地面定向钻进技术在探查小煤窑越界开采中的应用研究

李 智 王宇航 张结如

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710054；2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室，陕西省西安市，710054；3.淮北矿业股份有限公司朱庄煤矿，安徽省淮北市，235047）

我国华北型煤田开采历史悠久，为国民经济发展提供了重要支持，但随着开采强度的不断提高，东部煤矿区逐渐进入下组煤和深部煤层的开采阶段［1-2］。在煤炭资源需求量日益增加的大环境下，部分煤矿企业尤其是一些小煤窑安全与法制观念淡薄，越层越界开采行为时有发生。由于技术限制，小煤窑往往无法准确地确定越界开采范围，违规生产既扰乱了正常的煤矿资源开发秩序，更对相邻煤矿的正常开采构成了巨大的安全隐患［3］。因此，与可能存在越界开采小煤窑相邻的大型煤矿在采掘前，应该对越界开采范围进行探查［4］。

地面定向钻进技术是指利用随钻测量仪器（WMD）、一定的钻具组合再配合特殊泥浆钻井液循环等技术，在地面合适位置进行开孔施工，进入目标层位后在目的层中定向钻进，并对其进行探查与治理［5］。我国定向钻井技术始于1956年，最早应用在石油行业。由于该技术基本不受地面场地影响，通过分支孔钻探工艺能对导水通道以及目的层位附近进行区域性探查，避免了以往常规地面治理的盲目性，施工安全性高，又极大地节省工时、节约成本，十几年来，该技术已被广泛应用于煤矿水害防治领域［6-7］。目前，对于煤矿陷落柱探查与突水防治［8-9］、煤层底板断层带突水［10］以及煤矿区域超前治理［11-12］等方面已取得了显著的治理效果［13-14］，技术手段日益成熟。

由于小煤窑越界开采层位以及盗采巷道位置难以确定，而采用井下或者地面直孔进行施工都难以快速有效地达到探查目的，因此本研究选择地面定向钻进技术对小煤窑越界开采情况进行探查。

1 矿井及小煤窑越界开采情况

1.1 矿井地质与水文地质概况

淮北矿业股份有限公司朱庄煤矿属华北型煤田，水文地质条件极为复杂，主采煤层为二叠系下石盒子组3#、4#、5#煤层以及山西组6#煤层。井田位于闸河复向斜南段，以正断层构造为主。Ⅲ-63采区位于井田东南部朱暗楼向斜和戴庄背斜处，褶曲、断层较发育，地层走向变化大，倾角为6°～34°，存在疑似陷落柱。

Ⅲ-63采区6#煤层顶板为砂岩裂隙含水层，富水性弱，以静储量为主，突水量一般小于10 m3/h。底板下45～63 m为太原组灰岩岩溶裂隙含水层，平均厚度为158 m，共有12层石灰岩，平均厚度为69 m，其中三灰、四灰富水性强，单孔涌水量100～600 m3/h，水压约5 MPa，与奥陶系灰岩水通过垂向导水通道发生水力联系，直接威胁6#煤层的安全开采［15］。奥灰含水层位于6#煤层下200～240 m，一般情况下对矿井无突水威胁，但在断层和陷落柱等垂向导水通道存在时，可能发生突水事故。而且奥灰含水层富水性强、水压高、水量大，也是矿井安全生产的重要隐患之一。

1.2 小煤窑越界开采情况

小煤窑与朱庄煤矿Ⅲ-63采区右翼相邻，目前已闭坑。朱庄煤矿在2013年Ⅲ-631机巷掘进期间听到不明来源的放炮声，怀疑邻近的小煤窑存在越界开采现象，但开采煤层层位不清，若与朱庄煤矿毗邻巷道为6#煤层巷道，将会对朱庄煤矿Ⅲ-63采区右翼工作面的开采造成影响；此外，老窑水积水范围、积水量不清，会严重威胁朱庄矿Ⅲ-63采区右翼6#煤层的安全开采。为确定小煤窑是否存在6#煤层越界开采现象以及消除老窑水隐患，本研究采用地面定向钻技术探查小煤窑越界开采层位、巷道所处层位和展布等情况，根据探查结果调整原工作面设计，并为矿方留设防隔水煤（岩）柱提供依据。

2 探查设计方案

2.1 治理思路

采用地面定向钻进技术，结合矿方提供的地质与小煤窑资料对邻近Ⅲ-63采区右翼的小煤窑越界开采进行准确探查，假定存在的巷道为6#煤层巷道并预计盗采巷道的大致位置。在注浆封堵6#煤层以上砂岩层的基础上，通过钻探过程中在6#煤层附近钻井液的漏失量以及压水试验情况判断是否存在越界开采；并结合地层条件和前期地质资料综合分析确定小煤窑巷道所处的煤层层位和展布情况，为矿方留设防隔水煤（岩）柱提供依据。

2.2 钻探设计

基于地面定向钻孔的施工能力，设计T孔组进行定向探查，包括1个主孔和2个分支孔，呈扇状布孔，钻孔结构采取一开下表层套管，二开为裸孔段。从主孔一开套管下合适位置进行侧钻，施工分支孔，钻孔结构示意图见图1。其中T1钻孔对Ⅲ-633工作面切眼外小煤窑巷道进行探查，从推测的小煤窑西侧6#煤层巷道外约10 m穿过6#煤层；T2钻孔位于T1孔南部，对Ⅲ-635工作面切眼外小煤窑巷道进行探查；T3钻孔位于T2孔南部，对Ⅲ-635工作面切眼外小煤窑巷道进行探查，沿西侧6#煤层巷道穿过6#煤层。钻孔设计平面布置图见图2。

图1 钻孔结构示意图

图2 钻孔设计平面布置图

2.3 注浆设计

注浆方式采用孔口止浆静压分段下行式注浆法，浆体使用通用硅酸盐32.5水泥辅以Ⅱ级新鲜粉煤灰。

当钻探过程中钻井液较大漏失后，监测水位并判定漏失层位，若为6#煤层破坏边界，则用稠浆注浆封孔，如稠浆无法封孔，则利用木塞、锯末、骨料等进行封孔；若钻遇其他层位，如砂岩含水层或4#、5#煤层采空区，则进行注浆封堵，注浆终压设计为6 MPa。当注浆压力达到结束标准后，逐次降低泵量，直至泵量达到60 L/min，并维持30 min，堵漏后继续钻进直至设计终孔深度。

2.4 钻遇采空区判别依据

（1）钻孔附近煤层没有越界开采的依据：若钻探过程中钻井液正常消耗，且钻孔岩屑录井显示全部为实体煤，说明探查范围内煤层完整，不存在越界开采现象。

（2）钻孔附近煤层存在越界开采的依据：若钻进过程中发生钻井液漏失（漏失量＞2 m3/h）或钻井液虽无消耗，但提钻后进行的压水试验发生压力突降的情况，则说明在压力的作用下钻孔与井下盗采巷道发生贯通。

3 地面定向钻探查成果

3.1 T1孔探查概况

T1主孔终孔孔深612 m，其中一开段0～150.13 m，二开段150.13～612 m；单孔注浆量976 t，其中注水泥量为940 t、粉煤灰36 t。

为避免6#煤层上覆含水层对小煤窑越界开采巷道判别产生影响，在5#煤层附近和6#煤层上进行2次压水试验。其中孔深358～402 m处见5#煤层，钻探过程中无漏失，在5#煤层附近孔深421 m处砂岩层进行压水试验，压力为2.0 MPa，进行注浆，单次注浆量756 t，其中水泥量为720 t、粉煤灰量为36 t，终孔压力为6 MPa。

在6#煤层附近孔深564 m处砂岩层进行压水试验，压力为2.3 MPa，单次注浆量为189 t，终孔压力为6 MPa。T1孔穿过假定巷道时，位于巷道下方2.77 m、孔深608 m处发生钻井液漏失，漏失量为15 m3/h，水位埋深超过200 m，钻孔继续延伸4 m，达到终孔612 m，随后进行注浆加锯末封孔，单次注水泥31 t。

通过探查揭露6#煤层位置为孔深564～571 m（标高-479.28～-481.43 m），破碎含有矸石，钻探探测6#煤层伪厚度为2.14 m，根据6#煤层倾角、钻孔井斜换算6#煤层真厚度为0.37 m。结果表明T1探查范围内小煤窑存在越界开采现象。

3.2 T2孔探查概况

T2分支孔终孔孔深631 m，侧钻点232 m，二开进尺399 m，单孔注水泥量为395 t。

在孔深402～407 m处见5#煤层，钻探过程中无漏失。在6#煤层附近孔深602 m处砂岩层进行压水试验，压力为0 MPa，注浆封堵，单次注浆量为385 t，终孔压力为6 MPa。钻进至610 m时发生钻井液全漏失，漏失量＞60 m3/h，水位埋深超过200 m，说明T2孔穿过小煤窑盗采巷道。遇漏后钻孔继续延伸4 m，达到终孔614 m，注浆加锯末封孔，单次注水泥10 t。

T2孔揭露6#煤层位置为孔深610～614 m（标高-491.92～-492.84 m），钻探探测6#煤层伪厚度为0.92 m，根据6#煤层倾角、钻孔井斜换算煤层真厚度为0.08 m。表明T2探查范围内小煤窑存在越界开采现象。

3.3 T3孔探查概况

T3分支孔终孔孔深690 m，侧钻点266 m，二开进尺424 m，单孔注水泥量为170 t。

在孔深441～444 m处见5#煤层，钻探过程中无漏失。在6#煤层附近孔深630 m处砂岩层进行压水试验，压力为1.8 MPa，注浆封堵，单次注浆量为160 t，终孔压力为6 MPa。钻进至644 m时发生钻井漏失，漏失量为5 m3/h，水位埋深超过200 m。遇漏后钻孔继续延伸至46 m，达到终孔656 m，注浆加锯末封孔，单次注水泥量为10 t。

通过T3孔揭露6#煤层位置为孔深644～656 m（标高-496.93～-498.33 m），煤层完整，钻探探测6#煤层伪厚度为1.4 m。T3探查范围内小煤窑存在越界开采现象。

4 探查效果分析

地面定向孔组实施的3个钻孔均在6#煤层附近发生了漏失，以T2孔漏失量最大，超过60 m3/h。T1孔、T2孔、T3孔漏失点的平面位置所确定的盗采巷道位置与前期收集到的资料基本吻合，漏失点、见6#煤层位置、盗采巷道大致位置以及孔组实钻平面轨迹如图3所示。漏失点见煤情况见表1。

探查结果表明T1、T2、T3孔探查到的6#煤层均有不同程度的开采，以T2孔探查范围内的6#煤层开采最为严重。说明小煤窑对朱庄煤矿Ⅲ-63采区右翼6#煤层存在越界开采现象。

图3 小煤窑越界开采实钻平面轨迹图

表1 探查小煤窑越界开采漏失点情况汇总表

5 结论与建议

（1）为了查明朱庄煤矿Ⅲ-63采区右翼毗邻的小煤窑是否对6#煤层存在越界开采，设计1个地面定向孔组对其进行准确探查，孔组包括1个主孔和2个分支孔，钻探工程量为1435 m；注水泥浆总量为1505 t、粉煤灰总量为36 t。

（2）提出通过钻井液的漏失情况、岩屑录井情况以及压水试验等手段综合判定钻探过程中是否遇到采空区的方法。

（3）通过3个钻孔施工，查明了与朱庄煤矿Ⅲ-63采区右翼毗邻的小煤窑存在越界开采现象且盗采层位为6#煤层，并确定了巷道的展布情况。说明地面定向钻进技术是探查小煤窑越界开采的一种高效准确的方法。

（4）为保证Ⅲ-63采区右翼的安全开采，建议矿方根据探查结果合理留设安全煤柱，并在必要情况下对盗采巷道进行封堵治理。