地面定向順層鉆孔在采面底板含水層注漿改造中的應用

姚 宇

（山西潞安集團余吾煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046100）

0 引言

以往煤層底板防治水工作開展主要利用井下已有巷道，施工注漿或者排水鉆孔[1]。受到井下空間以及環(huán)境制約，施工安全系數(shù)低、注漿效果差，同時隨著煤炭開采深度增加，受到地質(zhì)構(gòu)造、地層條件等影響更趨明顯，對井下施工安全要求也不斷增加，傳統(tǒng)的井下鉆孔防治水工作開展面臨存在較大制約，如，含水層壓力大時，井下無法施工注漿鉆孔；注漿工作量大時會在一定程度上制約采掘工作開展[2～4]。大型鉆探設備研發(fā)以及鉆探技術的發(fā)展，給在地面施工水平定向長鉆孔進行防治水工作開展提供了新的思路，即在地面開鉆，并通過直孔段、造斜段以及水平段等，實現(xiàn)鉆孔水平鉆進、注漿[5]。

在地面施工順層鉆孔作業(yè)環(huán)境好、不受作業(yè)空間限制，鉆孔施工效率以及施工安全性系數(shù)大幅提升，現(xiàn)階段在河南焦作礦區(qū)、安徽淮北礦區(qū)、河北峰峰礦區(qū)以及邢臺礦區(qū)等都有在地面施工順層鉆孔治理煤層底板含水層案例[6～9]。余吾礦2203回采工作面由于受到DF145正斷層影響，在開采3號煤層時受到底板徐灰以及奧灰承壓水威脅，采用傳統(tǒng)的井下注漿防治水技術措施施工難度大、施工效率低，經(jīng)過技術討論，決定采用地面注漿方式對進行底板進行注漿，確保礦井生產(chǎn)安全。

1 采礦條件概況

1.1 地質(zhì)概況

余吾礦可開采煤層有3號、6號、9號、13號以及15號煤層等，井下2203回采工作面開采3號煤層，該采面位于北采區(qū)，3號煤層埋藏深度在460～520m，煤層厚度在5.02～7.23m，平均5.02m，煤層傾角在2～7°，賦存穩(wěn)定，全區(qū)可采。煤層基本頂為厚約15m左右細-中砂巖，直接底為厚約14m粉砂巖，直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚約5.6m。煤層上覆覆蓋有第四系黃土、砂質(zhì)黏土以及礫石等，厚度在350m～370m。

1.2 水文條件

3號煤層開采時的直接充水含水層是位于頂板上的砂巖裂隙水以及底板的第四層石灰?guī)r弱巖溶裂隙水含水層。巷道掘進頂板有淋水、滴水現(xiàn)象。3號煤層頂板從第四層石灰?guī)r含水層再往下有徐灰、奧灰等承壓含水層。3號煤層底板距離第四層含水層（厚度12m）垂距為64m；距離徐灰含水層（厚度15m）垂距為83m；距離奧灰含水層（厚度150m）垂距為103m，奧灰水水位在+1183m。

由于DF145正斷層（H=36m）影響，2206回采工作面回采巷道掘進期間，曾出現(xiàn)涌水，涌水量在15m3/h，采面正常推進至280m左右時，采面出現(xiàn)涌水，初始涌水量在68m3/h，涌水量較為穩(wěn)定。2206回采工作面回采巷道掘進以及采面開采兩次涌水表明，在DF145斷層附近3號煤層開采受到底板承壓水威脅，在斷層附近采面需要采取針對性措施，保證煤炭開采工作安全。經(jīng)過礦方技術討論，決定采用地面注漿方式對進行對采面底板進行注漿，確保礦井生產(chǎn)安全。

2 地面定向順層鉆孔注漿技術方案

開采的2203回采工作面位于2206采面北側(cè)，受DF145正斷層影響明顯。根據(jù)采面水文地質(zhì)條件，在井下施工注漿鉆孔注漿效率低，存在一定的安全風險，決定在地面施工定向順層鉆孔對煤層底板進行超前預注漿，防治底板承壓水。從地面施工鉆孔對3號煤層底板的第四層石灰?guī)r進行注漿加固，降低弱含水層的富水性、閉封導水裂隙。通過注漿將第四層石灰?guī)r改造成隔水層，并封閉斷層涌水通道，提高3號煤層底板的抗水壓能力，從而確保煤層開采期間的安全。

2.1 鉆孔布置

在地面合適位置布置鉆機，通過施工豎向直孔段以及造斜段，使得豎向鉆孔變成水平鉆孔，沿著設定的巖層層位鉆進。利用地面鉆進環(huán)境優(yōu)勢，并結(jié)合定向鉆進技術，利用豎向直鉆孔施工多個造斜鉆孔及水平分支鉆孔，提高鉆孔利用率。

表1 鉆孔施工參數(shù)

結(jié)合其他礦井地面鉆孔注漿經(jīng)驗[6～9]以及2203回采工作面底板巖層巖性、構(gòu)造、水文地質(zhì)情況，在2203回采工作面西側(cè)施工一個主鉆孔（注1鉆孔），對2203底板進行注漿加固。根據(jù)注漿漿液的擴散半徑，水平分支孔間的間距設定為45m，共鉆進6個水平分支孔，具體的鉆孔布置如圖1所示，各個鉆孔的施工參數(shù)如表1所示。

2.2 鉆孔軌跡

根據(jù)地面注漿設計方案，注漿鉆孔從豎向直孔段經(jīng)過造斜段將鉆孔鉆進角度由90°變成2～5°，從而使得水平鉆進的鉆孔與第四層灰?guī)r傾角接近，從而實現(xiàn)在第四層灰?guī)r內(nèi)鉆進目的。根據(jù)區(qū)域防治水需要以及地層條件等，將注漿鉆孔的豎向直線段長度設計為380m左右，造斜段長度為230m左右，從而實現(xiàn)水平分支鉆孔（1-1孔、1-2孔、1-3孔、1-4孔、1-5孔、1-6孔）施工。施工的水平鉆孔長度在1700m～1900m不等，具體的鉆孔設定鉆進軌跡如圖2所示，在鉆孔具體鉆進過程中，鉆孔軌跡需要根據(jù)實際鉆進情況進行調(diào)整。

圖2 鉆孔軌跡示意圖

2.3 鉆孔結(jié)構(gòu)

根據(jù)其他礦井地面水平鉆孔施工經(jīng)驗，結(jié)合吾余礦地質(zhì)條件，以及地面注漿要求，施工鉆孔結(jié)構(gòu)采用三開式，鉆孔內(nèi)施工2層套管，即:鉆孔的一開及二開段全部下套管。一開段套管主要將鉆孔與表層軟土（黃土）隔離，防止鉆孔塌孔，確保下部鉆孔順利施工；二開段套管從一開段底部下至3號煤層第四層灰?guī)r上部，將鉆孔與含煤地層、松軟巖層隔開，確保灰?guī)r段水平注漿效果；三開為裸孔，不使用套管，沿著第四層灰?guī)r鉆進，具體的鉆孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。鉆孔鉆進采用三開方式，可以確保鉆孔鉆進安全，但是也存在施工難度大，施工周期長的問題。

圖3 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

表2 鉆孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.4 鉆井液

鉆井液對保證鉆孔孔壁穩(wěn)定，保證鉆進速度，防止鉆孔孔內(nèi)事故等方面存在諸多作用。鉆孔的一開段巖性主要為黃土、黏土、砂礫石等，厚度在350m～370m;二開段巖性主要是泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖等互層，厚度在85～95m；三開段巖性主要為灰?guī)r，應根據(jù)鉆進的地層不同采用合理的鉆井液，降低鉆孔摩擦阻力，提高鉆孔的水垂比，具體鉆孔時各段采用的鉆井液參數(shù)如表2所示。

表3 采用的鉆井液參數(shù)

3 應用效果

3.1 鉆進及注漿效果

吾余礦2203回采工作面地面注漿鉆孔經(jīng)過8個月的鉆進，順利完成鉆孔施工。鉆孔鉆進進尺達到10925.3，鉆孔內(nèi)共注入水泥2.01萬t，粉煤灰0.95萬t，鉆孔在第四層灰?guī)r的跟層率達到94.2%，較預期85%高9.2%，施工的地面鉆孔最大限度的揭露第四層灰?guī)r導水構(gòu)造以及巖溶裂隙。鉆孔鉆進時，當鉆井液漏失量較大（大于10m3/h）時，起鉆進行高壓注漿，注漿壓力控制在8MPa以上。

通過對鉆孔的注漿發(fā)現(xiàn)，注漿壓力在4MPa以下以及在4MPa～8MPa間時，鉆孔的注漿量大，可占到鉆孔總注漿量的75%以上，主要是由于注漿壓力在4MPa以下時是注漿漿液處于擴散階段；注漿壓力在4MPa～8MPa時，處于對灰?guī)r的劈裂注漿階段。具體的不同注漿壓力段的注漿量占比如圖4所示。

3.2 效果驗證

1）物探驗證。在地面鉆孔注漿完畢之后，采用音頻電透視法對2203回采工作面底板注漿效果進行探測分析，結(jié)果表明2203回采工作面底板視電導率分布較為均衡，在底板距離3號煤層35m～47m范圍內(nèi)，視電導率值偏低，該層位正是第四層灰?guī)r位置，表明地面注漿對第四層灰?guī)r改造效果明顯。

2）鉆探驗證。在2203采面臨近的巷道內(nèi)施工6個檢驗鉆孔，其中在斷層構(gòu)造帶附近有2個鉆孔有水涌出，涌水量值分別為0.17m3/h，0.08m3/h，從檢驗鉆孔施工及涌水量綜合分析，采用對地面順層鉆孔注漿對第四層灰?guī)r改造效果明顯，可以起到較好的隔水效果。

3）采掘驗證。在井下經(jīng)過物探及鉆探驗證后，開始施工2203工作面回采巷道，巷道掘進過程中未出現(xiàn)涌水顯現(xiàn)。在2203工作面回采期間也未出現(xiàn)涌水，實現(xiàn)了采面的安全生產(chǎn)。相對于臨近的2206回采工作面68m3/h涌水量，經(jīng)過地面順層鉆孔底板注漿后，工2203工作面防治水效果明顯。

4 總結(jié)

1）采用地面順層鉆孔對底板含水層進行預注漿，將井下防治水工作轉(zhuǎn)移至地面，工作環(huán)境以及安全系數(shù)都得到大幅度提升，避免了井下防治水注漿過程中存在的不安全因素；

2）地面鉆孔對3號煤層第四層灰?guī)r注漿治理結(jié)果表明，地面順層注漿鉆孔可以實現(xiàn)對灰?guī)r的有效改造；

3）在對注漿治理區(qū)域采用物探、鉆探以及采掘等方式進行驗證，結(jié)果表明，采用地面順層鉆孔成功的將導水斷層進行封堵、對含有溶巖裂隙水的第四層灰?guī)r含水層改造成隔水層，消除了徐灰水以及奧灰水對2203回采工作面開采威脅，應用效果明顯。