定向与常规钻探相结合技术在老空水害防治中的应用

魏世荣,崔 猛,金祥波

(1.国家能源集团煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京市昌平区，102209；2.国家能源集团乌海能源有限责任公司五虎山煤矿，内蒙古自治区乌海市,016000；3.国家能源集团乌海能源有限责任公司地测防治水管理部，内蒙古自治区乌海市，016000)

乌海矿区开采历史悠久，历史上小煤窑数量多，最多达800余处。由于小煤窑大多无准确图纸资料、存在越界开采和老空积水，且老空积水位置分散、孤立、隐蔽，其空间分布形态、赋存分布规律复杂不易掌握，探查难度较大，无法获得小煤窑的准确分布位置，已成为矿井老空水防治的难点[1-2]。

乌海能源公司所属大部分矿井受老空水害威胁，特别是所属的五虎山煤矿的7号、9号、12号煤层，公乌素煤矿的7号、9号、16号煤层和利民煤矿的9号、16号煤层存在小煤窑越界开采现象[3]，防治水工作任务重、难度大。通过对以往边界小煤窑探查分析，采用定向钻探或常规钻探单一手段均存在一些弊端，比如定向钻机整机重量较重、作业曲率半径较大，常规钻孔探查范围有限、存在盲区、钻孔精度低等。与单一的钻探手段相比，在老空水探放中采用定向钻探和常规钻探结合的技术具有可减少钻探工作量、提高探查精度、缩短工作面准备时间、降低成本、提升探查效果等优点[3-7]。因此，采用定向钻探和常规钻探结合的技术是老空水害防治的重要技术，是解决矿井老空水害、实现安全高效矿井的重要手段，在查明充水水源、导水通道和水害治理工作中起着重要作用，具有很好的推广应用前景[3，8-12]。

1 定向钻探和常规钻探相结合技术的优势

定向钻探和常规钻探相结合的技术具有利用定向钻探成孔精度高、偏斜、一次性探查距离远、钻孔轨迹可人为控制、探查效率高、钻探区域盲区小、可以准确判断各异常点的钻进高程和位置、对探测区域分析提供准确数据的特点。在边界小煤窑探查中先使用定向钻孔对工作面采动影响范围内的煤岩层进行探查，圈出工作面采动影响范围内的老空区边界线或工作面安全线，再利用常规钻机重量小、移动灵活、现场施工条件要求低的特点，进一步使用常规钻孔对定向钻探遗留的局部盲区和重点防范部位进行补充钻探，消除盲区内存在老空积水的风险，确保工作面采掘安全。

2 定向钻探和常规钻探相结合技术的应用

2.1 五虎山煤矿应用

五虎山煤矿位于内蒙古自治区乌海市，行政隶属于乌海市乌达区，贺兰山煤田乌达矿区南部，井田南部分布大量小煤窑采空区，在露采剥挖过程中曾揭露4号、7号、8号、9号、12号煤层20多个小煤窑井口。小煤窑在五虎山煤矿南侧分布范围较广、层位多，小煤窑情况极其复杂，原有小煤窑巷道在露采剥挖过程中遭到了破坏，几年来，大气降雨通过露采坑均进入了小煤窑巷道，并进一步补给五虎山煤矿采空区，对井田南翼9号、10号、12号煤层工作面安全回采构成严重威胁。

2.1.1 探放水设计及工程实施

五虎山煤矿目前主要开采12号煤层，根据以往调查资料，井田南翼纬线73 800以南区域12号煤层历史上有建安公司小井开采，12号煤层南翼的1202工作面运输巷一侧曾揭露小窑巷道。五虎山煤矿曾在12号煤层南翼1208工作面中开切眼处施工定向钻孔1号及1-2a号对12号煤层小井老空水进行探放，探查出小窑位置在纬线73 652.5处。因此，规划开采的12号煤层南翼1206工作面、1208工作面均可能受南翼小煤窑水害威胁。

为查清1206工作面邻近小煤窑情况，同时超前谋划解决1208工作面小煤窑水害隐患，在0908工作面布置1个定向钻孔，在1206工作面布设4个定向主孔及3个分支孔，其中D1、D2-1钻孔揭露12号煤层小煤窑采空区出水；定向钻孔施工完成后，在1206工作面布设6个常规钻孔对定向钻孔遗留的盲区进行补充探查，消除盲区，保证工作面影响范围内小煤窑的全覆盖探查和1208工作面南翼小煤窑入侵范围的提前探查，避免了小煤窑水害风险的存在。12号煤层探放水钻孔参数见表1。

表1 12号煤层探放水钻孔参数

2.1.2 探查成果

0908和1206工作面施工的14个钻孔中4个探查孔出水，累计疏放老空水91.8万m3。探查结果表明，五虎山井田12号煤层小煤窑在1206工作面开切眼外纬线4 373 765南探出小煤窑越界巷道，小煤窑巷道距1206工作面开切眼最短距离为95 m，满足防隔水煤柱不小于30 m的留设宽度安全要求；在设计1208工作面外纬线4 373 642探出小煤窑越界巷道，为1208工作面采掘布局提供了基础决策数据，并对小窑积水进行了提前疏放，有效解决了工作面水害隐患，确保了工作面安全回采。五虎山煤矿老空水探查钻孔示意如图1所示。

图1 五虎山煤矿老空水探查钻孔示意

2.2 公乌素煤矿应用

公乌素煤矿位于内蒙古自治区乌海市海南区境内，卓子山煤田公乌素矿区中部，井田露头边缘存在多个合法小煤窑，9号、12号、16号煤层均有剥挖现象，小煤窑开采方式多为房柱式开采，南采区16号煤层021601工作面以北区域及16号轨道下山以东区域曾有小煤窑开采，采空区位置及积水情况不明，对16号煤层采掘造成威胁。16号煤层厚度8 m，邻近小煤窑一般沿底开采，采高大于2 m，为减少探放水钻孔平面及垂向上盲区，主要采用沿煤层定向钻探对小煤窑水进行探查，个别地段采用常规钻探进行补充探查。

2.2.1 探放水设计及工程实施

公乌素煤矿目前主要开采16号煤层，正在掘进的南采区16号轨道下山和021601工作面回风巷受东北侧小煤窑水害威胁，为查清16号煤层021601回风北联巷北侧及工作面东侧小煤窑情况，以设计巷道留设30 m防隔水煤柱为基本原则，在+1 000 m大巷电瓶车充电硐室施工钻场，布设1个长距离定向主孔和4个分支孔探查小煤窑入侵范围，钻孔轨迹距设计巷道最近水平距离为30 m，5个钻孔均未揭露小煤窑巷道。因位于电瓶车充电硐室的钻场位于F10正断层上盘，施工的5个定向钻孔进入断层下盘16号煤层后，见煤点与断层下盘断煤交线间存在盲区，导致5个定向钻孔不能完全覆盖小煤窑可能入侵的通道，因此，在16号煤层021601运输巷新增补2个常规钻孔，消除定向钻孔探查遗留的盲区，确保021601回风北联巷掘进安全。施工的2个常规钻孔均未揭露小煤窑巷道。021601工作面探放水钻孔参数见表2。

表2 021601工作面探放水钻孔参数

2.2.2 探查成果

本次探查结果表明，+1 000 m大巷电瓶车充电硐室钻场施工的1号钻孔设计距021601回风巷右帮30、35、40 m，且距16号底板以上2、4、6 m位置，终孔孔深分别为1-1a号孔654 m、1-4号孔663 m、1-5号孔645 m，该钻孔施工过程中未见空巷，无有害气体；2号钻孔施工至219 m处塌孔，推断此处为断层。16号煤层16号辅助运输巷回风北联巷钻场施工的2个常规钻孔均未见采空区，无水、无有害气体。因此，推测16号轨道下山及021601回风巷外30 m范围内无小煤窑越界情况，排除了小煤窑水害的威胁，目前该工作面已安全回采。021601工作面北翼小煤窑探查钻孔示意如图2所示

图2 021601工作面北翼小煤窑探查钻孔示意

2.3 利民煤矿应用

利民煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市鄂托克旗境内，矿区东北部露头区与多个小煤窑相邻，周边小煤窑与利民煤矿同采16号煤层，现已全部关闭，小煤窑在开采9号和16号煤层时，存在不同程度的越界开采情况，由于小煤窑开采时间较长，又缺乏准确详细的测量资料，越界范围和积水情况不清，对工作面布置和安全采掘构成威胁。

2.3.1 探放水设计及工程实施

利民煤矿目前靠近井田东北部的9号煤层已基本回采完毕，现阶段主要开采16号煤层，计划开采的16号煤层011604工作面位于井田二盘区最北部，受东北部安利煤矿小井越界及采空区积水威胁。为给16号煤层011604工作面设计提供依据，同时确保巷道掘进安全，在原设计011604回风巷开口位置设计4个主孔8个分支孔探查小煤窑越界范围；工作面掘进过程中在011604回风巷540 m处布置2号钻场，设计1个主孔2个分支孔进一步探查小煤窑边界,3个钻孔均未揭露小煤窑巷道。011604工作面回采至300 m附近时，在回风巷250 m处布置钻场，设计3个常规钻孔对已探查揭露的小煤窑补充探查小煤窑分布特征，验证小煤窑疏放水效果，确保工作面回采不受小煤窑水害威胁。011604工作面探放水钻孔参数见表3。

表3 011604工作面探放水主要钻孔参数

2.3.2 探查成果

探查表明，011604回风巷开口位置施工的12个钻孔中的11个钻孔揭露了小煤窑巷道，4个钻孔出水，判断安利煤矿16号煤层越界深度为54 m，长度为445 m，疏放老空水2.35万m3；在011604回风巷250 m钻场施工的3个钻孔均揭露小煤窑巷道无水。根据探查结果，工作面前670 m范围011604回风巷位置已由原来位置向井田内回退50 m，670～1 470 m范围调整了011604回风巷位置,向井田边界偏移75 m，释放了48万t资源储量，目前工作面已安全回采。011604工作面同层小煤窑探查钻孔示意如图3所示。

图3 011604工作面同层小煤窑探查钻孔示意

3 结论

(1)常规钻孔与定向钻孔相结合的探查技术在乌海能源公司五虎山煤矿、公乌素煤矿和利民煤矿边界小煤窑的应用，解除了五虎山煤矿01采区南翼工作面、公乌素煤矿021601工作面、利民煤矿011604工作面周边小煤窑水害隐患，保障了工作面安全回采。

(2)两种探查技术的有效结合，减少了探放水工程施工周期，降低了施工成本，提高了掘进效率，缩短了工作面准备时间，保障了工作面正常接续。

(3)两种探查技术在五虎山煤矿1208接续工作面、利民煤矿011604工作面超前探查治理的应用，为五虎山煤矿1208接续工作面和利民煤矿011604工作面布局调整提供了科学依据，有效释放煤炭资源量100多万t。