地面定向鉆進技術在導水斷層治理中的技術研究與應用

王今朝 ，曹 棟

（1.冀中能源股份有限公司 郭二莊礦，河北 邯鄲 056300；2.冀中能源邯鄲礦業集團，河北 邯鄲 056008）

1 概 況

煤礦帶壓開采煤層中承壓水的防治是礦井防治工作的重點。隨著煤炭資源日益枯竭，煤層開采由簡單逐漸趨于復雜，解放受水害威脅煤層，增加礦井可采儲量，成為延續礦井壽命的重要手段。煤礦水害治理地面定向鉆進技術是將石油系統先進的水平定向鉆進技術運用到煤礦的水害防治中，在奧陶系灰巖中進行水平鉆進，突破了傳統的“以點帶面”的防治水技術，通過水平分支孔隨巖層傾角在灰巖內鉆進，能夠超前探查并治理隱伏地質構造，封堵奧灰水導水通道，截堵水源，堵塞煤層底板導水裂隙，改變局部被注漿加固改造的含水層的富水性，變強含水層為弱含水層或隔水層，實現源頭治理。尤其在已知存在導水構造，例如斷層、陷落柱、封閉不良鉆孔等的治理方面尤為重要，能夠做到精準定位、有目的性的治理。

郭二莊礦二坑主采煤層為9 號煤，生產標高在-100 m 以淺，主要受奧灰含水層水害威脅，奧灰含水層為本區最強含水層，近3 a 最高水位+23 m，屬于帶壓開采。29207 工作面位于郭二莊礦二采區南翼下部，為南翼第4 個回采工作面。該面東部為二采南翼深部地區（待采區），北至二采南翼回風上山，南部連接29207 聯巷通往-100 大巷，西臨原二采南翼29205 回采工作面，回采標高范圍-97.6—-44.8 m。

9 號煤層底板主要含水層為奧陶系石灰巖含水層，該含水層頂板上距9 號煤層底板垂距一般14.8～36.04 m，平均隔水層厚度約為26.08 m。對9 號煤層開采有影響的主要是奧灰含水層八段、七段。奧灰八段30 m 左右，白云質角礫狀灰巖，富水性弱至中等，頂部發育風化殼時可視為為相對隔水層。奧灰七段66.0～113.0 m，平均約85.0 m，厚層狀花斑灰巖和純灰巖，富水性強，不均一，在平面上有各向異性的特點，沿構造線走向的地下水縱向流動，空間上隨著埋深的增加，富水性逐步減弱。目前生產地區即二采區在郭二莊井田奧灰水文地質分區中屬于水文地質條件中等區，單位涌水量一般小于1.0 L/s·m，徑流及富水性相對較弱。奧灰水位一般在6 月份最低，11 月份最高，年變化幅度枯水年5 m 左右，平水年10～20 m 左右，豐水年20～30 m，總體奧灰水位在下降，目前奧灰水位+14 m，近三年最高水位為 +23 m（2016 年 12 月）。

礦井-100 運輸大巷開拓時巷道揭露2 條導水斷層，即 F292-2 和 F292-3 斷層。F292-2 斷層H=15～20 m，∠=40°；F292-3 斷層H=5～10 m，∠=40°。-100 大巷在掘進至斷層位置時巷道出現涌水，最大涌水量約66.7 m3/h，最小約5 m3/h，平均40 m3/h，說明該斷層為導水斷層。而這2 條斷層預計延伸至29207 工作面以西深部區域。如果29207 工作面直接開采，將會存在奧灰含水層水突水風險。

為保證29207 工作面安全回采，設計采用地面定向鉆進技術，對該斷層導水裂隙帶進行地面注漿改造加固，封堵導水通道，消除底板奧灰含水層突水風險。

2 性質用途及成果的適用范圍

該項工程主要分為鉆孔施工和注漿，完成對目標層位的注漿改造。鉆孔施工如圖1 和圖2 所示。

圖1 鉆孔施工立體圖Fig.1 Stereogram of drilling

圖2 鉆孔施工過程Fig.2 Drilling process

郭二莊礦二坑29207 工作面東部為F292-2 和F292-3 斷層，由于斷層落差較大，煤層底板隔水層厚度較薄，可能存在斷層導通奧灰含水層導致底板突水的風險。通過工程實施，可有效封堵裂隙導水通道，減小底板奧灰突水風險，保證作業安全。

該項成果適用于開采煤層附近存在導（含） 水斷層、陷落柱等導水構造時，地面定向鉆進技術對其進行注漿加固改造，改變其導（含） 水性，從而消除水患，保障礦井正常生產。

3 創新點及解決問題的辦法

（1） 施工多分支孔穿過斷層交點正中，控制斷層發育空間位置，結合鉆孔漏失定量分析斷層帶裂隙發育程度，為注漿孔位及注漿量設計提供依據。

（2） 設計水平孔與斷層斜交，交點間距不大于分支孔設計間距，確保水泥漿液沿斷層帶裂隙充分擴散，保證注漿治理效果。

（3） 地面定向分支孔施工采取順序施工、依次注漿的原則，即確保單次注漿充分起壓，保證漿液擴散范圍，同時借助下組分支孔檢驗注漿治理效果。

（4） 地面注漿比井下注漿壓力大，能有效克服奧灰水頭壓力，有利于提高水泥漿的擴散半徑，封堵巖層中的微小導水裂隙，提高巖層隔水性能，保證礦井安全生產。

4 實施情況及實施效果

4.1 施工設計

治理斷層共設計5 個分支孔，分別為注1-M8-1 孔、注 1-M8-2 井、注 1-M8-3 井、注1-M8-4、注1-M8-5，具體見表1。分支孔都是在原注1-M8 孔的水平段基礎上開始側鉆施工，全部采用φ152.4 mmPDC 鉆頭/ 三牙輪鉆頭水平段鉆進。鉆進層位為奧陶系灰巖頂部25 m，施工設計如圖3 所示。

表1 治理斷層構造分支孔設計工程量Table 1 Engineering quantity of branch hole design of fault structure

圖3 治理斷層構造分支孔布置平面Fig.3 The branch hole layout plan of the governing fault structure

4.2 施工情況

注1-M8-1 孔：于2018 年7 月5 日開始施工，2018 年7 月16 日結束；注1-M8-1 井三開水平進尺383.00 m（910.00～1 293.00 m），奧灰封孔共注水泥 165.00 t。

注 1-M8-2 孔：于 2018 年 7 月 20 日開始施工，2018 年8 月16 日結束；注1M8-2 井三開完成水平進尺376.00 m（860.00～1 236.00 m），奧灰注漿及封孔共注水泥2 145.00 t。在鉆進過程中遇到2 個漏失點，按先后順序分別編號為注M8-2-①、注M8-2-②。

注 1-M8-3：于 2018 年 8 月 23 日開始施工，2018 年9 月14 日結束；注1M8-3 井三開完成水平進尺384.0 m（790.00～1 174.00 m），奧灰注漿及封孔共注水泥867.00 t。在鉆進過程中遇到1 個漏失點，漏失點在井深1083.95 m，終孔漏失量為20 m3/h，編號為注M8-3-①。

注 1-M8-4：于 2018 年 9 月 17 日開始施工，2018 年9 月27 日結束；注1-M8-4 井三開完成水平進尺368.00 m（750.00～1118.00 m），奧灰注漿封孔共注水泥1 184.00 t。在鉆進過程中遇到1 個漏失點，漏失點在井深943.64 m，終孔漏失量為30 m3/h，編號為注M8-4-①。

注 1-M8-5：于 2018 年 9 月 30 日開始施工，2018 年10 月11 日結束；注1-M8-5 井三開完成水平進尺624.00 m（350.00～974.00 m），奧灰注漿及封孔共注水泥197.00 t。

漏失點注漿具體情況見表2。

表2 漏失點注漿統計Table 2 Statistics of leakage point grouting

4.3 注漿效果檢驗

治理結束后，為了驗證F292-2 斷層治理效果進行驗證工程。

4.3.1 井下驗證孔施工

在29207 運巷共設計5 個驗證孔檢驗注漿治理效果，設計位置如圖3 所示。驗證孔組于2019年 7 月 4 日開始施工，2019 年 7 月 29 日竣工驗收，驗證孔施工質量全部合格，符合《煤礦帶壓開采地面區域治理技術管理規范（試行）》，成果見表3。

表3 井下驗證孔施工成果Table 3 Underground verification hole construction results

4.3.2 井下綜合物探

利用3 種方法對工作面進行井下綜合物探，再針對物探異常區及斷層施工了驗證孔進行驗證，結果表明治理效果良好。因此，通過定向鉆進結合注漿工程有效地封堵了奧灰頂界面下25 m 層位的巖溶裂隙及斷層等（導） 含水構造，避免了奧灰突水威脅，保證安全回采。

4.3.3 回采過程中水文資料收集

29207 工作面已經回采結束，在工作面回采過程中未出現奧灰出水現象，僅存在少量的本溪層位出水，說明了通過地面定向鉆進及注漿技術，對原本導水斷層成功進行了注漿封堵治理，效果明顯。

5 結 語

通過地面定向鉆進技術對郭二莊礦二坑29207工作面導水斷層的治理，有效加固改造了導水斷層構造，封堵裂隙導水通道，提升地面區域治理實際效果，減少采掘過程中奧灰突水的風險，保障采掘作業安全。該項技術可解放受導水斷層構造等突水威脅的煤炭資源，提高煤炭回收率，減少資源浪費。方案實施后確保了29207 工作面安全生產。