Construction method on transparent geological guarantee technologies: A case study of Wuhai Mining Area
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摘要: 煤炭地质保障技术贯穿于煤炭工业的全生命周期，是实现煤炭资源安全高效智能绿色开采的基础和前提，在灾害防治、隐蔽致灾因素探查、煤炭智能开采等方面发挥着关键作用，而地质透明是提高智能分析与决策、自动精准控制与高效采煤能力的关键核心任务。以乌海矿区为例，为解决矿区智能化建设面临的地质条件复杂、透明地质保障能力薄弱的问题，采用以随掘地震、随采地震为代表的智能探测技术，获取采掘工作面实时地质数据；通过构建数据底座，利用多源数据融合技术，实现海量地质数据的融合分析；基于多源数据融合结果，构建三维地质几何模型和水、火、瓦斯等多属性模型，利用实时地质数据驱动模型更新，实现构造、水、火、瓦斯等隐蔽地质规律与分布特征的数字化表达。以地质模型为基础，融合地质异常体空间位置、几何大小、属性信息等，构建透明地质保障系统，实现隐蔽致灾因素的地质预报，为煤矿安全高效开采提供智能决策。研究成果为实现乌海矿区煤炭智能化开采提供地质保障，对于推动全国煤矿智能化建设具有重要的借鉴意义。Abstract: Coal geological guarantee technologies are applied in the whole life cycle of the coal industry. The technologies are the basis and premise of realizing safe, efficient, intelligent and green mining of coal resources, and plays a key role in disaster prevention, hidden disaster-causing factor detection and intelligent mining of coal. Without any doubt, geological transparency is the crucial task to improve the ability of intelligent analysis and decision-making, automatic and precise control, and efficient coal mining. For the purpose of solving the problems faced by Wuhai Mining Area in the construction of coal mine intellectualization, such as complex geological conditions and weak ability of transparent geological support, intelligent detection technologies, represented by seismic detection while excavating and mining, are adopted to acquire the real-time geological data in the mining and excavating working face. On the basis of the results of multi-source data fusion, the 3D geological geometry model and multi-attribute model of water, fire and gas are constructed, and real-time geological data are used to drive the model update to realize digital expression of hidden geological laws and distribution characteristics of structure, water, fire and gas. The transparent geological guarantee system is constructed based on the geological model, integrating the spatial position, geometric size and attribute information of geological anomaly bodies, so as to realize the geological prediction of hidden disaster-causing factors, providing intelligent decision-making for safe and efficient mining of coal mines. The research results provide geological guarantee for realizing the intelligent mining in Wuhai Mining Area and have important referential significance for promoting the intelligent construction of coal mines in China.
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我国华北型煤田深受底板奥陶纪灰岩(简称奥灰)水害威胁，其中渭北煤田的韩城矿区、澄合矿区奥灰顶部隔水层极薄，偶有断裂和陷落柱发育[1-8]。奥灰水害防治技术主要有疏水降压、注浆改造底板隔水层、帷幕截流等。赵庆彪等[9]提出地面超前区域注浆改造治理技术，应用效果较好，但经济成本较高；王苏健等[10]针对澄合矿区薄隔水层低承压水体上采煤，提出在煤矿井下利用常规钻孔进行底板注浆加固治理，以倾斜钻孔方式施工，有效孔段短，含水层及裂隙钻遇率低，注浆改造盲区范围大；董书宁等[11]针对华北型煤田，提出将奥灰顶部风化充填带作为隔水层利用的理念，并利用煤矿井下近水平定向钻孔超前区域治理奥灰水害，取得良好效果。治理奥灰水害过程中，采取地面注浆、注骨料(砂)的方法治理岩溶陷落柱，待治理完成后需在地面或井下施工检查钻孔以检查注浆效果，但钻孔钻进过程仍可能钻遇水、砂，加之煤矿井下作业空间受限，采用常规木楔、止浆塞等封堵井下此类水砂突涌钻孔效果不理想，且封孔质量无法检查，封堵此类钻孔一直是矿井防治水的技术难题。
桑树坪煤矿位于渭北煤田韩城矿区最北端，主采3号和11号煤层[12-13]。其中11号煤层距奥灰含水层极近，煤层开采深受底板奥灰水害威胁。为此，中煤科工集团西安研究院有限公司利用井下近水平定向钻孔超前区域治理奥灰水害[14-15]。治理过程中，探查存在奥灰岩溶陷落柱，并采取地面注骨料的方案治理岩溶陷落柱，且在井下设计了多个常规检查钻孔验证治理效果，检查钻孔出现严重的水砂突涌现象，封堵此类钻孔历时1 a，可见该钻孔封堵难度极大。为此，笔者以此钻孔封堵为工程背景，研发水砂突涌钻孔成套封孔技术，以期为类似钻孔封堵工程提供参考。
1 研究区水文地质概况
桑树坪煤矿南一采区11号煤层距奥灰岩层顶界面15~33 m，开采高程位于区域奥灰水位+375 m以下，煤层底板完整性较差，奥灰含水层富水性不均一，煤层回采受底板奥灰水害威胁严重。建矿以来共发生9次奥灰突水，突水层位主要为峰峰组二段。最严重的是2011年8月底板突水事故，涌水量平均为6 580 m3/h，最大涌水量达到13 200 m3/h，造成矿井淹井，可见峰峰组二段富水性极强。11号煤层底板含隔水层相对位置如图 1所示，11号煤层底板距奥灰顶界面厚度等值线如图 2所示。
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图 1 11号煤层底板含隔水层相对位置Figure 1. Relative positions of the aquifer and aquifuge in No.11 coal seam floor![]()
图 2 11号煤层底板距奥灰顶界面厚度等值线Figure 2. Interface thickness isoline between No.11 coal seam floor and Ordovician limestone top2 水砂突涌钻孔特征
2.1 奥灰水害防治方案
利用煤矿井下近水平定向钻进技术，开展11号煤层底板以下奥灰岩层顶部利用与注浆改造。若奥灰顶部构造简单，岩溶裂隙不发育，则将其作为隔水层加以利用，若奥灰顶部构造复杂，岩溶裂隙发育，则将其注浆改造为隔水层段[12, 16]。奥灰顶部利用与注浆改造工程布置如图 3所示。
南一采区运输巷掘进前，在巷道底板以下奥灰岩层顶部设计ZK01定向钻孔探查奥灰顶部含水层富水性，钻进至孔深365 m处，孔内出水，涌水量115 m3/h，水压1.2 MPa。之后围绕该区域注浆，并在巷道外侧10 m位置处设计1个定向钻孔ZK02，在专回巷道设计3个常规钻孔1号、2号、3号，探查奥灰富水异常区。ZK02、1号、3号钻孔均出水，2号钻孔未见出水等异常，随之2号钻孔封孔。探查钻孔参数见表 1。
表 1 探查钻孔参数Table 1. Exploration borehole parameters钻孔编号 裸孔孔径/mm 涌水量/(m3·h–1) 水压/MPa 孔深/m 套管长度/m 是否放空 ZK01 94 115 1.20 365 30.0 否 ZK02 320 1.40 255 61.5 是 1号 103 1.32 43 30.0 否 2号 0 — 81 22.5 否 3号 400 1.40 45 25.0 是 2.2 岩溶陷落柱探查和治理
ZK02定向钻孔沿巷道水平方向钻具放空39 m，放空段到煤层底板垂距约27 m，3号钻孔钻具放空2.3 m，上距11号煤层底板约15.5 m。初步分析认为，该奥灰富水异常体为岩溶陷落柱，平面形态为不规则椭圆形。由此可见，该富水异常体发育范围较大、富水性强。基于井下探查结果，采取地面钻孔灌注骨料(砂)、井下钻孔注浆技术，治理奥灰强富水异常体。治理结束后，ZK01、ZK02、1号、3号钻孔均被砂子填充，再无出水。岩溶陷落柱探查如图 4所示。
2.3 检查钻孔概况
岩溶陷落柱治理结束后，设计3个常规钻孔4号、5号、6号检查治理效果。检查钻孔参数见表 2，钻孔轨迹如图 4所示。
表 2 检查钻孔参数Table 2. Inspection borehole parameters钻孔编号 裸孔孔径/mm 初始涌水量/(m3·h–1) 水压/MPa 孔深/m 套管长度/m 是否放空 4号 94 80 1.3 49.0 31.5 否 5号 — — 47.5 22.5 是 6号 32 1.3 49.7 22.5 是 4号钻孔钻进至49 m涌水涌砂，并含有少量的煤块和水泥块，水量为75~80 m3/h，水压1.3 MPa。由于涌水伴随煤块和水泥块，因此，基本确定富水异常体为陷落柱，且富水性极强。
5号钻孔钻进至45.7 m涌水涌砂，继续钻进至46 m，空送至47 m，最终钻进至47.5 m。由于孔内出砂量较大，提钻后钻孔被砂堵塞。
6号钻孔钻进至49.1 m出水，伴随水砂突涌现象，继续钻进至49.4 m，空送至49.7 m终孔，涌水量为32 m3/h，水压为1.3 MPa。
4号、5号、6号钻孔涌水量和水压均小于初始揭露值，可见治理虽取得一些效果，但仍需继续治理，随后再次开展了井下和地面注浆工作。由于陷落柱水文地质条件复杂，治理过程存在诸多不确定性，陷落柱探查治理工程量大、工期长，最终选择留设防水煤柱，确保矿井安全掘进，因此，需封堵水砂突涌钻孔。
3 封孔关键技术
随着治理工程的进行，钻孔内的水砂涌出情况发生了变化。探查钻孔ZK02、1号、3号虽被砂子填充，已不出水，但为确保封孔质量，必须将孔内砂子冲出孔外，之后采用水泥浆封孔至套管以下稳定岩层段。检查钻孔4号、5号、6号均喷水喷砂，水压1.3 MPa，且钻孔涌水量均大于300 m3/h，封孔难度极大。因此，ZK02、1号、3号3个钻孔采用常规扫孔冲砂注浆技术进行封孔。4号、5号、6号3个钻孔则在尝试常规封孔材料、封孔技术失败的基础上，研发了带压顶替注浆封孔技术[17-18]。
3.1 常规扫孔冲砂注浆封孔技术
常规扫孔冲砂注浆封孔技术，即利用钻具或者其他通水管将孔内的砂子冲出孔外，确保套管以上无砂，之后向孔内注入高浓度水泥浆至稳定岩层。
利用泥浆泵和钻具开展ZK02钻孔扫孔冲砂，扫孔过程中钻头后方配带单向逆止阀，以防钻具内喷水喷砂伤人，扫孔冲砂至孔深120 m未出水，随之向孔内注入高浓度水泥浆封孔，注浆压力5~ 6 MPa，封孔深度远大于套管长度61.5 m。
1号钻孔被砂子填充至孔口，借助泥浆泵和高压胶管扫孔冲砂至套管以下，之后向孔内注入高浓度水泥浆封孔。
3号钻孔虽被砂子填充，但不确定填充深度，随之利用ø50 mm镀锌管探查填充界面，结果显示砂子已填充至孔深25.6 m处，大于套管长度25 m，随之向孔内注入高浓度水泥浆封孔，注浆压力5~ 6 MPa。
3.2 常规材料封孔技术
3.2.1 木楔封孔
针对6号钻孔封孔工程，分别利用ø90 mm× 0.9 m和ø110 mm×0.5 m松木材质的木楔，并在木楔表面缠绕海带，借助钻机和钻具将木楔送入孔内以封堵钻孔，但两次下入木楔过程中，木楔均在孔口附近被钻机、高压水砂劈裂破坏，封孔失败。
3.2.2 反丝止浆塞封孔
木楔封孔失败后，利用钻机将ø73 mm×1 m反丝止浆塞送入孔内，待止浆塞进入孔内穿过防喷装置后，由于钻机和钻孔角度存在偏差，加之止浆塞和钻具连接处强度较薄弱，造成止浆塞与钻杆连接处断裂，封孔失败。
3.2.3 常规材料封孔技术存在问题
① 在煤矿井下有限空间利用钻机压入棉被、止浆塞、木楔等材料以封堵此类水砂突涌钻孔，受到作业空间限制和影响，且给操作人员带来安全隐患。
② 孔内水砂喷出量和水压均较大，利用钻机从孔口压入棉被、止浆塞、木楔等，作业过程中，由于压入物与孔壁之间存在间隙，无法完全将水、砂控制在孔内，造成孔口出现严重的喷水喷砂现象，从而影响正常作业，导致作业停止。
③ 采取常规孔口敞开式封孔技术，较大的水压会造成孔内水砂处于高速流动状态，且存在钻具与动态水砂的相互作用，进而可能压坏封孔材料，可见高速流动的水砂增加了下入封孔材料的难度。
④ 当成功下入棉被、止浆塞、木楔等材料时，仍需注入速凝水泥，对水泥凝固时间要求较高。
为解决上述问题，提出一种孔口不喷水喷砂的带压顶替注浆封孔技术。
3.3 带压顶替注浆封孔技术
带压顶替注浆封孔技术的思路是利用泥浆泵从钻孔孔口以大于奥灰水压的压力，多循环压入大于套管体积的水泥浆，延长单次水泥浆凝固时间，最终实现水泥浆液封孔，此技术适用于井下狭小空间作业，避免孔口喷水喷砂和孔内水砂高速流动。
首先，利用泥浆泵低泵量向水砂突涌钻孔孔内压入大于套管体积清水，确保孔内通道畅通。然后，采取低泵量向孔内缓慢注入大于套管体积以及注浆管线体积的稀水泥浆，水灰比大于等于1︰1，注浆压力大于水压的2倍，注浆结束后单次水泥浆凝固3~4 d，以保证封孔质量。最后，利用小直径钻头钻进至套管外检查大孔径钻孔的封孔质量，由于钻头尺寸小，即使钻进过程中孔内出现涌水涌砂，小孔径涌水涌砂量也会大幅减小，从而确保人员作业安全。具体步骤如下：
① 打开孔口阀门，判断孔内是否正常涌水涌砂；
② 浆液桶内准备好清水，启动泥浆泵向孔内注入大于套管体积的清水，若清水能完全顺利注入孔内，确认管路及钻孔通畅，则启动注浆工作；
③ 配置水灰比大于等于1︰1的水泥浆，并以118 L/min的低泵量向孔内缓慢压入水泥浆，直至向孔内压入大于套管体积的水泥浆液，关闭孔口阀门，候凝3~4 d；
④ 打开孔口阀门，观察孔内是否涌水涌砂，若孔内仍涌水涌砂，则再次重复步骤②和步骤③，直至孔内无涌水涌砂现象；
⑤ 探查孔内凝固水泥界面深度，循环向孔内灌注高浓度水泥浆液，候凝3~4 d，直至凝固水泥界面上升至孔口；
⑥ 采用小型ZDY-1200S钻机、ø50 mm×1.5 m钻具和ø60 mm钻头钻进至套管底部，完成封孔质量检查。
4 工程应用
将带压顶替注浆封孔技术应用于3个检查钻孔封孔工程，均成功封孔。其中，4号钻孔第一次向孔内注入稀水泥浆，凝固3 d后，孔内仍涌水涌沙。5号和6号钻孔均未发生此现象，封孔环节一致。因此，下文主要介绍4号、5号钻孔封孔工程。钻孔封孔参数见表 3。
表 3 钻孔封孔参数Table 3. Parameters of boreholes sealing钻孔编号 注水次数 注浆次数 单次候凝时间/d 扫孔深度/m 是否成功封孔 4号 2 4 3~4 31.5 是 5号 1 3 22.5 是 6号 1 3 22.5 是 4.1 4号钻孔封孔工程
1) 钻孔注水通孔
打开孔口阀门，孔内涌水涌砂，随之关闭阀门，停待30 min，确保孔内水砂处于平衡状态。利用泥浆泵向孔内注入0.2 m3清水，泵量为118 L/min，水可顺利注入。
2) 低泵量多次循环注浆
利用泥浆泵向孔内注入0.1 m3水泥浆，水灰比为2︰1，候凝3 d后打开阀门孔内仍涌水涌砂。再次利用泥浆泵向孔内注水，水可顺利注入，随之再次注入水泥浆0.1 m3，水灰比为1︰1，候凝4 d，打开阀门后孔内无涌水涌砂，水泥界面位于巷道底板以下10 m。再次注入水泥浆0.1 m3至孔口，水灰比为0.8︰1，候凝3 d后打开阀门孔内无涌水涌砂，水泥界面位于巷道底板以下2 m，继续注入浓浆至孔口，候凝4 d。
3) 小直径钻头检查大孔径钻孔封孔质量
采用ZDY-1200S钻机及配套钻具对4号钻孔扫孔钻进至套管深度31.5 m，孔内无涌水涌砂，封孔质量合格。之后注入高浓度水泥浆，完成封孔。
4.2 5号钻孔封孔工程
1) 钻孔注水通孔
该环节同4号钻孔一致，孔内通畅。
2) 低泵量多次循环注浆
利用泥浆泵向孔内注入0.9 m3水泥浆，水灰比为1︰1，候凝3 d后打开阀门孔内无涌水涌砂，继续延长候凝4 d，打开阀门探查水泥界面位于巷道底板以下11.1 m。再次注入水泥浆0.1 m3，水灰比为1︰1，候凝3 d后打开阀门孔内未出水，水泥界面位于巷道底板以下0.3 m，继续注浓浆至孔口，候凝4 d。
3) 小直径钻头检查大孔径钻孔封孔质量
采用ZDY-1200S钻机及配套钻具对5号钻孔扫孔钻进至套管深度22.5 m，孔内无涌水涌砂，封孔质量合格。之后注入高浓度水泥浆，完成封孔。
上述封孔工程可知先期注浆封孔水泥浆液水灰比宜选取1︰1；延长单次候凝时间有助于提高封孔质量，单次候凝时间宜选取3~4 d，最长可候凝7 d；宜采取低泵量缓慢向孔内注入水泥浆液，确保封孔质量。
5 结论
a. 提出了带压顶替注浆封孔技术，包括钻孔注水通孔技术、低泵量多次循环注浆技术和小直径钻头检查大孔径钻孔封孔质量技术，在3个水砂突涌钻孔封孔工程中取得成功。
b. 煤矿井下延长水泥浆候凝时间，可提高钻孔封孔质量，一般单次需候凝3~4 d。先期注浆封孔水泥浆液水灰比宜选取1︰1。
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期刊类型引用(1)
1. 王晓东，李海东，杨蕾，付滨，陈敬国，王金宽，田煜. 内蒙古二连断陷盆地陡带区地球物理响应及地震采集关键参数研究. 地质与勘探. 2024(03): 530-538 . 
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