1. 引言
煤炭是我国的主要能源。我国95%以上的煤矿为井工开采 [1] [2] ，然而，在煤炭的开采过程中，经常会遇到各种地质问题，带来严重的经济损失和恶劣的社会影响。陷落柱就是煤矿开采过程中经常遇到的一种不良地质构造之一，其对煤矿生产有着不可忽视的影响 [3] [4] [5] 。岩溶陷落柱是埋藏在煤系地层下部的巨厚灰岩岩体，在地下水溶蚀作用下，形成巨大的岩溶空洞。当上覆岩体失去来自空洞顶部的支撑时，由于其自身重力作用而发生崩塌，并填充到溶蚀的空隙中，由于其外形像一柱体，故称岩溶陷落柱。我国岩溶陷落柱多发育于北方石炭二叠系煤田，在山西、河南、陕西、山东、安徽等20多个煤田中，已发现45处陷落柱，总数接近3000个，特别是山西、河北较多，尤其以汾西两岸、太行山两侧煤田为多，例如，在西山矿区，已经发现陷落柱1300多个，密度可达到70个/km²。岩溶陷落柱的这种特殊地质现象的存在，不仅破坏煤层，减少可采储量，而且会影响巷道掘进和煤层开采，是一种很难防治的充水因素。据统计，综采机切割过一个面积30 m × 40 m的陷落柱，损失在千万元左右，如果遇到突水淹井，则造成的单次损失将过亿，这将严重危害着矿井的安全高效生产 [6] 。我国开滦、皖北、徐州等矿区都发生过特大陷落柱突水淹井事故，这些事故造成了重大的经济损失和社会影响，其中开滦范各庄矿突水淹井事故是世界采矿史上最严重的一次淹井事故 [7] 。截止2019年底，中国华北煤田，由于陷落柱突水而导致的淹井事故有20多起，造成了严重的人员伤亡和经济损失 [8] 。鉴于此，在进行煤矿井下开采时，必须提前采取有效的措施来确保矿井安全开采。
目前应用于陷落柱探查治理的技术主要有三维地震勘探技术 [9] [10] [11] [12] 、瞬变电磁技术 [13] [14] [15] 、定向钻进技术 [16] [17] [18] [19] 、注浆加固技术 [20] [21] [22] 等。相较于其它技术，定向分支钻探技术具有施工方便、钻探速度快、钻探效率高、定向精确、探查治理范围大等优势。鉴于此，本文以金桥煤矿的一处岩溶陷落柱为研究对象，探究“定向分支钻探”技术在岩溶陷落柱治理中的应用效果，并对导水通道进行注浆封堵。陷落柱探查与防治流程如图1所示。
Figure 1. Exploration and prevention technical route of collapse column
图1. 陷落柱探查与防治流程 [8]
本研究主要有三个目的，首先在以往工作基础上，利用定向分支钻探方法，进一步探查四采区陷落柱的发育范围，并用水文简易观测和抽水试验，充分分析陷落柱破碎带的赋水性和导水性，其次对陷落柱破碎带及底部周围奥灰含水层进行注浆改造，最后分析定向分支钻探技术在陷落柱治理中的应用效果。
2. 矿区概况
2.1. 矿区地质概况
金桥煤矿隶属于济宁矿业集团有限公司，井田在构造上受北部菏泽支断层、东部嘉祥断层、南部凫山断层所控制，阻水边界或断层导水性弱。井田西部，由于断层作用，使奥灰上升到与煤系同一水平，奥灰水侧向补给煤系各含水层，整个井田为半封闭状态。另外，井田内隐伏3煤顶板砂岩及三灰条带状露头，被Ⅰ含水层直接覆盖其上，形成了3煤顶板砂岩及三灰水的补给来源。根据奥灰地下水水位长期观测的资料，奥灰水位年变化幅度只有0.01~0.81 m，补给途径不良，补给条件差。根据奥陶系石灰岩地下水化学资料，氯离子的含量175.63~629.07 mg/L，钠离子含量407.63~520.70 mg/L，矿化度3.65~4.05 g/L，地下水交替作用缓慢，径流条件差。矿区奥陶系石灰岩地下水由西向东缓慢地流向深部。根据3煤顶板砂岩抽水涌水量参数，可知其补给条件不好。从水化学资料分析，地下水交替作用缓慢，排泄条件差。
总之，由于井田受北、东、南构造控制，地下水形成半封闭状态，加之井田构造复杂，断层导水性差，补给与排泄条件均不良。
2.2. 含水层及水害特点
井田内含水层自上而下依次为：新生界砂砾层孔隙含水层组、基岩风化裂隙含水层，山西组3煤顶板砂岩裂隙含水层，太原组三灰、十下灰岩溶裂隙含水层，中奥陶统石灰岩岩溶裂隙含水层。其中3煤顶、底板砂岩、三灰为开采3煤的直接充水含水层。开采3煤时出水点多发生在裂隙发育区，为巷道揭露出水，水源主要为3煤层顶底板砂岩水和底板三灰水。
2.3. 陷落柱概况
利用三维地震勘探方法和技术，可以对陷落柱的影响区域进行初步确定，从而为钻探定位提供依据。且经证明 [23] [24] [25] [26] ，利用三维地震勘探方法对陷落柱进行探测具有一定的可行性和科学性。地震勘探是以地下岩石的弹性差异作为依据，利用人工方法使地壳产生震动，根据人工激发地震波在地下岩层中的传播路线和时间，探测地下岩层界面的埋藏深度和形状，认识地下地质构造的技术 [27] 。2004年，该矿在四采区进行三维地震勘探时，在采区东部2-1钻孔以南220 m位置处发现一岩溶陷落柱，2005年施工的验1、验2两个验证钻孔证实了陷落柱的存在。四采区三维勘探资料精细化解释了陷落柱面积为6480 m2，长轴长约110 m，短轴长约75 m，陷落柱最上方波及至第三系底界以下，陷落柱的落差约为65~70 m。
3. 钻探技术
为了确保在过陷落柱时的采掘安全，杜绝奥灰水通过陷落柱进入矿井引发水害事故，金桥煤矿通过“定向分支钻探”技术对陷落柱实际发育范围进行进一步的探查，并对导水通道进行注浆封堵。
3.1. 技术原理及特点
防治水技术人员在治理技术选择上，摒弃了传统的地面多孔注浆治理工艺，而是创新性的将石油领域“定向分支钻探”技术应用于陷落柱探查治理中，即在陷落柱地面对应位置施工“丛式”定向分支钻孔，对陷落柱空间发育情况进行精准探查，同时实现对导水裂隙的全面封堵。
3.2. 技术难点及创新点
技术难点为定向钻探过程中的轨迹控制、层位判断、注浆技术参数及注浆效果检验。技术创新点为：① 采用“定向分支钻探”技术，对陷落柱空间发育情况进行精准探查，采用MWD随钻测量设备对钻孔轨迹进行校验，实现钻孔轨迹的可视、可控 [28] ；② 实现“一孔多用”，主孔同时兼做注浆孔，缩短了施工周期，也有效降低了灾害治理成本；③ 定向分支孔采用无固相冲洗液体系，提高泥浆性能测试及维护 [29] ；④ 本次区域治理注浆采用孔口封闭静压前进式分段注浆法，提高注浆效果，能够充分加固陷落柱破碎带岩体。
4. 施工过程
4.1. 钻孔设计及探查过程
工程采用边探查边治理的原则，针对陷落柱穿过的层位进行纵向、横向的精准探查及注浆加固治理，终孔目的层位选择进入奥灰界面以下40 m。共设计、施工1个主孔(Z1孔)及4个定向分支钻孔(Z1-1、Z1-2、Z1-3、Z1-4孔)，累计钻进进尺2478.56 m。钻孔平面布置如图2所示。
Z1主孔为垂直孔，基岩段至终孔取芯钻进，地层正常，未揭露陷落柱，施工后进行了全孔测井及简易水文观测、抽水试验，获得了区域地质及水文地质发育特征。4个分支孔均利用Z1孔三开段进行定向造斜，采用MWD随钻测量设备对钻孔轨迹进行校验，精确控制钻孔轨迹，根据岩屑录井、数字测井资料，综合分析判断钻孔进、出陷落柱位置。各分支孔地质剖面图如图3~6所示。
Figure 2. Construction drilling plane layout
图2. 施工钻孔平面布置图
Figure 3. Geological profile of Z1-1 branch hole
图3. Z1-1分支孔地质剖面图
Figure 4. Geological profile of Z1-2 branch hole
图4. Z1-2分支孔地质剖面图
Figure 5. Geological profile of Z1-3 branch hole
图5. Z1-3分支孔地质剖面图
Figure 6. Geological profile of Z1-4 branch hole
图6. Z1-4分支孔地质剖面图
根据Z1主孔、验1、验2、各分支孔测井资料，对钻孔所揭露的地层进行对比分析，结果如表1所示。
Table 1. Statistics of strata exposed by Z1 main hole, test 1, test 2 and Z1-1 branch hole
表1. Z1主孔、验1、验2、Z1-1分支孔揭露地层概况统计表
综合分析各定向分支钻孔进出陷落柱情况，钻孔进陷落柱位置为煤层底板处陷落柱的西南边界，钻孔出陷落柱位置垂直投影到煤层底板，为煤层底板处陷落柱的东北边界。根据定向分支钻孔进出陷落柱情况，对煤层底板处陷落柱发育范围进行精准修正，陷落柱钻探与三维物探范围的对比如图7所示。根据本次陷落柱的探查结果，分析陷落柱长轴约68 m，短轴约47 m，面积约2550 m2，比原三维地震探勘范围减少了3930 m2。
Figure 7. Comparison of collapse column drilling and three-dimensional geophysical exploration range
图7. 陷落柱钻探与三维物探范围对比图
4.2. 水害防治
目前，用于陷落柱水害防治的方法主要有两种，一种是防隔水煤(岩)留设，另一种是注浆加固/堵水。郑士田等人 [30] 提出，针对导水陷落柱，可以通过向陷落柱及其影响带进行注浆处理，建立人工“堵水塞”的方法，切断陷落柱导水通道的水源。根据设计要求，分别对Z1主孔及各分支孔进行注浆处理，采用单水泥浆液，浆液配比为1:0.4、1:0.3，比重为1.24 g/cm3、1.19 g/cm3，累计注浆量169.80 t，注浆结束时孔口压力均达到设计要求8 MPa以上，对陷落柱十下灰以上破碎带及陷落柱附近的三灰、奥灰含水层进行注浆加固，减轻了水害威胁。
5. 应用效果分析
研究证明，利用定向分支钻探技术对陷落柱进行探查相较于三维地震勘探技术，探查范围减少了3930 m2，实现了对陷落柱探查的精准测量。且经过评估论证，陷落柱的保护煤柱由原来的81 m缩小至31 m，解放了优质煤炭资源47.7万吨，增加了矿井可采资源储量，经计算可新增销售收入6.2亿元。
6. 结论
本文研究了“定向分支钻探”技术在煤矿陷落柱治理中的应用效果，主要的研究结果如下：
(1) “定向分支钻探”技术在金桥煤矿陷落柱探查、治理的成功开展与应用，实现了对陷落柱发育位置及导水情况的精准探查，极大提高了矿井安全开采系数。
(2) “定向分支钻探”技术的应用，将陷落柱的保护煤柱由原来的81 m缩小至31 m，解放优质煤炭资源47.7万吨，增加了矿井可采资源储量，创造了巨大经济效益。
(3) 根据研究结果，提出了一套科学精准的探查技术和超前治理技术，可为同类煤矿开采过程中陷落柱的提前防治提供技术方案支撑，包括钻探工艺、效率，注浆工艺、层位、材料、浆液配比等，具有较强的推广应用价值。
参考文献