淮南煤田1煤开采底板灰岩水害地面超前区域探查治理方案研究.pdf

煤炭与化工 Co al and Chemical Industry 第43卷第7期 2020年7月 Vo l.43 No .7 JuL 2020 地测与水害防治 淮南煤田1煤开采底板灰岩水害地面超前区域探查治理方案研究 许超 （中国煤炭地质总局第一水文地质队，河北邯郸056004） 摘要淮南煤田位于华北板块南缘，作为典型的华北型煤田，淮南矿区各矿深部1煤层属 “高水压薄阻水层”的灰岩岩溶承压水上开采，遭受高压灰岩岩溶承压水威胁的同时，又因其 特殊的地理构造位置，各种垂向隐伏构造加剧了这种威胁，造成事故的发生。根据煤矿防 治水细则的相关要求，结合淮南煤田的地质、水文地质条件及其特殊性，本文通过工程实 际，重点从设计、多分支水平井钻探施工、判层、探查、治理、验证、评价等工艺及关键工 序环节进行分析研究，旨在制定研究区1煤开采底板灰岩水害地面超前区域探查治理方案， 并提出合理的建议。 关键词淮南煤田；华北型煤田；隐伏构造；多分支水平井；区域探查治理 中图分类号TD745 文献标识码A 文章编号2095-5979（ 2020）07-0033-05 Study on exploring and advanced treating the ground area water damage by limestone on the bottom plate of No. 1 coal seam mining in Huainan coalfield Xu Chao The First Hydrogeologic cd Team, General Administ rat ion of Coal Geology of China Handan 056004, China Abstract The Huainan co alfield is lo cated at the so uthern edge o f the No rth China, and as a typical No rth China co alfield, the deep co al seam in Huainan is mined o ver the limesto ne karst bearing water o f “high water pressure thin water blo cking layerM, which is threatened by high-pressure limesto ne karst bearing water, and at the same time, due to its special geo graphic structural lo catio n, vario us kinds o f perpendicular hidden structures exacerbate this threat. This paper fo cuses o n the design and co nstructio n o f multi-branch ho rizo ntal wells thro ugh the engineering practice. Acco rding to the relevant requirements o f the Rules o f Co al Mine Water Co ntro l, and taking into acco unt the geo lo gical and hydro lo gical geo lo gical co nditio ns and their peculiarities in the Huainan Co alfield, key pro cess links such as design, multi-branch ho rizo ntal well drilling co nstructio n, seismic uatio n, explo ratio n, treatment, verilicatio n and uatio n, with the aim o f fo rmulating a plan fo r the explo ratio n and advanced treatment o f limesto ne water damage in the area, with reaso nable suggestio ns are made. Key wo rds Huainan co alfield; No rth China co alfield; hidden structure; multi-branch ho rizo ntal wells; regio nal explo ratio n and management 淮南煤田位于华北板块东南缘叫作为典型的 华北型煤田，淮南矿区各矿深部］煤层属”高水压 薄阻水层”的灰岩岩溶承压水上开采，遭受高压灰 岩岩溶承压水威胁的同时，又因其特殊的地理构造 位置，各种垂向隐伏构造加剧了这种威胁，造成事 故的发生K。按照煤矿防治水细则（煤安监 调査〔2018〕14号）问相关规定，煤炭企业和煤矿 应当根据不同水文地质条件，采取探、防、堵、 疏、排、截、监等综合防治措施，落实防治水主体 责任，推进防治水工作由过程治理向源头预防、局 0引 责任编辑高小青 DOI 10.19286/ki.cci.2020.07.009 作者简介许超（1984-）,男，山东宁阳人，高级工程师。 引用格式许 超淮南煤田1煤开采底板灰岩水害地面超前区域探查治理方案研究［J］.煤炭与化工，2020 , 43（7） 33-37. 33 2020年第7期煤炭与化工第43卷 部治理向区域治理、井下治理向井上下结合治理、 措施防范向工程治理、治水为主向治保结合的转 变，做到”综合探査，分源防治，定量评价，达标 开采”。开采受底板灰岩承压水威胁的煤层时，必 须坚持奥陶系灰岩水与太原组灰岩水防治并重、区 域超前探査治理的原则，重点探査治理垂向导水构 造。结合目前行业内“多分支水平井注浆”探査 防治高压岩溶水冋的理念，结合实施的各项工程分 析研究，并优化淮南煤矿区］煤开采底板灰岩水害 地面超前区域探査治理方案，可为煤炭企业的防治 水工作提供指导，为其安全高效开采提供保障。 1淮南煤田地质条件 1.1地层 淮南煤田位于黄淮平原南部，地表基本为第四 系所覆盖，仅在煤田南北两翼边缘的低山丘陵局部 区域，出露有前震旦系变质岩、震旦、寒武、奥陶 系等老地层。 1.2构造 淮南煤田总体呈现复向斜形态，轴向近东西， 东西延展长达180 km,南北宽15 25 km,面积 约3 600 km2o复向斜两翼为低山残丘，出露老地 层。轴部平坦开阔，以石炭二叠系为主，为新生界 松散层所覆盖，地层总体平缓，一般为5。 20 ,由一系列宽缓的褶曲所组成，潘集背斜、陈 桥背斜、谢桥古沟向斜等为其主要构造单元。寸匕北 东向区域性断层是一组向西倾斜的阶梯式构造。 1.3含煤地层 区域含煤地层主要为，石炭系上统太原组、二 叠系下统山西组与下石盒子组及上统上石盒子组。 其中，太原组地层含煤性差。二叠系山西组、上、 下石盒子组含煤地层总厚度约720 m,发育煤层30 32层，煤层平均总厚度32.86 36.09 m,含煤系 数 4.56 5.01。 1煤为全区域最深部可采煤层，厚度5.80- 7.08 m,下距C31组灰岩顶板间距14.6 25.35 m, 平均间距19.1 m,下距奥陶系灰岩顶部105 134.88 m,平均间距 125.41 m。 2淮南煤田水文地质条件 2.1含水层（组） 研究区除南部逆冲推覆体阳q影响区存在推覆 体下元古界片麻岩裂隙承压含水组、推覆体寒武系 灰岩岩溶裂隙承压含水组、推覆体夹片裂隙岩溶含 水带等外，正常地段含水层（组）由上而下为新生 界松散层孔隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层和太 原组灰岩岩溶裂隙含水层组、奥陶系灰岩岩溶裂隙 含水层组。本文重点针对1煤底板含水层开展研 究，并将相关含水层情况简要分述如下。 （1） 太原组灰岩岩溶裂隙含水层组。 研究区内太原组灰岩岩溶裂隙含水层直接赋存 于二叠系底部1煤下，太原组地层总厚约102 148 m,含薄层灰岩12 13层，灰岩总厚约39.1 m,假整合于奥陶系之上。根据钻孔资料揭露情 况，自上而下划分为C3I、C3n, C3III三个含水层 （组），富水性不均一，其中C3I组灰岩是矿井1 煤开采底板宜接充水含水层。 总体上太原组灰岩富水性弱一中等，具有不 均一性特点，主要为岩溶发育程度所致，在断层带 附近、岩溶陷落影响带、厚层灰岩发育处等部位富 水性相对较强。 （2） 奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。 研究区内奥陶系灰岩厚度＞ 150 m,钻探揭露 厚度为33.9 135.6 m,平均65 m,为灰色厚层一 巨厚层灰岩夹白云岩、角砾状灰岩，顶部夹灰绿色 铝质泥岩块体，裂隙多为钙质薄膜或方解石脉所充 填。奥陶系灰岩岩溶裂隙在中下部较发育，因裂隙 发育的不均一性，各处富水性相差较大。奥陶系灰 岩水位标高-62.057.40 m,单位涌水量 90.000 701 4.355 L/（S・M）,为弱一强富水性。 2.2隔水层（组） （1） 二叠系泥岩隔水层。 1煤底板至太原组1灰之间平均相距18 mo主 要由泥岩、粉砂岩组成，局部夹细砂岩。研究区 134的孔穿过飓段，均未见漏水，可视为1煤层 底板隔水层，对石炭系灰岩含水层组起隔水作用。 （2） 二叠系太原组灰岩组层间泥岩隔水层。 二叠系太原组发育灰岩12 13层，灰岩组层 间主要发育泥岩和砂岩，局部夹多层薄煤层，可视 为1煤层底板隔水层。 2.3充水因素及威胁程度 （1） 太原组灰岩岩溶裂隙水。 各矿井开采1煤层后，其底部岩石将会在地应 力作用下超过自身强度极限而破裂，造成底鼓，以 及底板导水构造的存在等均会造成C3 I组（CJ C）灰岩岩溶裂隙水涌入矿井，因此，C3I组灰岩 水是1煤层开采的直接充水水源，尤其在构造密集 区或岩溶发育区，矿井涌水量将会大大增加。 （2） 奥陶系灰岩岩溶裂隙水。 研究区内，1煤开采均属高压奥灰水带压开 34 许超淮南煤田］煤开采底板灰岩水害地面超前区域探查治理方案研究 2020年第7期 采，大部分地区突水系数小于0.06 MP a/mo奥陶系 灰岩岩溶裂隙含水层与1煤层间的太原组内C31、 c3n, Csin组灰岩之间发育有泥岩、砂质泥岩等隔 水地层，一般不会对1煤开采构成直接充水影响。 但奥陶系灰岩岩溶裂隙在中下部较发育，因裂隙 发育的不均一性，各处富水性相差较大。在岩溶 发育或断层较发育地段，尤其陷落柱发育区段下 部奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层与太原组灰岩岩溶 裂隙含水层组之间存在一定的水力联系，从而造 成上部煤层开采时奥陶系灰岩岩溶裂隙水突入矿 井形成淹井事故。例如淮南矿业潘二煤矿“5.25” 陷落柱突水事故，最大突水量14 520m* 1 2 3/h,造成 矿井被淹。因此，研究区内1煤开采重点应防范 奥陶系灰岩岩溶裂隙水通过隐伏构造、陷落柱等 突入井下。 注水垂比一雌制在2.0以内，设备配套顶驱后，施工能力可提升 3.5施工工艺及关键工序 3.5.1 施工顺序 每个主孔施工数个顺层水平分支孔，根据目前 施工工程，顺层水平分支孔宜控制在15个分支以 内。主要工作内容为直井段钻进、下管护壁，定 向造斜井段钻进、下管护壁，水平段钻进，注浆 封孔。 3.5.2 井身结构设计及施工流程 （1） 直井段一开口径346 mm牙轮或刮刀 钻头开孔钻至预定位置后，下入0273 mm x 8.89 mm石油套管，并采用P -042.5水泥石油固井，水 泥浆返出孔口，候凝72h。 （2） 定向造斜井段二开口径244.5 mm钻头 加螺杆钻具配合MWD无线随钻测斜系统定向造斜 钻进至目的层，达到设计井斜、方位角后下入 193.7 mm X 8.33 mm 石油套管，并采用 P 042.5 水泥石油固井，候凝72h,并检查固井质量。 （3） 水平井段三开孔径152.4mm,裸孔， 全部在目的层钻进，直至终孔位置。 该钻孔结构是在淮南地区进行了 11个钻孔实 钻后优化的，提高钻效的同时，大大提升了事故的 处理能力，在后续钻孔设计与施工中，得到了良好 的验证。优化后钻孔结构如图］所示。 3 1煤开采底板灰岩水害地面超前区域探 查治理工程设计及优化 结合目前行业内“多分支水平井注浆”探查 防治高压底板岩溶水的理念，分析研究，从布孔原 则、目的层选择、水平分支孔间距选择、施工设备 选择、施工技术方案等方面，综合制定并优化淮南 煤矿区］煤开采底板灰岩水害地面超前区域探査治 理方案。 3.1布孔原则 （1） 在充分考虑地形的情况下，尽量将相近 主孔布置在同一井场，以减少井场数量。 （2） 近水平孔在目的层轨迹布满整个探查治 理范围，不得出现盲区。 （3） 探査治理范围内陷落柱影响区，需采用 “上下双层”治理模式，水平孔间距不大于40 m。 （4） 水平分支孔大角度穿过构造，且尽量不 布置大于5。的上行分支孔。 （5 ）主孔进尺原则上不大于］800 m、水垂比 不大于2.0,我单位在该区最长分支孔水垂比已达 到 2.26O 3.2目的层选择 根据目前底板奥陶系灰岩水位，以满足突水临 界值0.1 MP a/m反算安全隔水层厚度，经计算安全 隔水层厚度为50 78 mo根据各矿井钻探及井下 采掘揭露情况，CJ、C3\ C3I2灰岩全区稳定发育, 富水性弱，既可以保证较高的钻孔穿层率和成孔 率，又具备一定的浆液可注性，因此，目的层选择 C3 C3\ CJ2灰岩，可满足探査隐伏构造，注浆 治理预防奥陶系灰岩水的目的。 3.3水平分支孔间距选择 根据各矿井工作面底板注浆扩散半径试验实测 数据，底板灰岩注浆扩散半径为35 - 55 m,结合 淮南煤田已开展工程的区域探查治理项目实测数 据，正常地段水平孔间距选择W60m较合理，构 造异常区水平孔间距降至3040m为宜。 3.4施工设备选择 根据井身结构设计，参照直井段造斜段 水平段总进尺量合理选择主要施工设备，见表1。 配套能力不低于F-1300的泥浆泵，注浆设备多采 用NBB390、NB-350型，定向设备采用MWD无线 随钻测井系统。 表1水平井施工设备选型 Table 1 Selectio n o f ho rizo ntal well co nstructio n equipment 直井段造斜段水平段进尺/m 适用设备 W1 300GZ2600. ZJ20 钻机 W2 300ZJ30钻机 W3 3OOZJ40钻机 W4 500ZJ50钻机 35 2020年第7期煤炭与化工第43卷 顺层钻进 开孔346 套管0273 x Q为压入流量，L/min; P P 为作用于试压段内的全压力，MP a;厶为试压段长 度，m。 注浆采取“完成一孔，注浆一孔，随漏随注” 的原则施工，在钻进过程中每100 m开展一次压水 试验，试验结束后立即确定注浆材料配比，进行注 浆工作。 （6） 注浆过程。 常压注浆阶段在注浆开始阶段，裂隙中只有 太原组灰岩水（简称太灰水），当注入注浆浆液 后，由于浆液密度大于裂隙中的太灰水密度，浆液 利用自重即可进入裂隙中，起到浆液替代太灰水的 作用。 加压注浆阶段此阶段注浆压力一般在23 MP a,注浆是在静水，孔口逐渐升压的状态下进 行，其目的是封堵小裂隙通道，在压力的作用下， 使浆液横向、纵向上进一步扩散，增加钻孔注浆的 控制范围，使原先孤立的水泥结实连成整体。 高压注浆阶段后期高压注浆是为了巩固前期 注浆效果，由于奥灰水水头压力高，水头压力一般 在68 MP a,加压注浆水泥凝固抗压能力 水头 压力，所以在加压注浆阶段后期要注浆调整水泥注 入量，并加大注浆压力，根据要求，高压注浆阶段 注浆孔底压力是奥灰水静水压力1.5倍，当压力稳 定后停止注浆，进行扫孔。 （7） 注浆结束标准。 注浆终压孔口注浆压力不小于奥灰静水压力 的1.5倍。 注浆量标准当注浆达到设计压力结束标准 后，需逐级换档降低注浆泵的泵量，直至泵量维持 在35 L/min以下，并维持30 mino 4结论 淮南煤田位于华北板块南缘，因其特殊的地理 构造位置，各矿深部1煤层属高承压灰岩岩溶水上 开采，遭受高压灰岩岩溶承压水威胁的同时，又因 各种垂向隐伏构造加剧了这种威胁，乃至造成潘二 煤矿“5.25”陷落柱突水等事故的发生。 本文重点结合“多分支水平井注浆”探査防 治高压岩溶水的理念，以在研究区实施的各项工程所 获取的参数为依据分析研究，优化了鮭治理方案。 （1）针对陷落柱的探查与治理，采用“上下 双层”治理模式，水平孔间距不大于40 m。 （2 ）单一主孔水平分支数目不宜超过15个， 目前区内在建项目最多分支数已达26个，对工期 造成了影响。 （3） 研究区以往认定水平分支孔水垂比不大 于1.5,经过我单位的实钻，将该参数提升到了 2.26,但是此处建议水垂比不宜大于2.0。 （4） 对一开、二开井身结构及套管结构进行 了优化，提升了钻效及处理事故的能力。 （5） 进一步规范了本区注浆的相关参数。 本文研究内容对研究区煤炭企业防治水工程的开展 及防治水人员参与设计、监督施工等具有一定的指 导意义，对深部煤炭资源的安全开采具有重要的实 际意义。 参考文献 [1] 姜松，朱文伟，苏永荣，等.安徽省两淮地区煤炭资源地 质条件分区、分等初步研究[J].中国煤炭地质，2009 , 21 （12） 64 - 67. 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