邢东矿深部开采区域探查治理技术应用.pdf

经 验 交 流 邢东矿深部开采区域探查治理技术应用 毕玉明 （冀中能源股份有限公司，河北 邢台054000） 摘要基于邢东矿进入深部区域开采以来先后发生 3 次奥灰出水，深部奥灰出水危险性较 浅部明显增加的情况，提出了以“地面定向近水平顺层分支钻孔群”技术为核心的探查和治 理方案。方案以垂向导水构造的探查与防治为重点，对构造发育区段、地层破碎区段及富水 异常区进行探查和注浆加固。实践表明，该治理工程切断了奥灰水补给通道，保证了探查治 理区域生产安全。 关键词深部开采；区域探查；治理 中图分类号TD822.1文献标识码 B文章编号2095- 5979 （2017） 10- 0092- 03 Application of deep mining area exploration and control technology in Xingdong Mine Bi Yuming Jizhong Energy Corporation Ltd, Xingtai 054000, China Abstract Based on three times ofOrdovician limestone water in deep miningarea ofXingdongMine, Ordovician limestone water threatened deep more than shallow, directional close horizontal branch drilling group technology was proposed. Based on exploration and control of water structure of vertical guide, tectonic zone, fracture zone and water- rich abnormal area were explored and grouting. The technologycuts offthe supplyofOrdovician limestone water and ensures the safe mining. Key words deep mining; area exploration; control 随着我国煤矿开采深度的进一步增加，在高承 压水的作用下，深部开采水文地质条件愈加复杂。 冀中能源股份有限公司邢东矿 - 980 水平以深区域 开采标高在 - 980 - 1 200 m 水平，区内 2 号煤下 距奥灰裂隙岩溶强含水层 175～180 m，承受奥灰 水压最高达 12.52 MPa。矿井进入该区开采后，先 后发生了 3 次奥灰出水，深部奥灰出水危险性较浅 部明显增加。鉴于此，邢东矿与有关科研院所共同 商谈研究后，提出了邢东矿 - 980 水平以深区域探 查治理方案，设计采用“地面定向近水平顺层分支 钻孔群”技术[1]，以区内垂向导水构造的探查和治 理为重点，兼顾奥灰含水层顶部的注浆改造和出水 点的注浆治理。该工程自 2016 年 1 月份实施以来， 通过一年多的不断优化和持续改进，达到了预期的 效果。 1概况 邢东矿 - 980 水平做为矿井深部开采水平，分为 一采区和二采区，自开采以来，区内已发生 3 次出 水。2011 年 4 月 13 日位于一采区的 2127 工作面 在推采过程中发生底板出水，峰值水量达到 210 m3 / h，工作面带水推采了 169 m 后停采。2014 年 5 月 19 日，在 - 980 轨道巷施工底板超前钻的过程 中，探查钻孔发生出水，峰值水量达到 150 m3/ h， 水压高达 10.2 MPa，后期通过井上下工程对其进行 了注浆封堵。2015 年 3 月 1 日，位于二采区的 2222 工作面在推采过程中发生底板出水，峰值水 量达到 168 m3/ h，通过缩短工作面长度和在深部 施工泄水巷对出水进行疏放，工作面安全推采至停 采线。 责任编辑任伟DOI10.19286/ki.cci.2017.10.026 作者简介毕玉明 （1978），男，河北邢台人，助理工程师。 引用格式毕玉明. 邢东矿深部开采区域探查治理技术应用[J ]. 煤炭与化工，2017，40 （10）92 - 94. Coal and Chemical Industry 煤 炭 与 化 工 Vol.40 No.10 Oct. 2017 Coal and Chemical Industry 第 40 卷 第 10 期 2017 年 10 月 92 2017 年第 10 期 为保证该区域的采掘安全，避免前述突水事故 的发生，设计实施 - 980 水平以深区域探查治理工 程，工程共设计地面孔一个，水平分支孔 22 个， 钻探工程量 16 468 m，预计注浆 31 000 t。 2探查治理工程设计 2.1钻孔结构及钻具组合 主孔采用三开两层套管结构，一开斜直孔段至 基岩层段 10 m，孔径φ311 mm，下入φ244.5 mm8.94 mm 孔口管。二开斜直孔 造斜段至奥 陶系灰岩顶部，孔径φ216 mm，下入φ177.8 mm8.05 mm套管。三开裸孔注浆段，孔径φ152 mm，沿奥灰八段下部顺层钻进。 钻具组合，一开至基岩面，采用φ346 mPDC钻头 φ203 mm钻铤 2 柱 φ165 mm钻铤 6 柱 φ114 mm 钻杆柱 133133 四方立轴；二开 进入奥陶系灰岩，采用φ245 mmPDC 钻头 φ185 mm 螺杆钻具 φ165 mm 无磁钻铤 φ165 mm 钻 铤 5 柱 φ114 mm 钻杆柱 133133 四方立轴； 三开顺层水平分支孔段，采用φ165 mmPDC 钻头 φ120 mm 螺杆钻具 φ121 mm 无磁钻铤 φ102 mm钻杆柱 φ102 mm加重钻杆若干柱 φ114 mm 钻杆柱 108 mm108 mm 四方立轴配合 MWD 无 线随钻测斜系统和伽马测井，实现水平钻孔的连续 定向钻进。 2.2近水平顺层分支孔钻井液的配比 近水平顺层段钻进钻井液配制既要防止垮塌， 提升岩屑上返能力，达到安全钻进的目的，又要防 止阻塞裂隙影响后续注浆效果。采用纯碱、高粘度 纤维素、PAC- 141 或水解聚丙烯酰胺 HPH、增粘 剂、润滑剂等材料配置无固相化学泥浆。其参数如 下密度 1.02～1.05 g / cm3，漏斗粘度 20～30 s， 失水量＜8 mL / 30 min，泥皮厚 1 mm，含砂量＜ 0.4％，pH 值 8～9。钻进过程中配合连续泥浆罐、 搅拌器、振动筛、除泥器等设备，对含沙量、泥饼 等性能进行控制，并添加润滑剂、抑制剂等，使钻 井液始终保持良好的润滑性、抑制性和携砂性。 2.3近水平顺层分支钻孔孔间距的计算 灰岩中裂隙往往呈“格架状”分布，在“格 架”中运移的浆液，受到下部承压水的作用，可以 采用已有的经验、公式等，进行设计。 柱表面上的切应力与圆柱截面积上压力的条件 平衡式为 式中μg为浆液动力粘滞系数；μ 为地下水动力粘 滞系数。 在考虑地下水沿程阻力的情况下，渗透灌浆时 有效注浆压力计算公式为 式中第一项为浆液及水的粘滞阻力造成的阻力损 失项；第二项为克服宾汉姆流体启动压力造成的阻 力损失项，计算可得钻孔注浆压力为 33.25 MPa。 本区域奥灰的平均渗透系数为 3.8 m/ d，即为 3.8104m/ s，粘度取 6 Pa.s，取值 10～3 MPa / m。 带入公式可得水泥浆液在奥灰中的扩散半径为 38.7 m，据此，顺层分支孔间距设计为 70 m。 2.4探查治理层位的选取 从收集到的近年来施工的地质及水文地质补勘 资料，可以发现各孔在进入奥灰时泥浆消耗量均小 于 0.74 m3/ h，即使在奥陶系灰岩顶面下 60 m以浅 孔段，泥浆消耗量也小于 2.5 m3/ h，只有在超过进 入奥陶系灰岩 80 m 左右时，泥浆消耗量才逐渐增 大，直至全泵量消耗，这也与岩芯观测在奥陶 系灰岩灰峰峰组八段下部多见小溶孔，上部岩溶极 不发育相符合，因此选取奥灰顶面下 70～90 m 做 为本次探查治理的目标层段。勘探钻孔进入奥灰地 层钻孔冲洗液消耗对比如图 1 所示。 2.5单孔注浆结束标准 注浆压力的大小直接影响浆液的扩散距离与有 效的充填范围，既不可将压力定得过低，造成漏 注，也不可将压力定得太高，致使浆液扩散太远。 注浆总压是由孔内浆柱自重压力和注浆泵所产生的 压力两部分组成。计算式如下 式中P0为注浆总压力，MPa；Pm为孔口压力， MPa；H 为孔口至受注层段 1 / 2 处的高度，m；R 为浆液比重，g / cm3；h 为注浆前注浆段 1 / 2 处的 水柱高度，m。 注浆总压应为受注含水层最大静水压力的 1.2 倍。本区奥灰含水层水位标高取值 66.84 m，注浆 层段标高 - 1 300 - 1 400 m，据此计算，注浆孔 口压力 （Pm） 约为 10 MPa，即当孔口压力达到 10 MPa 时，该受注层段注浆达到结束标准。 τ2πrl Pπr2 （1） τ （μg μ） dν dr τ0（2） ν KP （β 2） l 1 - 4 3 （ δ P / l ） （3） △PPc -P1 （β 2 2 姨） r12n Kt ln （r1 rc） 4 3 δ （r1- rc） （4） P0 Pm H r - h 100 （5） 毕玉明邢东矿深部开采区域探查治理技术应用 93 煤炭与化工 2017 年第 10 期第 40 卷煤炭与化工第 40 卷 3探查治理工程效果 通过工程实施，已安全回采出 - 980 水平 2125 工作面和 2224 工作面，采出煤量 80 万 t，回采期 间工作面未发生突水事故。2017 年 1 月在 2126 工 作面掘进期间，通过及时和认真分析顺层分支孔岩 屑录井和伽玛测井资料，在奥灰地层中准确圈出一 发育至 2 号煤层的大型陷落柱，在采取探查和注浆 治理、预留煤柱等措施后，不但为采掘接替赢得了 时间，还成功避免了一次因无计划揭露陷落柱可能 造成的透水事故的发生。同时，在探查治理工程覆 盖 2222 和 2127 工作面突水区域后，有效降低了深 部两出水点水量，注浆效果十分显著。注浆量与涌 水量关系示意如图 2 所示。 4结语 煤矿水害是影响矿井安全生产的自然灾害之 一，尤其是太行山以东地区深部开采矿井逐年增 加，采掘过程中的突水概率较浅部开采显著增多。 在超高地应力、超高承压水条件下，防治水工程井 下施工难度大、风险高。在此原因下，提出深部开 采地面区域探查治理方案，将井下的防治水工程转 移到地面，采用定向顺层钻孔对开采煤层底部含水 层进行探查和注浆治理，可有效防范矿井水害事故 的发生，也可规避传统防治水工程施工过程中的潜 在风险。 参考文献 [1 ]赵庆彪，高春芳，王铁记. 区域超前治理防治水技术[ J ]. 煤 矿开采，2015 （2）80 - 95. [2 ]武强，赵苏启，董书宁，等. 煤矿防治水手册[M]. 北京 煤炭工业出版社，2013. [3 ]赵庆彪，赵昕楠，武强. 华北型煤田深部开采底板“分时 段分带突破”突水机理[ J ]. 煤矿学报，2015 （7）1 601 - 1 607. [4 ]申建军，刘伟韬，孙延双，等. 深部开采巷道滞后突水防治 技术[ J ]. 辽宁工程技术大学学报 （自然科学版），2013 （8）1 009 - 1 014. [ 5 ]孙晓明，何满潮. 深部开采软岩巷道耦合支护数值模拟研 究[J ]. 中国矿业大学学报，2005 （2）37 - 40. 图 2注浆量与涌水量关系示意 Fig. 2 Relationship between groutingand water inflow 250 200 150 100 50 0 涌水量 / （ m3h-1） 2/20 2/27 3/5 3/12 3/19 3/26 4/2 4/9 4/16 4/23 4/30 5/7 5/14 5/21 5/28 6/4 6/11 6/18 6/25 7/2 7/9 7/16 7/23 7/30 8/6 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 注浆量 / t 图 1勘探钻孔进入奥灰地层钻孔冲洗液消耗对比 Fig. 1 Washingliquid consumption contrast ofdrillingintothe Ordovician limestone 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 进入奥灰深度 / m 泥浆消耗量 / m3h 0402200612006210011002090209030904水 3水 4水 9 1.21.21.21.21.21.21.21.21.21.21.21.21.21.2 以下 全漏失 1.2 单位涌水量 0.058L/s m 渗透系数 0.091m/d 单位涌水量0.011L/s m 渗透系数0.079m/d 单位涌水量0.389L/s m 渗透系数0.3128m/d 单位涌水量0.07L/s m 渗透系数0.0149m/d 94