定向鉆進(jìn)技術(shù)在千米深井水害防治中的應(yīng)用

張曉明 王 凱

（臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)處，山東 臨沂 276017）

水害是我國(guó)煤礦的五大災(zāi)害之一，極大威脅著煤礦的安全生產(chǎn)工作。近年來(lái)隨礦井開采深度日趨增大，資源賦存條件越來(lái)越復(fù)雜，礦井水害呈現(xiàn)高頻率、強(qiáng)危害特征。山東能源臨礦集團(tuán)王樓煤礦屬大水礦井，2013年礦井三采區(qū)13301工作面回采通過(guò)斜穿工作面的斷層組后，出現(xiàn)斷層組滯后出水，水量最大達(dá)900m3/h，一度造成工作面被迫停產(chǎn)。針對(duì)王樓煤礦13301工作面斷層組活化導(dǎo)水治理難題，采用千米定向鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)斷層組進(jìn)行注漿加固，封堵導(dǎo)水通道，降低礦井開采成本，為類似礦井?dāng)鄬铀χ卫硖峁┙梃b。

1 概況

王樓煤礦位于濟(jì)寧煤田的南部，行政區(qū)劃屬于山東省濟(jì)寧市任城區(qū)。礦井采用立井單水平開拓，開采水平-680m，主采山西組3上煤層，采深700～1200m。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.9Mt/a，核定生產(chǎn)能力1.2Mt/a。

王樓煤礦13301工作面是三采區(qū)的第一個(gè)綜采工作面，走向長(zhǎng)約1160m，傾斜寬160m，埋深900～960m，煤層平均厚度2.15m，傾角5～12°。工作面內(nèi)，距切眼約220m左右發(fā)育一組密集正斷層（F21、F22、F23），該斷層組斜穿工作面，走向長(zhǎng)約400m，與3煤斷煤交線總寬度約140m，斷層最大落差約17m。工作面推采揭露、通過(guò)斷層組時(shí)并未出現(xiàn)涌水迅速增加現(xiàn)象，但當(dāng)回采工作面通過(guò)斷層組560m時(shí)，工作面涌水量由130m3/h快速增加至900m3/h，造成工作面被迫停產(chǎn)，礦井排水費(fèi)用增加，開采成本增長(zhǎng)。工作面平面示意圖見(jiàn)圖1。

2 定向鉆進(jìn)技術(shù)的提出

定向鉆進(jìn)技術(shù)是指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律或采用人工造斜工具使鉆孔按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行延伸鉆達(dá)預(yù)定目標(biāo)層位的一種鉆探方法。

以往的防治水工程中常使用地面立孔注漿，加固封堵涌水通道。普通的立孔注漿與目的層接觸為一個(gè)點(diǎn)，漿液擴(kuò)散半徑有限，施工鉆孔多，加固封堵區(qū)域小，費(fèi)用高，效率低。如果采用定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行前進(jìn)式注漿，定向鉆孔與目的層接觸為一條線，注漿輻射成一個(gè)面，只需布置少數(shù)幾個(gè)定向鉆孔就可以對(duì)斷層進(jìn)行全面加固封堵，工程量少且效率上大大提高。

鑒于定向鉆孔上述優(yōu)勢(shì)，王樓煤礦提出將定向鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于13301工作面斷層組的注漿加固封堵工程中。

圖1 13301工作面平面圖及鉆孔設(shè)計(jì)圖

3 定向鉆孔設(shè)計(jì)施工

3.1 施工目的

13301工作面涌水的主要充水水源為煤層頂板砂巖水和侏羅系水，充水通道為斷層組活化導(dǎo)水。根據(jù)充水水源及充水通道的分析，通過(guò)地面定向水平鉆孔及水平分支鉆孔在13301工作面斷層組上部對(duì)應(yīng)的石盒子組和侏羅系地層內(nèi)進(jìn)行通道探查治理，封堵充水通道，將該層段形成一個(gè)有效的阻水層，降低工作面及礦井涌水量，減小排水費(fèi)用及礦井開采成本，保障生產(chǎn)安全。

3.2 鉆孔設(shè)計(jì)

本次工程設(shè)計(jì)1個(gè)主孔和3個(gè)分支孔，平面布置圖見(jiàn)圖1。設(shè)計(jì)注漿層位在3上煤層頂板之上85～110m 左右。

3.3 鉆孔結(jié)構(gòu)及施工工藝

（1）鉆孔結(jié)構(gòu)

鉆孔采用三級(jí)孔徑：

一開：孔深0～300.00m，孔徑Φ311mm，下入Φ244.5×8.94mm石油套管，其套管與孔壁間環(huán)狀間隙用42.5#水泥全封閉；

二開：孔深300.00m～煤層頂板以上80.00m，孔徑Φ216mm，該段下入Φ177.8×9.19mm石油套管，并與上部套管重疊50m，其套管與孔壁間環(huán)狀間隙用42.5#水泥全封閉；

三開：煤層頂板以上80.00m至設(shè)計(jì)深度，孔徑Φ132mm，裸孔。鉆孔結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

（2）施工工藝

地面定向鉆孔施工時(shí)，首先采用螺旋鉆桿常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝施工大傾角下斜鉆孔至設(shè)計(jì)層位，下入孔口套管并試壓合格；然后使用螺旋鉆桿隨鉆測(cè)量定向技術(shù)進(jìn)行造斜施工，鉆孔軌跡的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量和控制使鉆孔按設(shè)計(jì)軌跡在欲加固層鉆進(jìn)延伸，待成孔后進(jìn)行前進(jìn)式注漿形成人工隔水層[1]。定向鉆施工流程圖如圖3。

圖3 定向鉆孔工藝流程圖

3.4 注漿參數(shù)

（1）注漿壓力

注漿壓力的控制是注漿的關(guān)鍵。當(dāng)注漿壓力較小時(shí)，漿液的擴(kuò)散半徑及擴(kuò)散范圍有限，造成注漿效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；當(dāng)注漿壓力過(guò)大時(shí)，造成漿液擴(kuò)散半徑過(guò)大、漿液浪費(fèi)現(xiàn)象。因此，注漿壓力的控制在注漿加固效果上起到至關(guān)重要的作用。允許注漿壓力根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

Pa=βρgT+Ckαh[2]

式中：

Pa-允許注漿壓力，kPa；

β-系數(shù)，在1～3之間；

ρ-注漿段以上巖土層的密度，t/m3；

g-漿液比重；

T—地基覆蓋厚度，m；

C-與注漿次序有關(guān)；

k-與注漿方式有關(guān)，前進(jìn)式注漿k=0.8，后退式注漿k=0.6；

α-與地層性質(zhì)有關(guān)，結(jié)構(gòu)疏松且滲透性強(qiáng)的地層取0.5，結(jié)構(gòu)緊密且滲透性弱的地層取10；

h-注漿段深度，m。

（2）注漿材料

注漿材料選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥、水玻璃。漿液類型采用單液漿及雙液漿聯(lián)合注漿堵水。雙液漿根據(jù)巖層吸漿量、漿液漏失大小，現(xiàn)場(chǎng)確定水玻璃的加入量；單液漿密度一般控制在1.2～1.6g/ml。

（3）擴(kuò)散半徑

注漿擴(kuò)散半徑可根據(jù)劉嘉材[3]公式計(jì)算。

劉嘉材公式：

式中：

R-擴(kuò)散半徑，cm；

Pc-注漿壓力，kPa；

po-地下水壓力，kPa；

t-注漿時(shí)間，s；

δ-裂縫寬度，cm；

u- 漿液黏度，mPa·s；

rc-注漿孔半徑，cm。

（4）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

注漿壓力應(yīng)不小于受注含水層最大靜水壓力6MPa。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后，應(yīng)逐次換擋降低泵量，直至泵量達(dá)到10L/min，并維持30min。之后進(jìn)行壓水試驗(yàn)（試驗(yàn)壓力為結(jié)束壓力的80%），測(cè)得單位吸水率q不得大于0.01L/min.m。只有同時(shí)滿足以上兩個(gè)條件的情況下，才能認(rèn)為受注段達(dá)到了注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，可以停止注漿。

4 定向鉆孔優(yōu)勢(shì)及不足

4.1 優(yōu)勢(shì)

（1）定向鉆進(jìn)技術(shù)在13301工作面斷層組治理過(guò)程中，可精確控制注漿層位，有效封堵了充水通道，使工作面涌水量減小250m3/h，降低了礦井排水費(fèi)用和開采成本。

（2）較以往普通立孔注漿技術(shù)，地面定向鉆孔前進(jìn)式注漿具有開孔點(diǎn)少、一孔多方位探測(cè)、無(wú)效進(jìn)尺少、目標(biāo)點(diǎn)準(zhǔn)確、注漿輻射范圍廣、效率高，綜合成本低等優(yōu)勢(shì)[4]。

4.2 不足

（1）鉆進(jìn)時(shí)鉆桿不旋轉(zhuǎn)，螺桿電動(dòng)機(jī)扭矩小，對(duì)地層適應(yīng)能力差，如遇縮徑泥巖、易塌孔泥巖，容易發(fā)生孔內(nèi)事故；

（2）鉆進(jìn)期間采用前進(jìn)式注漿，單孔施工周期長(zhǎng)，原孔內(nèi)狀況易發(fā)生變化，增大了孔內(nèi)事故發(fā)生概率。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)定向鉆孔注漿進(jìn)一步驗(yàn)證了13301工作面的充水機(jī)理為斷層組活化導(dǎo)水，充水水源為煤層上覆砂巖水及侏羅系砂礫巖水，充水通道為斷層導(dǎo)水。

（2）通過(guò)定向鉆孔注漿有效地封堵了13301工作面導(dǎo)水通道及集中出水點(diǎn)，工作面涌水量由600m3/h減小至350m3/h，堵水效果明顯。

（3）定向鉆孔注漿在斷層導(dǎo)水、裂隙帶導(dǎo)水、巖溶陷落柱導(dǎo)水等水害治理方面亦可應(yīng)用。