陈四楼煤矿底板注浆改造钻孔偏斜及防治技术研究_马广兴.pdf

第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0370前言陈四楼煤矿是永煤集团于1997年投产的矿井，处于隐伏永城复式背斜的西翼，水文地质条件相对比较复杂，主要受底板太原组灰岩高承压水害影响，特别是南翼部分工作面在回采过程中发生过不同程度的突水，说明矿井目前的水害治理技术存在问题，需要查找技术路线的不足之处。随着矿井开采深度的不断延伸，底板太原组灰岩高承压含水层的水压不断增高，水文地质条件更加复杂，采掘工作面底板受太原组灰岩水的威胁更加严重。1井田概况工作面直接充水水源是煤层顶、底板砂岩裂隙水，主要是静储量为主，一般在巷道掘进期间已对其进行了疏放，工作面回采期间多以顶板淋水和底板裂隙渗水的形式为主，对回采影响较小。太原组上段灰岩含水层是工作面间接充水水源，为矿井主要的水害影响。根据地面勘探钻孔及井下钻探实际揭露岩性资料分析，太原组上段主要为L11灰岩到L8灰岩含水层，距二2煤间距及平均厚度，如表1所示。表1陈四楼煤矿太原组上段灰岩含水层情况表井田范围内水压基本在1.57.0 MPa，隔水层平均厚度50 m，突水系数达到了0.030.14 MPa/m，虽然岩溶、裂隙发育不均一，基本为富水性中等的陈四楼煤矿底板注浆改造钻孔偏斜及防治技术研究*马广兴，段李宏，高俊（永城永安矿山安全技术工程有限公司，河南 永城476600）摘要：为了提高矿井水害防治技术，在总结陈四楼煤矿多年底板注浆技术的基础上，通过对地面勘探钻孔、井下底板注浆改造钻孔进行偏斜规律统计分析，结果表明，注浆孔垂向倾角和终孔点垂深误差最大，注浆孔揭露灰岩层位多数延伸至L6L7灰岩含水层，“过度”注浆影响了降底整体注浆效果，增加了水害治理成本。为了有效控制陈四楼煤矿底板注浆恶化形势，提出了L11L10灰岩含水层底板为“主要改造层”的层位控制及控制底板注浆孔孔斜的措施，为矿井下一步水害防治技术提供了依据，指导矿井安全生产。关键词：水害防治；底板注浆；钻孔偏斜；层位控制中图分类号：TD745文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 158 05Study on Borehole Deflection and Prevention Technology of GroutingTransformation of Floor in Chensilou Coal MineMA Guangxing，DUAN Lihong，GAO Jun（Yongcheng Yongan Mine Safety Technology Engineering Co.,Ltd.,Yongcheng 476600,China)Abstract:In order to improve the mine water disaster prevention and control technology,through thesummary of floor grouting technology in Chensilou coal mine for many years,and through the analysisof the deviation law of surface exploration drilling and underground floor grouting transformationdrilling,the results show that the vertical inclination of grouting hole and the vertical depth of finalhole point have the largest error,and most of the limestone layers exposed by grouting hole extend toL6-L7limestone aquifer,excessive grouting affects the overall grouting effect of bottom lowering andincreases the cost of water disaster control.In order to effectively control the deterioration of floorgrouting in Chensilou coal mine,the horizon control of L11to L10limestone aquifer floor as the maintransformation layer and the measures to control the inclination of floor grouting holes are put forward,which provides a basis for the next water disaster prevention technology of the mine and guides the safeproduction of the mine.Key words:water disaster prevention and control；grouting transformation of floor；borehole deflection；horizon control*国家自然科学基金资助项目（U1710253）含水层编号L11灰岩含水层L10灰岩含水层L9灰岩含水层L8灰岩含水层上距二2煤层间距/m50657785平均厚度/m1.155.02.912.0158含水层，但受断层、褶曲等构造影响、突水系数超过0.10 MPa/m的区域，可能造成局部区域太原组上段灰岩含水层富水性强，煤层底板裂隙发育，容易发生突水事故。2矿井水害防治技术现状陈四楼煤矿从2002年开始进行底板注浆技术应用，施工了底板注浆改造钻孔进尺达到了105.66万m，钻孔注浆总量达到了46.56万t。目前，随着回采工作面的开采深度增加，大大增加了南翼五采区、九采区、十五采区等工作面防治水难度，导致部分工作面的水害治理效果不佳。另一方面，水害治理成本大大增加。例如，北翼十采区的21406工作面注浆成本达到了300万元，水害治理成本增加约7元/t；又以陈四楼煤矿南翼五采区的2517工作面为例，水害治理成本达到了2 275万元，仅底板注浆就使吨煤成本增加38.6元。陈四楼煤矿底板注浆技术面临注浆技术难度增大、注浆工程量增大、注浆成本成倍增加、注浆效果不佳等困难。陈四楼煤矿底板注浆工作已开展了将近20 a，但“底板注浆钻孔偏斜情况”、“钻孔偏斜对水害治理及注浆的影响”一直是有疑虑而未揭示的问题。为此，矿井利用YHQX（C）全方位钻孔测斜仪对21701工作面的P1-17取芯孔进行了孔斜测试。P1-17孔测斜剖面图和立体图如图1、图2所示。图1P1-17取芯孔孔斜校正剖面对比图（单位：m）平距/m图2P1-17取芯孔测斜立体图结果显示：（1）开孔倾角-36，测斜结果显示最大倾角达-53.3，倾角最大绝对误差17.3，最大相对误差48.1%，钻孔倾角误差大；（2）钻孔设计终孔点垂深68.8 m，实际终孔点垂深90.4 m，垂深绝对误差“浅”21.6 m，相对误差23.9%，垂深误差较大，需要进一步揭露孔斜规律。3钻孔偏斜规律分析3.1地面勘探钻孔偏斜规律依据陈四楼煤矿精查报告，精查阶段6304、6401、6504等地面垂直钻孔也发生孔斜，如表2所示，垂直孔最大倾角可达2030，最大水平摆动范围近315。通过统计陈四楼煤矿精查时期地面勘探钻孔的孔斜数据，揭示了地面勘探钻孔偏斜现象的客观性和规律性。例如，6304孔倾角和方位角的误差主要发生在太原组段。结果证明，底板注浆改造的P1-17孔偏斜不是偶然现象，太原组坚硬灰岩与较软且具膨胀性的泥岩互层是使井下注浆孔和地面勘探孔发生明显孔斜的重要原因。表2陈四楼煤矿精查孔孔斜统计表3.2井下底板注浆孔偏斜规律矿井在南翼十七采区、北翼十采区选取了10个底板注浆孔分别进行孔斜测试，以此来分析、统计井下底板注浆孔的偏斜规律，如表3所示，共计11个孔从方位角、钻孔倾角、终孔点垂深等方面分析孔斜规律。表3陈四楼煤矿井下底板注浆孔孔斜统计表3.2.1钻孔倾角误差规律由表3可以看出，底板注浆孔在倾角方面的误差规律是“角度明显增大”和“垂直深度明显增大”，平均倾角相对误差达104.2%，平均倾角绝对误差也达到25.4；S补7孔倾角最大相对误差达到248.1%，最大倾角绝对误差39.7。井下注浆孔倾角随孔深变化曲线有“陡-缓”、“陡-降”和“平-陡”3种类型：（1）“陡-缓”型以P1-17为代表，如图3所示，占11个测斜孔的7/11，占比第42卷第02期Vol.42 No.02陈四楼煤矿底板注浆改造钻孔偏斜及防治技术研究马广兴，等高程/m垂深/m高程/m平距/m钻孔630464016504倾角01000091002030方位角/（）32463431544300工作面2170121701217022170221702217012101121011210112101121011钻孔P1-17S补7X3-10S2-5X2-8s补-4X5-8Z3-3X6-6X6-2X6-1开孔127.0094.00311.00219.00110.0089.5046.50328.00100.5026.50358.50终孔130.8090.80323.05183.3298.7478.0042.10333.0794.4628.69345.23开口-36.00-16.00-42.00-39.50-31.00-36.50-18.00-32.00-18.50-28.00-26.00终孔-53.30-55.70-55.63-73.11-60.30-62.00-44.20-38.27-48.55-54.10-49.92设计117.00147.00165.00178.00133.00125.00149.00126.00145.00112.00137.00终孔120.00150.00168.00182.00138.00130.00150.00132.00144.00114.00144.00设计Z值-70.54-41.35-112.41-115.77-71.08-77.33-46.35-66.77-45.69-53.52-63.13终孔Z值-90.38-90.82-127.55-151.30-104.22-105.77-82.54-78.90-87.86-82.06-102.29Z值误差-19.84-49.47-15.14-35.53-33.14-28.44-36.19-12.13-42.17-28.54-39.16方位角/（）倾角/（）孔深/m垂深/mP1钻场-666.716.3821.61-620-630-640-650-660-670-680-690-700-710-720-730-740-750-760-770-780-790-620-630-640-650-660-670-680-690-700-710-720-730-740-750-760-770-780-79021701上顺槽P1-17 127-36120 m二2煤P1-17 127-36120 m0-10-20-30-40-50-60-70-80-90三维轨迹图-75-70-65-60-55-50-45-40-35-30-25-20-15-10-5011.9914.8518.1-55-45-35-25-15-5159高达63.6%；钻孔倾角在出套管后，随即线性增大趋势明显，主要集中在钻孔斜长4060 m（或垂深2840 m），也就是进入太原组之前的山西组底部泥质粉砂岩和中-细砂岩段；之后进入太原组后钻孔倾角增幅减小或微弱变化至终孔。“陡-缓”型曲线的形成原因和条件主要是二2煤底板粉砂岩较软和钻具重力共同作用的结果。（2）“陡-降”型以S补7，X5-8和S2-5孔为代表，S补7孔的倾角-孔深变化曲线，如图4所示。该类型可形成较大倾角和终孔点垂深误差，推断该曲线类型形成原因是太原组地层完整性不好或较为破碎造成。（3）“平-陡”型以X6-1为代表，推测该典型类型形成是受孔口管影响，不具有代表性，如图5所示。图3P1-17孔“陡-缓”型倾角孔深曲线图图4S补7孔“陡-降”型倾角-孔深曲线图图5X6-1孔“平-陡”型倾角-孔深曲线图3.2.2钻孔深度曲线特征钻孔倾角随孔深有明显增大趋势，但是钻孔垂深随孔深变化为较光滑曲线。拟合11个钻孔的垂深孔深曲线后发现：（1）11个钻孔的垂深孔深曲线全部典型的开口向下“抛物线”，可拟合系数（残差平方和R2）接近1，其他10个孔的抛物线方程和曲线特征与之类似。如S补7孔垂深孔深及拟合曲线如图6所示。注浆孔垂深y1=-0.001 8x2-0.356 7x+1.184 7（1）式中x注浆孔孔深，m。图6S补7孔垂深-孔深抛物线图（2）如果忽略曲线初始段“曲率”变化，直接线性回归各注浆孔垂深-孔深曲线，11个曲线的可拟合系数也高达0.986 6。如S补7孔垂深-孔深曲线直线拟合，如图7所示。注浆孔垂深y2=-0.620 3x+7.511（2）图7S补7孔垂深-孔深拟合直线（3）将11个测斜孔垂深-孔深直线拟合结果叠加后进一步发现，11个开孔倾角1642注浆孔的垂深-孔深拟合直线集中于斜率-0.58-0.83，即拟合直线倾角为3040；据此进一步推断，受钻孔施工期间钻杆重力和煤层底板岩性组合控制，无论注浆孔顺地层、逆地层或沿走向，开孔倾角1545注浆孔的垂深-孔深曲线可近似用倾角3040直线代替。3.2.3钻孔终孔点垂深误差规律终孔点垂深误差最大特征为“负误差”和“误差大”，实际终孔点比设计终孔点“低”32.0 m，误差达55.1%。如S补7孔终孔点比设计终孔点低49.47 m，误差119.4%。终孔点垂深误差与下列因素相关：（1）与开孔倾角呈负相关，注浆孔开孔倾角越小，终孔点误差越大；（2）与地层夹角相关，基本关系为逆地层倾向钻孔误差顺地层倾向钻孔误差沿地层走向钻孔误差；（3）二2煤底板岩性组合是控制终孔点垂深变化趋势与范围的主要因素。第42卷第02期陈四楼煤矿底板注浆改造钻孔偏斜及防治技术研究马广兴，等Vol.42 No.0220406080100钻孔斜长/m累计倾角变化/（）0-2-4-6-8-10-12-14-16-18120140细砂岩粉砂岩L11灰L10灰L9灰L8灰L7灰20406080100钻孔斜长/m钻孔倾角/（）-15-20-25-30-35-40-45-50120140160020406080100钻孔斜长/m钻孔倾角/（）-41-42-43-44-45-46-47-48-49-50-51120140160020406080100钻孔孔深/m垂深/m1020304050607080901001201401600y1=-0.001 8x2-0.356 7x+1.184 7R2=0.999 420406080100钻孔孔深/m垂深/m1020304050607080901001201401600y2=-0.620 3x+7.511R2=0.986 61603.2.4水平误差规律注浆孔随方位角改变水平摆动误差特征为“左右摆”和“小误差”，平均方位角误差6.6，平均相对误差7.6%，远小于垂向倾角和垂深误差，对钻孔施工影响较小，暂不考虑水平误差影响。4底板注浆孔孔斜影响分析依据井下底板注浆孔孔斜规律分析，注浆孔垂向倾角和终孔点垂深误差最大，对底板注浆效果与成本、井田岩溶系统新平衡建立等产生了重要影响。（1）注浆孔揭露灰岩层位误差大依据P1-17取芯钻孔的测斜结果来看，实际揭露L11灰、L10灰和L8灰含水层的孔深较设计分别提前12.0 m、14.9 m和18.1 m，即施工至设计揭露L11灰、L10灰和L8灰岩含水层时钻孔实际层位已至L9灰岩含水层顶、L8灰岩含水层顶和L8灰岩含水层底部。同时，以注浆孔目标层位L10灰和终孔点垂深平均误差32 m计算，大量注浆孔终孔点实质揭露层位达L6L7灰岩含水层。大量注浆孔层位延伸至太原组中下段含水层，导致过度疏放太原组下段岩溶水，造成太原组中下段岩溶水向上段补给，矿井水文地质条件越来越复杂。（2）“过度”注浆降低整体注浆效果注浆孔终孔点垂深误差将实际终孔点向下延伸32 m，注浆加固的安全隔水层厚度增加，在延伸至太原组下段灰岩含水层后，呈现了钻孔出水量大、出水次数多、重复注浆、注浆量增大的情况，整体注浆效果明显降低，且工作面治理成本增加。（3）“过度”注浆，成本提高以终孔点垂深误差32 m计算，单个注浆孔可以缩短孔长约40 m；若以目前南翼每个工作面300个注浆孔计算，可以减少注浆工程量12 000 m。否则，工程中增加注浆材料的消耗和其他材料成本。5水害防治技术优化措施为了有效控制陈四楼煤矿南翼底板注浆恶化形势，根据井下大量的底板注浆钻孔的偏斜规律分析，制定了具体方案，主要是提高底板隔水层注浆加固和改造效果，控制太原组中-下段岩溶系统疏降和扰动、控制岩溶系统外围补给，采取防止钻孔偏斜的保直技术，严格控制注浆孔在垂向上的偏斜。5.1确定底板注浆目标层位结果证明，仅靠增加安全隔水层的厚度无法保障矿井回采工作面的水害防治安全。确定底板注浆目标层位时，要充分考虑目标岩类的岩溶富水性、岩溶发育程度、岩层完整性、岩样水理性质、水压作用、流场控制作用等，底板注浆层位可分为二2煤至L11灰岩含水层之间“加固层”、L11灰岩含水层至L10灰岩含水层底板“主要改造层”、L10灰岩含水层底板至L8灰岩含水层顶板“延伸改造层”和L8灰岩含水层及以下“减小疏降扰动层”，如图8所示。图8二2煤底板注浆改造分层图（单位：m）划分主要依据：（1）二2煤底至L11灰之间黏土质粉砂岩较好的饱水抗压强度和相对较好的天然抗拉强度，具弱渗透性和微含水，主底板隔水层主体，应提高该段注浆效果和利用率；（2）L11，L10灰岩含水层富水性较弱，岩溶基本不发育，含水层完整性好，二2煤安全隔水层厚度达到65 m时，基本满足矿井水压56 MPa的回采区域的水害防治要求；（3）L9煤顶及L9煤较为破碎，岩溶富水性增弱，注浆和隔水效果降低，所以L10至L8灰之间的L9灰顶、底板划分“延伸层”；当二2煤底板水压达67 MPa，为注浆“延伸”目标层位；（4）根据大量底板注浆孔的改造情况分析，L8灰岩含水层富水性较好，为工作面主要的间接充水含水层，并且与下伏太原组下段灰岩含水层的水力联系较好，控制L8灰岩含水层进一步疏降和扰动，能够控制矿井水文地质条件进一步复杂化趋势。因此，确定今后矿井底板注浆改造优先选择L11至L10底板“主要改造层”，当水压达到67 MPa，则L10底板至L8顶板作为“延伸改造层”。5.2控制井下底板注浆孔偏斜根据井下底板注浆改造钻孔偏斜规律分析，制定了控制钻孔偏斜主要技术措施：（1）底板注浆改造钻孔每次钻进前要重新校正钻机的方位角、倾角，确保相关参数的准确；（2）正常钻进前要在钻头后加装扶正器或螺纹钻杆，钻进过程中要控制给进压力、旋转速度等，确保钻孔沿设计轨迹钻进；（3）做好钻孔施工过程管理，时刻观察岩性，岩石软时要慢速钻进，岩石硬时要加压慢钻，重点关注软硬岩石变化段；（4）有针对性地抽查钻孔进行测斜，总结偏斜规律，研究符合矿区特色的钻具组合规律。6结语（1）依据注浆孔偏斜规律分析，注浆孔垂向倾角第42卷第02期Vol.42 No.02陈四楼煤矿底板注浆改造钻孔偏斜及防治技术研究马广兴，等二2煤加固层改造层延伸改造层减少扰动层本溪组太原组中下段L11灰含水层L10灰含水层L9灰含水层L8灰含水层50山西组下段657785奥灰含水层161第42卷第02期陈四楼煤矿底板注浆改造钻孔偏斜及防治技术研究马广兴，等Vol.42 No.02和终孔点垂深误差最大，水平影响较小，对底板注浆效果与成本、井田岩溶系统新平衡建立等产生了重要影响。（2）注浆孔揭露灰岩层位多数延伸至L6L7灰岩含水层，过度注浆影响了降低整体注浆效果，增加了水害治理成本。（3）为了有效控制陈四楼煤矿南翼底板注浆恶化形势，提出了L11L10灰岩含水层为“主要改造层”的层位控制及控制底板注浆孔孔斜的措施，为矿井下一步水害防治技术提供了依据，指导矿井安全生产。参考文献：1蓝航,陈东科,毛德兵.我国煤矿深部开采现状及灾害防治分析J.煤炭科学技术,2016,44(1):39-46.2王朋朋,赵毅鑫,姜耀东,等.邢东矿深部带压开采底板突水特征及控制技术J.煤炭学报,2020,45(7):2444-2454.3尹尚先,徐维,尹慧超,等.深部开采底板厚隔水层突水危险性评价方法研究J.煤炭科学技术,2020,48(1):83-89.4杨永强.深部开采煤层底板破裂及治理研究J.能源技术与管理,2021,46(4):110-112.5赵磊.多类型水害威胁采煤工作面防治水技术研究J.能源与环保,2017,39(7):185-188,192.6国家煤矿安全监察局.煤矿防治水细则M.北京:煤炭工业出版社,2018.7高银贵.定向钻进技术在唐家会煤矿区域水害防治中的应用J.采矿技术,2021,21(S1):84-87.8汪佩,李鑫,张金陵,等.城郊煤矿底板太灰疏降流场演化的数值模拟与应用J.煤炭科技,2021,42(4):38-43.9姜文浩.联合注浆在工作面底板水害防治中的应用J.煤炭科技,2021,42(4):83-87.10王伟.工作面底板注浆改造施工技术及效果评价J.能源与环保,2019,41(10):41-44,48.11沈冰.基于定向钻进的高承压底板水害防治研究J.煤炭技术,2018,37(11):174-176.12汪雄友,陈海军,朱和俊,等.深部煤层高承压水底板注浆改造防治水技术的应用J.中国煤炭地质,2017,29(7):46-51.13田成东,白海波,祁静.高承压水上回采构造区底板注浆改造方案J.煤矿安全,2015,46(7):169-171.14王传永.城郊煤矿底板改造钻孔偏斜规律研究J.能源与环保,2021,43(1):129-133.15沈振,刘志文,易伟欣,等.煤层瓦斯抽采顺层钻孔偏斜规律及原因分析J.煤炭技术,2020,39(3):103-106.16许彦鹏,樊阳洋,禹建功,等.煤矿瓦斯抽采顺层钻孔偏斜规律试验研究J.河南理工大学学报(自然科学版),2018,37(6):1-7.17秦立涛.钻孔偏斜规律在定向钻孔施工中的应用J.煤炭与化工,2018,41(2):50-52.18彭桥梁,李天虎,刘瑞,等.湖南龙山矿区钻孔偏斜规律分析及控制J.探矿工程(岩土钻掘工程),2017,44(11):12-15.19付帅,吕平洋,王嘉鉴,等.矿井高位钻孔偏斜特征及其对抽采效果影响的研究J.矿业科学学报,2017,2(2):158-166.20白彦龙,葛林.顺层钻孔打钻偏斜规律研究及防范措施J.能源与环保,2021,43(3):12-15,20.21张伟华.煤矿专用钻孔防斜与井斜控制技术J.内蒙古煤炭经济,2017(7):126-128.作者简介：马广兴（1982-），河南永城人，高级工程师，现从事瓦斯治理、水害防治工作，电子信箱：.责任编辑：李富文收稿日期：20211214162