構(gòu)造發(fā)育區(qū)薄層灰?guī)r地面定向孔鉆探注漿技術(shù)

孫曉宇，楊 雪，田 樂

(1.煤礦深井建設(shè)技術(shù)國家工程實驗室，北京 100013； 2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

煤礦水害是僅次于瓦斯事故的重要災(zāi)害，隨著煤層開采深度的增加，承壓水害已成為華北型煤田深部開采的嚴(yán)重安全威脅[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，自1955年以來，來自煤系薄層灰?guī)r和基底奧陶系灰?guī)r巖溶水的底板突水事故有2 000余次，其中淹井 220余次，造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)千億元，因水害造成的人員傷亡達(dá)8 000多人[2]。淮北煤田是典型的華北型煤田，同樣面臨著高地應(yīng)力、高水壓情況，中等采深以淺的一些煤層底板防治水經(jīng)驗已不能滿足深部開采的技術(shù)要求，必須轉(zhuǎn)變礦井防治水思路，改變和充實礦井防治水指導(dǎo)技術(shù)原則[3]。隨著鉆探技術(shù)及相關(guān)裝備的不斷發(fā)展，礦井防治水理念、治理思路已發(fā)生了很大轉(zhuǎn)變，煤層底板水害防治已由井下轉(zhuǎn)移到地面、常規(guī)鉆探向定向鉆探發(fā)展，地面定向鉆探技術(shù)與地面注漿技術(shù)結(jié)合創(chuàng)新的煤層底板水害防治技術(shù)將成為主流[4-6]，該技術(shù)克服了以往的重重困難，例如，無法實現(xiàn)高壓注漿、占用巷道掘進(jìn)和工作面回采時間等，提高了施工安全性和施工效率[7]，目前已有多個煤礦采用該技術(shù)對煤層底板灰?guī)r含水層進(jìn)行了探查和治理，并取得了良好的治理效果[8-9]。

1 礦區(qū)概況

1.1 地層

恒源煤礦Ⅱ63采區(qū)中部的Ⅱ634、Ⅱ635工作面走向長1 750 m，傾斜寬360 m，主采煤層為二疊系山西組6煤層，厚度為1.50～5.03 m，平均2.95 m；煤層傾角2°～26°，平均傾角9.1°，屬全區(qū)穩(wěn)定型可采煤層，煤層埋深720～800 m。經(jīng)鉆孔揭露地層有奧陶系(O1+2)、石炭系(C2+3)、二疊系(P)、新近系(N)和第四系(Q)，其中新生界厚度為146.80～217.60 m，平均厚度為172.02 m。地層柱狀如圖1 所示。

圖1 地層柱狀圖

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)地面三維地震勘探資料，Ⅱ63采區(qū)的主要地質(zhì)構(gòu)造為褶曲及斷層，褶曲構(gòu)造為溫莊向斜，斷層40條，其中落差10～20 m的斷層11條，5～10 m的斷層8條，3～5 m的斷層14條，3 m以下的斷點組合斷層7條；Ⅱ634、Ⅱ635工作面橫跨溫莊向斜布置，呈“兩端高、中間低”的形態(tài)，向斜軸部傾角約26°，發(fā)育落差大于3 m的斷層13條，最大落差10 m，地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜。

1.3 水文地質(zhì)

Ⅱ63采區(qū)6煤層底板直接含水層為太原組灰?guī)r巖溶含水層組，灰?guī)r共計12層，累計厚度約130 m，L1～L4灰?guī)r含水層富水性較強，滲透系數(shù)為 1.22～43.50 m/d，6煤層承受太灰含水層組水壓為3.9～5.3 MPa，隔水層厚度平均為46 m，對應(yīng)突水系數(shù)為0.08～0.12 MPa/m，存在較大的突水安全威脅[10]；另外，奧陶系灰?guī)r巖溶含水層與太灰水力聯(lián)系較弱，基本無互補關(guān)系。

2 地面定向孔鉆探注漿治理方案

鑒于Ⅱ634、Ⅱ635工作面地質(zhì)及水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，采用地面定向水平孔鉆探注漿防治水技術(shù)對太原組L3灰?guī)r含水層進(jìn)行超前探查及注漿治理，對承壓水上主采煤層底板隔水層進(jìn)行注漿加固或?qū)⒅苯雍畬痈脑斐筛羲畬樱档途孪锏谰蜻M(jìn)及工作面回采期間水害威脅程度[11-12]。

2.1 鉆探施工方案

2.1.1 鉆孔布置

根據(jù)Ⅱ634、Ⅱ635工作面治理區(qū)域的形態(tài)、構(gòu)造發(fā)育特點及井下已施工的巷道群，特布置3個主孔，其中，Z1主孔設(shè)計11個水平孔，Z2主孔設(shè)計8個水平孔，Z3主孔設(shè)計9個水平孔，共設(shè)計28個水平孔；結(jié)合漿液的擴(kuò)散距離，水平孔孔間距設(shè)計為45～52 m，基本實現(xiàn)治理區(qū)域的全區(qū)覆蓋。鉆孔設(shè)計參數(shù)如表1所示，鉆孔平面布置如圖2所示。

表1 鉆孔設(shè)計參數(shù)

圖2 鉆孔平面布置示意圖

2.1.2 鉆孔軌跡

根據(jù)治理區(qū)域沖積層厚度、L3灰?guī)r含水層埋深及地層產(chǎn)狀，鉆孔軌跡分為直孔段、造斜段及水平孔段，注漿鉆孔經(jīng)過直孔段、造斜段的施工，鉆孔井斜角度由0°變?yōu)?7°～85°，使鉆孔井斜基本與L3灰?guī)r含水層傾角相近，以達(dá)到水平孔在L3灰?guī)r含水層內(nèi)順層鉆進(jìn)的目的，并且為了保證注漿效果，鉆孔軌跡盡量與主要斷層構(gòu)造帶垂直或斜交。

治理區(qū)域各主孔的直孔段約200 m，經(jīng)過710～861 m造斜段的施工，形成水平孔，水平孔段長為205～936 m，由于治理區(qū)域沖積層埋深較淺，沖積層底界至L3灰?guī)r含水層基巖段較厚，為了保證合適的鉆孔曲率，在直孔段進(jìn)入基巖約200 m時開始造斜工作，造斜段造斜率為每30 m 5.54°，并且各主孔靶前距為260～440 m。

2.1.3 鉆孔結(jié)構(gòu)

地面定向水平孔采用3級孔徑、2層套管的三開鉆孔結(jié)構(gòu)，即一開孔段和二開孔段均需下放套管，一開套管將鉆孔與沖積層隔離；二開套管將鉆孔與主要含水層及煤層等隔離，以保證鉆孔的穩(wěn)定及注漿效果；三開為裸孔段，沿L3灰?guī)r含水層順層鉆進(jìn)，并通過注漿加固隔水層及改造含水層。鉆孔結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 鉆孔結(jié)構(gòu)示意

1)一開孔徑311.0 mm，下入?244.5 mm×8.94 mm 套管，進(jìn)入基巖內(nèi)不小于20 m，并用單液水泥漿固管；

2)二開孔徑215.9 mm，下入?177.8 mm×8.05 mm 套管，下至二灰下部海相泥巖底，并用單液水泥漿固管；

3)三開孔徑152.4 mm，沿L3灰?guī)r順層鉆進(jìn)，為裸孔段。

2.2 注漿施工方案

2.2.1 漿液類型

對煤層底板灰?guī)r含水層進(jìn)行超前注漿治理，漿液類型一般為黏土水泥漿及單液水泥漿，Ⅱ634、Ⅱ635工作面采用單液水泥漿，其中水泥采用P.O 32.5/P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；水質(zhì)滿足國家混凝土拌合用水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求[13]。

2.2.2 注漿參數(shù)

1)注漿前提：水平孔鉆進(jìn)過程中，鉆井液無漏失或漏失量較小時，每100 m進(jìn)行1次壓水實驗，通過壓水實驗充分揭露地層裂隙，分為3種情況：①若壓水實驗壓力為0 MPa，壓水量不小于壓水孔段體積；②若壓水實驗有壓力，但壓力較為穩(wěn)定，壓水量不小于壓水孔段體積的1.5倍；③若壓水實驗有壓力，但壓力上升快，壓水量根據(jù)壓力上升情況而定，直至壓力維持穩(wěn)定；鉆井液漏失量大于15 m3/h時提鉆注漿。

2)初始濃度：根據(jù)鉆井液漏失量及壓水實驗情況確定漿液濃度，濃度調(diào)整原則為“稀—濃—稀”，根據(jù)單液水泥漿性能和煤層底板含水層改造目的，采用水灰比為3∶1～0.8∶1漿液，其中構(gòu)造裂隙主要采用水灰比為2∶1～1∶1漿液；溶洞及斷層破碎帶主要采用水灰比為1.4∶1～0.8∶1漿液。注漿過程中，當(dāng)連續(xù)注入300 m3左右，壓力不升或下降時，調(diào)高一個濃度級；壓力上升較快時，調(diào)低一個濃度級；遇到較大裂隙時，應(yīng)采用濃漿大量注漿充填，后期壓力上升后可采用稀漿注漿補充。

3)注漿壓力：注漿壓力要與地層條件、漿液性能及漿液擴(kuò)散距離相適應(yīng)[13]，注漿結(jié)束孔口壓力為10～12 MPa，注漿結(jié)束泵量為40～60 L/min。

3 施工難點及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多砂巖含水層造斜段成孔技術(shù)

造斜段是地面定向孔的重要孔段，不僅要保證水平孔成孔，還要為注漿提供有力保障。各主孔造斜段主要揭露二疊系及石炭系部分太原組地層，其中上統(tǒng)上石盒子組、下統(tǒng)下石盒子組、下統(tǒng)山西組為砂巖、泥巖及煤層互層，不能明顯地劃分含、隔水層，統(tǒng)稱為二疊系煤系砂巖裂隙含水層組。二疊系地層厚度為384.15～707.90 m，平均580.86 m； 各主孔造斜段鉆進(jìn)過程中，鉆井液漏失量均大于93 m3/h，嚴(yán)重影響造斜段的成孔及套管下放。為了克服鉆井液漏失問題，首先采取調(diào)整鉆井液措施，鉆井液技術(shù)參數(shù)：密度1.10～1.25 g/cm3，黏度30～50 s，濾失量小于等于10 mL，塑性黏度4～15 mPa·s，靜切力 2～10 Pa，動塑比0.40；其次引入地面注漿技術(shù)對鉆井液漏失層位進(jìn)行間隙式注漿封堵，單液水泥漿技術(shù)參數(shù)：水灰比1∶1～0.8∶1，添加三乙醇胺(0.05%)及食鹽(0.5%)等添加劑，注漿泵量300～350 L/min，結(jié)束壓力1～2 MPa。

3.2 長距離水平孔鉆進(jìn)技術(shù)

為了實現(xiàn)治理區(qū)域的全區(qū)覆蓋，采用“條帶狀”布孔方式，水平孔側(cè)偏移量高達(dá)180 m、段長達(dá)936 m，為了最大限度地增加水平孔段長度，提高施工效率，需要攻克鉆具組合及鉆井液參數(shù)控制技術(shù)等難題。

1)柔性鉆具鉆進(jìn)技術(shù)

長距離水平孔鉆進(jìn)技術(shù)是在直孔段完鉆的基礎(chǔ)上，以85°～99.85°井斜分支排列多個水平孔，在造斜段及水平孔采用無線隨鉆測斜儀，實時將測量數(shù)據(jù)如井斜、方位、伽瑪值等參數(shù)通過鉆井液傳輸?shù)降孛妫瑢崟r控制鉆井參數(shù)，達(dá)到水平孔定向鉆進(jìn)的目的[14-15]。在Ⅱ634、Ⅱ635工作面采用柔性鉆具組合，如造斜段：?215.9 mm牙輪鉆頭+?172 mm螺桿鉆具+?178 mm無磁鉆鋌(內(nèi)含無線隨鉆測斜儀和 γ探管)+?178 mm普通鉆鋌+?89 mm鉆桿+?89 mm加重鉆桿+?89 mm鉆桿；水平孔段：?152.4 mm牙輪鉆頭+?127 mm螺桿鉆具+?127 mm無磁鉆鋌(內(nèi)含無線隨鉆測斜儀和γ探管)+?127 mm普通鉆鋌+?89 mm鉆桿+?89 mm加重鉆桿+?89 mm鉆桿。為了提升鉆具加壓效果，采取倒裝加壓方式，每鉆進(jìn)150～200 m鉆具短起1次，保證?89 mm加重鉆桿在井斜45°孔段以上。

2)鉆井液參數(shù)控制技術(shù)

Ⅱ634、Ⅱ635工作面地面定向水平孔一開孔段沖積層巖性為黏土、砂質(zhì)黏土、細(xì)粉砂、夾雜著薄層礫石及鈣質(zhì)團(tuán)塊，厚度為146.80～217.60 m；二開孔段地層巖性為砂巖、砂質(zhì)泥巖及煤層互層，厚度為384.15～707.90 m；三開孔段地層巖性主要為L3灰?guī)r。在各孔段鉆進(jìn)之前，根據(jù)鉆孔深度及地層巖性的不同，分別配制不同性能的鉆井液[16]，并進(jìn)行室內(nèi)實驗優(yōu)化；現(xiàn)場3臺鉆井設(shè)備各配置1套鉆井液固控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由振動篩、除砂器、除泥器及離心機等組成，實現(xiàn)了鉆井液自動配制、循環(huán)及凈化，極大地減少了鉆井液固相顆粒，降低了鉆孔內(nèi)壁的摩擦阻力，并且保證了鉆孔施工安全[17]。鉆井液參數(shù)如表2所示。

表2 鉆井液參數(shù)

3.3 薄層灰?guī)r鉆遇率保障技術(shù)

1) L3灰?guī)r含水層探查技術(shù)

太原組上部地層為灰?guī)r、泥巖互層，主要為 L1～L4灰?guī)r含水層及3層砂質(zhì)泥巖夾層，其中 L1～L4灰?guī)r含水層厚度為2.6～10.0 m，砂質(zhì)泥巖夾層厚度為5.6～7.0 m，由于灰?guī)r較薄，并且距離較近，給造斜段套管下放位置(L2灰?guī)r下部泥巖)及治理目的層(L3灰?guī)r)判斷帶來一定的困擾，在造斜段套管下放前，必須把4層灰?guī)r的具體位置關(guān)系分析清楚。首先，在造斜段鉆進(jìn)過程中，認(rèn)真分析對照治理區(qū)域地層柱狀圖，準(zhǔn)確判斷4煤、6煤標(biāo)志層位；其次，在井斜65°～75°孔段處施工 1個探查孔，分析L1～L4灰?guī)r含水層埋深、厚度及相互位置關(guān)系；最后，采用水灰比為1∶1的單液水泥漿封孔至井斜60°～65°孔段，根據(jù)L3灰?guī)r含水層的埋深、厚度優(yōu)化鉆孔軌跡。

2)巖樣錄井技術(shù)

L3灰?guī)r含水層平均厚度為5 m，其上覆、下伏地層均為灰黑色砂質(zhì)泥巖，在水平孔鉆進(jìn)過程中，每鉆進(jìn)1 m撈取1次巖粉，對巖粉顏色、成分進(jìn)行分析，隨時掌握鉆孔的巖層層位，如無斷層孔段巖粉顏色、成分有變化，及時調(diào)整井斜；如遇斷層，分析斷層上盤、下盤具體位置及斷層落差后，對該孔段進(jìn)行注漿處理，達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化設(shè)計鉆孔軌跡，保證水平孔順層鉆進(jìn)。

3)隨鉆自然伽瑪測井技術(shù)

為了更好地控制鉆孔軌跡，采用SMWD-76S(帶γ探管)型泥漿脈沖式無線隨鉆測斜儀[18-19]，不僅可以顯示鉆孔巖層的γ值，而且能隨鉆進(jìn)作業(yè)實時監(jiān)測定向參數(shù)及時調(diào)整定向設(shè)計方案。自然伽瑪探管測井是以巖層的自然放射性為基礎(chǔ)，沿水平孔井眼鉆進(jìn)測量，并記錄伽瑪射線強度，通過泥漿實時傳到地面， L3灰?guī)r含水層自然伽瑪值參考范圍為12～55，鉆進(jìn)過程中將自然伽瑪數(shù)據(jù)及實時巖粉對比分析，提高鉆孔巖層判斷的準(zhǔn)確性，并根據(jù)對比分析結(jié)果及時調(diào)整鉆孔軌跡，保證在目的層鉆進(jìn)。

3.4 長距離水平孔高壓注漿技術(shù)

Ⅱ634、Ⅱ635工作面地面定向水平孔終孔長達(dá)1 956 m，水平孔段長達(dá)936 m，并且鉆孔揭露溶蝕裂隙、構(gòu)造裂隙、斷層破碎帶及陷落柱等可注性各異，為了保證注漿效果[20-21]，將可注性相近的地層分為一段，進(jìn)行分段注漿，可采用前進(jìn)式注漿方式，必要時亦可采用后退式注漿方式。首先對注漿量大、注漿時間長的孔段進(jìn)行間歇式注漿，多次重復(fù)注漿；其次添加水玻璃、三乙醇胺及食鹽等添加劑對漿液性能進(jìn)行改善。若鉆孔揭露地質(zhì)異常體，相鄰兩個分支孔(孔間距40～60 m)鉆井液漏失量大，注漿量大且壓力上升緩慢，則必須在中間布置一個次分支孔進(jìn)行加密注漿，孔間距縮小為20～30 m；次分支孔注漿量仍然較大，壓力上升緩慢，則繼續(xù)加密分支孔，孔間距縮小為10～15 m，這樣才能保證治理區(qū)域的注漿加固堵水效果。

4 現(xiàn)場施工情況

3個主孔采用該工藝，成功克服了構(gòu)造發(fā)育區(qū)域薄層灰?guī)r地面定向分支孔鉆探注漿技術(shù)中的施工難題，完成了多砂巖含水層造斜段成孔及套管下放工作，主孔段長達(dá)1 949 m；完成了長距離水平孔鉆進(jìn)、注漿工作，水平孔段長達(dá)959.54 m，注漿水泥用量達(dá)19 151.25 t；完成了薄層灰?guī)r鉆遇率保障工作，L3灰?guī)r含水層鉆遇率大于90%，甚至高達(dá)100%。鉆探注漿施工技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 鉆探注漿施工技術(shù)參數(shù)

2019年11月14日，恒源煤電集團(tuán)公司完成了恒源煤礦Ⅱ634工作面水文地質(zhì)情況及水害隱患治理效果評價，順層分支孔鉆遇率高達(dá)97.9%，注漿后鉆孔單位吸水率小于0.01 L/(min·m·m)，滿足設(shè)計要求。地面區(qū)域治理后，開展了底板網(wǎng)絡(luò)并行電法、無線電波透視、瞬變電磁探測，并對物探異常區(qū)、大注漿量區(qū)域及L3灰?guī)r含水層水平孔出層區(qū)域進(jìn)行了鉆探驗證，Ⅱ634工作面井下驗證孔共施工104個，鉆探工程量10 914 m，Ⅱ634工作面井下驗證如圖4所示。L3灰?guī)r含水層驗證孔最大出水量5 m3/h，突水系數(shù)降為0.060～0.068 MPa/m，認(rèn)為Ⅱ634工作面可安全回采，并且截至2020年8月26日，該工作面已安全回采近800 m。

圖4 Ⅱ634工作面井下驗證示意圖

5 結(jié)語與展望

1)總結(jié)了構(gòu)造發(fā)育區(qū)薄層灰?guī)r地面定向水平孔鉆探注漿施工關(guān)鍵點，并詳細(xì)闡述了多砂巖含水層造斜段成孔技術(shù)、長距離水平孔鉆進(jìn)技術(shù)、薄層灰?guī)r鉆遇率保障技術(shù)，以及長距離水平孔高壓注漿技術(shù)，為煤層底板含水層探查與治理積累了寶貴經(jīng)驗。

2)實現(xiàn)了巷道邊掘邊探向巷道施工前探查治理的轉(zhuǎn)變、井下向地面探查治理的轉(zhuǎn)變、采面向區(qū)域探查治理的轉(zhuǎn)變，在時間和空間上的有效拓展，不僅有效提升了煤層底板水害治理的安全性，而且極大地提高了煤礦防治水的施工效率及經(jīng)濟(jì)效益。

3)保障了構(gòu)造發(fā)育區(qū)薄層灰?guī)r鉆遇率，增加了鉆孔與目的層的接觸面積，并通過地面定向孔高壓注漿，對治理目的層進(jìn)行“網(wǎng)、羽”狀探注，將其改造為相對隔水層，從根本上消除了煤層底板灰?guī)r含水層災(zāi)害性突水通道，從而科學(xué)地延伸開采下限，實現(xiàn)了下組煤較大規(guī)模及深部煤炭資源安全帶壓開采。

4)下一步將對構(gòu)造發(fā)育區(qū)薄層灰?guī)r漿液擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究，不斷完善鉆孔的布設(shè)方式及鉆孔間距；調(diào)研及研發(fā)水平孔止?jié){裝置，真正意義上實現(xiàn)分段注漿，完善提升水平孔注漿工藝；豐富薄層灰?guī)r探查技術(shù)手段，并解決井下地面的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性及可靠性，為煤層底板防治水技術(shù)的發(fā)展提供有力保障。