仰开孔钻进至煤层顶板，然后利用随钻测量定向钻进技术进行造斜钻进，通过对钻孔轨迹的实时准确测量和精确控制，将钻孔钻进至工作面顶板含水层中，并在含水层内延伸至设计位置，然后将顶板砂岩水沿钻孔轨迹进行疏放［12-13］。

图1 随钻测量定向钻进系统连接示意Fig.1 Connection schematic of MWD directional drilling system

长距离定向钻进引流疏放技术的优点［14-16］：单孔成孔距离长，目前定向钻孔深度最大可达3353 m［17］，可疏放范围大幅增加；钻孔轨迹清晰，可实时精确控制；钻孔目标层针对性强，可通过施工多个水平分支孔增大区域覆盖面积，钻孔有效进尺占比高，钻进效率高；单位进尺相对费用低；出水点集中，便于集中排水；除作为疏放水孔外，还可探查顶板深部岩层的空间结构。

长距离定向钻进引流疏放技术的缺点［18-21］：钻机设备结构复杂，操作难度相对较大；钻孔在含水层中延伸，不利于疏放距离煤层近处的水，单个钻孔孔径较小，不利于快速疏放；当含水层厚度较小，岩层结构复杂时，不易控制钻进方向；孔内钻具摩擦阻力大，钻压传递效率低。

2 工作面概况及富水情况

疏放水目标工作面位于302首采盘区西侧，设计长度5933 m，宽度300 m，南北走向。工作面范围内煤层倾角1°～3°，大部分地段煤层倾角较缓，平均2°。3-1煤层顶板砂岩含水层厚度0～26.4 m，平均15.97 m，岩性以灰白色细粒砂岩或中粒砂岩为主，距3-1煤层顶板3.76～16.52 m；2-2中煤层顶板砂岩含水层厚度0～26.79 m，平均12.93 m，岩性以浅灰白色或灰绿色细粒砂岩为主，距3-1煤层顶板26.62～58.05 m；直罗组底部砂岩含水层厚度15.85～66.32 m，平均36.06 m，岩性以浅灰绿色中粒砂岩为主，距离3-1煤层顶板32.76～101.1 m。位于导水裂缝带发育范围以内的延安组（3-1煤层顶板含水层和2-2中煤层顶板含水层）和直罗组含水层是工作面直接充水含水层。

结合矿井沉积相特征及顶板综合物探分析，直罗组含水层富水远高于延安组含水层。此外，由30201和30202工作面的顶板疏放水钻孔疏放水情况表明，3-1煤层顶板延安组含水层疏放水量占总疏放水量的9.27%，而直罗组含水层疏放水量占总疏放水量的90.13%。因此，直罗组含水层是探放水工作的关键所在。

通过分析母杜柴登煤矿地质条件，并结合水文地质特征和钻孔抽水试验情况，重点考虑砂岩厚度、沉积环境影响指数、岩心采取率等因素，采用AHP层次分析法的加权模型［22-24］，建立影响因素专题图（图2），对直罗组含水层富水进行评价预测。通过GIS叠加分析计算出各单元富水性指数值，再根据富水指数大小将全区分为强富水区、较强富水区、中等富水区和弱富水区等4个区（图3）。母杜柴登煤矿疏放水目标工作面内直罗组北部区域含水层顶板中、粗粒砂岩厚度较大，层位稳定，富水相对较强；南部区域含水层顶板中、粗粒砂岩厚度相对较小，富水较弱。富水呈现自北向南逐渐减弱的特征。因此，工作面北部区域为疏放水重点区域。

图2 直罗组富水性影响因素专题图Fig.2 Thematic maps of influencing factors of water richness in Zhiluo formation

图3 直罗组沉积富水性分区图Fig.3 Sedimentary water-rich zoning map of Zhiluo formation

3 长-短钻孔联合布置

由工作面辅助运输巷和胶带运输巷剖面图（图4（b）和（c））可知，工作面顶板含水层岩性组合结构南北差异较大，工作面北部区域顶板含水层岩性为巨厚的中、粗粒砂岩，且岩层结构稳定。工作面中部和南部区域顶板含水层岩性结构复杂，砂质泥岩、泥岩等厚度较大，中、粗粒砂岩厚度较小，砂泥岩互层情况明显，含水层厚度不均匀。结合顶板主要含水层富水分区（图3）结果，工作面北部区域富水强，向南富水逐渐减弱。

图4 长短钻孔联合疏放水布置示意Fig.4 Layout schematic of combined drainage of long and short drills

根据目标工作面的富水区域分布情况和顶板岩层岩性结构特征，决定在工作面北部区域采用长距离定向钻孔，疏放顶板砂岩水；中部和南部富水相对较弱的区域，采用短距离回转钻进群孔疏放，同时增大疏水孔孔径，增加含水层裸孔段长度，以提升疏水效果。

3.1 定向长距离引流钻孔布置

由沉积地质条件分析可知，矿井砂岩含水层属于条带状河相沉积，沉积条带方向总体为西北—东南，疏放水目标工作面顶板砂岩含水层在平面和剖面上成条带状。因此，在疏放水目标工作面北部砂岩厚度大、富水强的区域施工定向长距离引流钻孔，共设计施工钻孔7个，分别为T1-1，T1-2，T2-1，T2-2，T3，T4-1和T4-2钻孔（图4（a），表1），孔径100 mm。

表1 定向长距离钻孔设计参数Tab.1 Design parameters of long-distance directional boreholes

此外，矿井顶板砂岩含水层厚度大、水压高、岩层坚硬，延安组顶部含水层与直罗组底部含水层复合为一个高承压巨厚含水层，针对这些特点，考虑在长钻孔内利用清水进行高压水压裂，在岩石层内进行再造裂隙，形成再生裂缝，扩大钻孔的疏放水半径，从而增加砂岩体的渗透性和联通性，使砂岩含水层水从弱径向流变为强径向流。

3.2 短距离回转钻进群孔布置

在工作面中部和南部富水相对较弱的区域布置短距离回转钻孔，进行群孔疏放。在工作面两侧巷道内布置49个钻场，共计197个钻孔（图4（a）），其中H1-1为取心孔（探明顶板岩性组合特征，为定向长距离钻孔顺层追踪提供准确层位）。钻孔倾角45°，深度155～175 m，终孔层位为直罗组下段顶界面向上5～10 m，距煤层顶板垂距100～130 m。

4 联合疏放水效果

施工过程中，优先施工定向长距离钻孔，并根据疏放水情况进行优化调整。长距离定向钻孔终孔水量为50～123.6 m3/h，钻孔的涌水量普遍较大（图5），起到了较好的疏放水效果。

图5 定向长距离钻孔顶板疏放水终孔水量Fig.5 Roof drainages of long-distance directional boreholes

短距离回转钻进群孔疏放水进行两个阶段的施工。第一阶段在工作面里段600 m内施工5个钻场，共16个钻孔，各探放水钻孔初见水量为0.8～35.0 m3/h，初见水位置在钻孔钻至13～65 m，终孔水量为3.0～65.0 m3/h，终孔压力为0.6～2.6 MPa（图6）。经过3个月疏放，累计疏放水总量约139872 m3。钻孔疏放水总量降至67.9 m3/h，与终孔时的出水总量468.2 m3/h相比，衰减率约85%，且水量趋于稳定。

图6 疏放水第一阶段顶板探放水出水量Fig.6 Roof exploration and discharge in the first stage of drainage

第二阶段完成21个钻场共计70个顶板疏放水钻孔的施工。其中胶带运输巷一侧36个，辅助运输巷一侧30个，开切巷附近4个。终孔水量为3.0～76.3 m3/h，钻孔终孔水压为0.3～2.6 MPa（图7）。

图7 疏放水第二阶段顶板探放水终孔水量和水压Fig.7 Roof exploration and discharge in the second stage of drainage

疏放结果表明，目标工作面顶板含水层富水较强，通过对顶板砂岩含水层进行联合疏放，有效降低了工作面顶板含水层的水压和水量，为工作面的安全回采提供了基础保障。

5 结论

（1）在矿井前期疏放水观测结果的基础上，结合沉积地质条件分析成果，对工作面顶板重点含水层进行了富水区域划分，结合长距离定向钻和短距离回转钻各自的适用条件，确定采用长距离定向钻进和短距离回转钻进联合的方式进行顶板砂岩水靶向疏放。

（2）根据顶板砂岩含水层空间富水和岩性组合的不同，在含水层厚度大、富水强的区域，采用定向长距离引流技术疏放顶板水，在富水相对较弱、含水层厚度相对较小的区域，采用短距离回转钻进群孔疏放。联合疏放有效疏放了顶板砂岩含水层的“静储量”，起到了靶向疏放的作用。实践结果说明采用联合疏放是可行的，是一种适合本区地质条件的疏放水方法。