基于定向水平鉆進技術的構造精準探查

李 瑩，曹偉康

（1.冀中能源峰峰集團有限公司 辛安礦，河北 邯鄲056200；2.山西古縣老母坡煤業有限公司，山西 臨汾041000）

1 礦井概況

辛安礦隸屬冀中能源峰峰集團有限公司，原名黃沙礦，由黃沙區和辛安區組成。2013年因礦井資源接近枯竭，經政府批準破產重組，更名為冀中能源峰峰集團有限公司辛安礦。重組后井田范圍保持不變，礦區面積15.280 7 km2；批準開采煤層為2、6、7、8、9號煤層，開采方式為地下開采，開采煤層標高+230—-950 m。目前，礦井主采煤層為2號煤，2014年礦井核定生產能力為150萬t/a。礦井地質類型、水文地質類型均為復雜型，礦井涌水量在30～34 m3/min，屬大水礦井，防治水工作難度較大。

2 -500北翼地區概況

辛安礦-500水平北翼地區（以下簡稱-500北翼）位于以礦井東部井田邊界F1和F55大斷層為主干的“帚狀”構造收斂部，區內大中型斷層極為發育，根據勘查資料顯示，區內2號煤層埋深大、斷裂構造發育、煤巖層受強烈擠壓十分破碎，地層扭曲變形嚴重，且區內山伏青、大青水可能通過各大中型斷層及其交接部位獲得奧灰水的側向和垂向補給。2015年經地面專項補勘，區內地質條件得到基本控制，新增2條落差25 m以上的斷層（F41-1、F42-1），且原有斷層走向長度增加，區內構造情況更趨復雜。為確保區內煤層安全開采，選擇-500北翼地區作為此次工程的試驗地區，提高-500北翼地區構造及水文地質條件探查精度，并采取針對性防治水措施。

3 -500北翼探查工程主要研究內容

3.1 主要研究、試驗內容

目前，經過峰峰集團近幾年研究和實踐，地面定向水平鉆進技術試驗效果顯著，在目的層內鉆遇高，注漿效果好。該項目選擇大青薄層灰巖作為探查研究目的層進行工程施工，利用水平定向鉆孔在探查目的層內的鉆遇情況，通過孔口返出巖屑對地層進行辨別，從而達到判別構造的發育情況。

辛安礦通過礦井已有勘探資料，通過多方分析論證，選擇-500北翼地區作為此次工程的試驗地區，選擇大青灰巖作為探查治理目的層，通過鉆孔在大青灰巖的鉆遇情況，分析鉆遇的地質構造。工程設計施工3個主孔，多水平分支孔及次級分支孔，線、網狀對區域內大青灰巖構造及水文地質條件進行全面探查、治理，有效探明開采煤層底板構造發育情況，并采取針對性防治水措施，確保區內煤層安全開采。

3.2 目 標

對煤層下伏大青薄層灰巖含水層地質構造條件及水文地質條件進行精準探查，提高區內地質、水文地質條件探查精度，并通過探查鉆孔進行預注漿加固、治理。在工程施工過程中對已進行過探查治理的區域進行安全開采階段評價，同時通過鉆探及物探手段，確認探查治理效果及技術的可行性研究，最終解放采區煤層儲量，實現區內煤層的安全開采。

3.3 技術關鍵

鉆孔按設計曲線軌跡準確鉆進至目標層位并在目標層位長距離鉆進是定向水平鉆進的關鍵步驟，只有保證鉆孔在目的層內的高鉆遇率才能通過鉆遇地層情況有效的對地質構造進行精準辨別。

4 探查治理目的層選擇

辛安礦奧灰位于地下水強徑流帶，富水性極強，礦井2010和2011年連續2 a年發生奧灰突水事故，最大突水量400 m3/min，另外，辛安礦地質類型為極復雜型，構造發育且新區控制程度低，選擇奧灰頂部作為治理目的層不僅構造無法判別，且注漿量大，無法達到治理的效果，因此選擇奧灰頂部作為區域治理目的層不符合礦井實際情況。

選取奧灰頂部為目的層：奧陶系灰巖屬巨厚層，無界，在奧灰中施工鉆孔，鉆孔始終在灰巖范圍內，層位判別困難，另外，奧灰富水性存在各向異性，注漿漿液控制難度大，注漿量過大增加成本。

選取薄層灰巖為目的層：薄層灰巖厚度小，上下標志層較多，斷層、隱伏構造容易進行判斷，注漿漿液擴散容易控制，注漿量小，能滿足工作面開采的安全技術條件。

5 -500北翼地區探查方案設計

該試驗設計主孔3個，編號注3、注4、注5，定向分支孔30個，按水平間距40 m，東西向平行布置，自南向北依次編號為注3-1～注3-12；注4-1～注4-16；注5-1、注5-2。對覆蓋范圍內2號煤層底板大青含水層構造及水文地質條件進行全面探查、治理。

6 工程探查成果

（1）辛安礦北翼地面區域治理勘探工程注3、注4孔設計30個水平分支，設計鉆探工程量37 086 m，實際自2017年4月10日開工，2019年12月21日完成鉆探施工任務。歷時986 d。共完成2個主孔段，7個造斜段，28個水平分支孔，完成鉆探工程量39 504.92 m，包括主孔段319.01 m，造斜段4 827.66 m，水平段34 358.25 m。實際完成工程量比設計增加了2 418.92 m，增加原因為新探查f1、f2、f3、f4、f5等斷層，及增加奧陶系灰巖頂界面探查孔需要增加工程量，查明斷層落差后重新側鉆鉆進。各分支鉆孔方位、傾角、孔深、探測層位、入窗及靶點均達到設計要求。

（2）該工程水平分支成平行條帶狀或羽狀分布，3-0、3-1、3-2、3-3分支間距60 m左右；3-4及后續水平分支間距40 m左右，所有分支嚴格按照設計軌跡進行施工，定向軌跡偏差均小于±5 m，關鍵點偏差小于±3 m，滿足設計要求。

（3）該工程鉆進過程中累計共注水泥44 621.33 t，包括漏失注漿水泥44 424.32 t，封孔注漿水泥197.01 t。注漿壓力10～15 MPa，注漿后掃至原孔深進行了壓水試驗，計算透水率小于0.01 L/min.m.m，繼續鉆進過程中在注漿位置附近未發生漏失，注漿質量合格。

（4）水平分支大青灰巖鉆遇率為80%～97%，均大于80%，達到設計要求。

（5）施工過程中根據收集的地質資料建立了大青灰巖伽馬值范圍（大青灰巖頂板砂質泥巖100～130 API、大青灰巖<40API、大青灰巖底含炭質灰巖100 API左右、大青灰巖底板8號煤80～100 API）、鉆時變化以及地層巖性穩定性，摸清了大青灰巖及其頂底板地層地質情況。

（6）水平分支施工過程中，結合巖粉、伽馬、鉆時綜合分析，多次鉆遇斷層，經對地層分析比對，進一步提高了對F37、F38、F39、F40、F41、F42、F44、F55-1等斷層的控制程度。新增大青灰巖段6條，分別為f1、f2、f3、f4、f5、f6。注3孔各分支孔f2斷層以西揭露大青層位地層較為穩定，f2斷層以東各孔均揭露多條落差大于10米的隱伏斷層，斷層在大青層位附近發育。受斷層組影響，地層連續性遭到破壞。可為后期工作面開采提供依據。

（7）各分支孔在水平段施工過程中共進行壓水試驗93次，非漏失段計算透水率均小于0.01 L/min.m.m。部分區域大青灰巖巖溶裂隙發育，施工過程中發生循環液失返現象，測量大青灰巖含水層水位為115.6～-156.75 m，奧灰含水層近3年最高水位+126.1 m，說明大青灰巖含水層裂隙局部發育，且與下伏奧灰含水層存在一定水力聯系部分分支孔施工至過f5、f6斷層后，出現循環液漏失現象，水位為+121.95～+126.1 m，受構造影響，大青灰巖與奧陶系灰巖存在水力聯系。

（8）截至2020年4月1日，-500北 翼212-1煤柱工作面已施工完成井下大青區域治理效果檢驗孔6個，結合采區內及周邊已有大青觀測孔資料，大青水位由-50 m降為-270 m，治理前大青單孔涌水量20～150 m3/h，治理后單孔涌水量均小于3 m3/h。

（9）綜上所述，通過區域探查治理后，切斷了大青灰巖含水層與下伏奧灰含水層的水力聯系，將底板大青灰巖含水層改造為相對隔水層，進一步增強了2號煤層底板巖層的完整性，使煤層開采安全系數增加，達到了區域治理目的。

7 技術創新

（1）避免了井下施工鉆孔的危險性，避免淹頭、淹面情況發生。

（2）將礦井構造探查由單點控制升級為線、網狀控制，可有效提高礦井構造探查精度。

（3）該技術僅需施工1個主孔，通過施工多水平分支孔實現構造的精準探查。

（4）簡化施工工序，少下套管減少單孔施工所需的等凝時間

（5）省卻地面物探技術探查需求。

（6）可通過探查鉆孔對含水層進行注漿改造、對隔水層進行加固，提高煤層開采安全系數。

8 結 語

利用定向水平鉆進技術精準探查礦井地質構造研究經過辛安礦-500北翼地區的實踐應用，證明該技術成熟度高，成功率大，設計簡單、實施簡便、適用范圍廣泛、效果良好，所總結出來的各項技術參數、經驗等，對于地質、水文地質條件復雜的地區及與辛安礦相似的礦井實施精準構造探查提供了很好的參考借鑒。