探討定向分支鉆孔在特大動(dòng)水注漿堵水工程中的應(yīng)用

江波

摘要：煤礦采區(qū)地質(zhì)存在水量高、壓力大等特點(diǎn)時(shí)，采礦過(guò)程中極易出現(xiàn)突水事故。一般涉及到特殊水文地質(zhì)條件，會(huì)采取動(dòng)水注漿堵水工程對(duì)含水層進(jìn)行治理。本文主要分析定向分支鉆孔在特大動(dòng)水注漿堵水工程中的應(yīng)用，結(jié)合具體案例，分析定向分支鉆孔的技術(shù)要點(diǎn)和應(yīng)用方案，提高特大動(dòng)水注漿堵水工程施工有效性，確保煤礦生產(chǎn)安全。

Abstract： When the geological conditions of coal mining areas are characterized by high water volume and high pressure， water inrush accidents are highly prone to occur in the mining process. Generally， it involves special hydrogeological conditions， and the aquifer will be treated by the hydrodynamic grouting and water blocking project. This paper mainly analyzes the application of directional branch hole in the special hydrodynamic grouting and water blocking project. Combining with specific cases， it analyzes the technical points and application schemes of directional branch hole， and improves the construction efficiency of the special hydrodynamic grouting and water blocking project to ensure the coal mine production safety.

關(guān)鍵詞：定向分支鉆孔;特大動(dòng)水;注漿堵水

Key words： directional branch hole;extra large dynamic water;grouting and water blocking

中圖分類號(hào)：TD745? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）24-0208-02

0? 引言

定向分支鉆孔技術(shù)是一項(xiàng)較新的煤礦生產(chǎn)技術(shù)，在世界范圍內(nèi)均有廣泛的應(yīng)用。實(shí)際工作中，大部分煤礦生產(chǎn)選擇底板含水層注漿堵水的方式，對(duì)含水層條件進(jìn)行改造。該方法結(jié)合含水層特性、突水點(diǎn)的水量變動(dòng)情況及鉆孔可使用情況等，選取適當(dāng)?shù)淖{材料及配比進(jìn)行灌注，進(jìn)而達(dá)到堵水的目的。定向分支鉆孔使鉆孔的選取更為靈活，優(yōu)化注漿堵水工作質(zhì)量，具備造價(jià)低、施工簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

1? 工程案例背景簡(jiǎn)介

某煤礦年產(chǎn)量在89萬(wàn)t，煤礦礦井面積約為5.6km2。煤礦所處位置為平原地區(qū)，平均海拔在+60～+70m，地表呈現(xiàn)3.2%左右的坡度，當(dāng)?shù)夭淮嬖谳^大的自然水系以及水利工程。地層構(gòu)造主要為奧陶系、二疊系和石炭系等。其中，3煤為該煤礦的主要采煤層，此次發(fā)生突水事故生在該采煤層，事故工作面地處礦井右翼，走向長(zhǎng)度為1578m，傾向長(zhǎng)度為135m。發(fā)生突水事故之前，該工作面已完成距離880m。

此次突水事故的水源為煤層底板的奧灰含水層，其厚度在610m，與底板相距160m，富水性極強(qiáng)，水分通過(guò)斷層、裂縫等構(gòu)造突入礦井。突水事故發(fā)生過(guò)程中，突水水量表現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，最開(kāi)始監(jiān)測(cè)到突水量為60m3/h，過(guò)程中最大突水量已高達(dá)12000m3/h，工作面被淹。

煤礦決定采用定向分支鉆孔，對(duì)此次特大動(dòng)水注漿堵水工程進(jìn)行處理，歷時(shí)91d，完成鉆孔作業(yè)共計(jì)12個(gè)，鉆進(jìn)深度7800m，使用水泥7.2萬(wàn)t，堵水效果顯著，遂決定對(duì)此次事故中使用的技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

2? 定向分支鉆孔在特大動(dòng)水注漿堵水工程中的應(yīng)用

2.1 定向分支鉆孔技術(shù)要點(diǎn)

2.1.1 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合礦井突水事故作業(yè)面的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)鉆孔的鉆進(jìn)深度和垂深，采用水泥材料制作固管。本工程選用型號(hào)為P.O.42.5的水泥材料進(jìn)行固井，完成注漿作業(yè)3d之后，進(jìn)行掃孔直至距離孔底0.5m處，依照相應(yīng)的規(guī)范開(kāi)展注水試驗(yàn)，連續(xù)試驗(yàn)8h以上，過(guò)程中對(duì)水位進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。試驗(yàn)合格的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，每小時(shí)發(fā)生液面下降的高度在10mm之內(nèi)。若未達(dá)到改變準(zhǔn)，要求重新進(jìn)行注漿，再次注水檢測(cè)。

2.1.2 鉆孔軌跡控制

影響定向分支鉆孔軌跡的主要因素是斜直孔及造斜段，要求將點(diǎn)坐標(biāo)差控制在2m范圍之內(nèi)。另外，水平孔的點(diǎn)軌跡水平誤差和垂直誤差均不能超過(guò)2m。以上誤差并不絕對(duì)，在不影響鉆孔安全的前提下，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整誤差標(biāo)準(zhǔn)[1]。

2.1.3 數(shù)據(jù)記錄要求

第一，對(duì)巖屑數(shù)據(jù)的記錄。在煤礦的松散層不涉及打撈砂樣的操作，實(shí)時(shí)觀測(cè)巖面的變化，當(dāng)接近奧灰含水層時(shí)，每米的作業(yè)量要求打撈砂樣1次，對(duì)砂樣進(jìn)行檢測(cè)。整合最終獲取的巖屑記錄數(shù)據(jù)，對(duì)地層特點(diǎn)進(jìn)行初步分析。第二，鉆孔時(shí)的數(shù)據(jù)記錄。從基巖段開(kāi)始，每米選取1個(gè)記錄點(diǎn)，直至作業(yè)完畢。實(shí)時(shí)記錄鉆孔過(guò)程中是否出現(xiàn)突變，保證煤層可被第一時(shí)間被發(fā)現(xiàn)，并對(duì)煤層的厚度、深度等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)估。操作中盡可能確保參數(shù)穩(wěn)定，使其可真實(shí)、可靠的反應(yīng)礦井底層信息。定期檢測(cè)井深，要求每完成單眼鉆孔操作或者起鉆時(shí)，對(duì)井深進(jìn)行重新校對(duì)，要求將誤差控制在0.1m之內(nèi)。整個(gè)礦井中，被漏取的鉆點(diǎn)不應(yīng)高于0.5%，尤其在目的層，應(yīng)杜絕漏取問(wèn)題的發(fā)生。第三，對(duì)鉆井液的記錄。鉆井液的全面觀測(cè)每8h進(jìn)行1次，要求覆蓋鉆井液的全部性能參數(shù)。一般性能，例如鉆井液的密度、粘合度等，通常每2h測(cè)量1次。確保獲取參數(shù)的連續(xù)性，詳細(xì)進(jìn)行記錄。

2.1.4 簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀測(cè)

簡(jiǎn)易水文地質(zhì)觀測(cè)也是特大動(dòng)水注漿堵水工程的主要工作之一，具體的觀測(cè)節(jié)點(diǎn)總結(jié)如下：起鉆后、下鉆前;連續(xù)鉆進(jìn)每2h，觀測(cè)鉆井液的液面高度;當(dāng)鉆進(jìn)到目的層后，觀測(cè)頻率改為1h每次;當(dāng)鉆進(jìn)到奧灰含水層后，觀測(cè)頻率改為每0.5h一次。

2.1.5 沖洗液的調(diào)配

定向分支鉆孔中，直孔作業(yè)段對(duì)沖洗液沒(méi)有提出額外要求。在水平段，要求使用化學(xué)沖洗液，對(duì)泥漿進(jìn)行處理，以確保水平方向鉆孔的順利程度。含沙量性能的控制一般使用攪拌器、振動(dòng)器等設(shè)備進(jìn)行。適當(dāng)使用潤(rùn)滑劑和抑制劑，對(duì)鉆井液的性能進(jìn)行調(diào)整。例如，當(dāng)泥餅的摩擦系數(shù)不大于0.1、含沙量不大于0.5%，且低密度固相的含量未超過(guò)12%時(shí)，鉆井液的粘度為動(dòng)切力的2倍為宜。

2.2 定向分支鉆孔應(yīng)用方案

本工程采用的鉆機(jī)型號(hào)為SCHRAMM（R）T200 XD，配合智能測(cè)控系統(tǒng)，對(duì)鉆孔的軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以保證各項(xiàng)作業(yè)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確性。除了很好的應(yīng)對(duì)坡度大、壓力高、水平阻力明顯等鉆孔技術(shù)難題外，本工程方案還具備以下特點(diǎn)：第一，融合了無(wú)線隨轉(zhuǎn)定位技術(shù)，對(duì)復(fù)合鉆孔過(guò)程進(jìn)行配合和監(jiān)督。第二，深入挖掘巖性特點(diǎn)，設(shè)計(jì)鉆具組合方案。第三，依照鉆井斜率的變動(dòng)，適當(dāng)調(diào)節(jié)造斜率的大小，以保證鉆孔位置的精確。第四，選取高性能的水泥并對(duì)注漿操作進(jìn)行優(yōu)化，使得泥漿在鉆孔中充分的填充和滲透。注漿堵水工程的一大質(zhì)量影響因素就是，泥漿會(huì)隨著水分的增加而流出，想要在導(dǎo)水通道中保有充分的泥漿相對(duì)困難。因此，該工程決定提高每次注漿的流量，并在前期采用連續(xù)注漿、后期采用間歇作業(yè)的形式。

整個(gè)施工過(guò)程中，堵水材料被運(yùn)輸至指定的位置并發(fā)生滲透、擴(kuò)散和固化，提升煤礦底板性能，減輕水壓、作業(yè)荷載對(duì)底板的影響。強(qiáng)化巖層的自身強(qiáng)度和阻水能力，實(shí)現(xiàn)堵水目標(biāo)。經(jīng)過(guò)反復(fù)掃孔注漿，本工程的突水點(diǎn)被全部處理達(dá)標(biāo)，堵水率達(dá)到100%。

3? 定向分支鉆孔在特大動(dòng)水注漿堵水工程中的質(zhì)量控制

3.1 嚴(yán)格控制鉆孔軌跡

開(kāi)展鉆探作業(yè)前，對(duì)鉆機(jī)及其他輔助性設(shè)備依照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安裝和調(diào)試，確保安裝位置的精確性。例如，天車、轉(zhuǎn)盤(pán)、孔口等結(jié)構(gòu)的位置誤差應(yīng)控制在10mm之內(nèi)[2]。正是使用前進(jìn)行試轉(zhuǎn)作業(yè)，檢查設(shè)備是否運(yùn)行正常，通過(guò)后再開(kāi)始之后的工序。鉆機(jī)參數(shù)及鉆具的搭配需要依照煤礦突水作業(yè)面的實(shí)際地質(zhì)條件和突水情況進(jìn)行選擇，過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注鉆孔軌跡，一旦發(fā)現(xiàn)軌跡出現(xiàn)明顯的偏移立即進(jìn)行調(diào)整。

3.2 做好防塌防漏工作

在應(yīng)用定向分支鉆孔技術(shù)的過(guò)程中，煤層受負(fù)荷的影響存在垮塌的可能，要求開(kāi)展防塌防漏作業(yè)。提升煤層的粘度比，做好鉆井液的維護(hù)與管理工作。在實(shí)際工作中，選用添加防塌劑的方式對(duì)其進(jìn)行處理，以確保鉆孔作業(yè)過(guò)程安全。

3.3 防止出現(xiàn)吸附卡鉆

吸附卡鉆的現(xiàn)象一般出現(xiàn)在礦井的砂巖層，當(dāng)采用定向分支鉆孔進(jìn)行突水事故處理時(shí)，也容易發(fā)生該問(wèn)題。為避免吸附卡鉆，可在鉆井液中添加潤(rùn)滑劑，以減輕鉆機(jī)受到的摩擦力大小。優(yōu)化鉆具的搭配方案，合理選取加重鉆的位置，并配備水利振搗器，同樣可起到減輕鉆具摩擦的效果，確保鉆機(jī)在上下運(yùn)行的過(guò)程中平滑、流暢。具體操作時(shí)，確保鉆機(jī)平穩(wěn)，做好機(jī)具日常維護(hù)保養(yǎng)工作，以對(duì)吸附卡鉆現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)防。

3.4 合理安排施工流程

首先，優(yōu)化設(shè)備選型。施工前，對(duì)突水作業(yè)面的巖層進(jìn)行全面的探測(cè)，根據(jù)定向分支鉆孔的參數(shù)，配合鉆頭廠家開(kāi)展技術(shù)研究工作，以便配置性能最佳的鉆頭。一般來(lái)說(shuō)，斜直孔位置的機(jī)械鉆效應(yīng)達(dá)到4.9m/h，水平孔位置的機(jī)械鉆效應(yīng)達(dá)到2.6m/h。其次，做好作業(yè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)記錄工作。在進(jìn)行鉆孔作業(yè)時(shí)，詳細(xì)記錄鉆孔的時(shí)間、巖屑量等參數(shù)，以此來(lái)判斷礦井的底層特點(diǎn)，以確保鉆孔內(nèi)安全。根據(jù)鉆井設(shè)計(jì)方案，記錄水文觀測(cè)數(shù)據(jù)。觀察并記錄鉆井液的消耗情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏失問(wèn)題并上報(bào)，尋求處理意見(jiàn)。當(dāng)鉆井液的漏失量達(dá)到5m3/h后開(kāi)始鉆孔，設(shè)置潛水泵，將鉆孔內(nèi)的水抽干并進(jìn)行清理。當(dāng)鉆孔內(nèi)的水、沙清理干凈后，再開(kāi)始注漿操作。再次，適當(dāng)設(shè)計(jì)鉆具搭配方案。施工中使用水力振蕩器可明顯提高操作效率，以免進(jìn)度緩慢，影響后期煤礦生產(chǎn)。通過(guò)大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，在未使用水力振蕩器時(shí)，機(jī)械鉆效在3～4m/h左右，而輔助振蕩器之后，鉆效最高可達(dá)8.7m/h，效率約為之前的2倍[3]。為確保鉆孔安全，還可適當(dāng)提高短起鉆的次數(shù)，提升泵量沖孔循環(huán)密度，確保鉆孔過(guò)程中產(chǎn)生的大量巖屑能夠被及時(shí)清除。最后，嚴(yán)格控制定向分支鉆孔的軌跡。保證施工過(guò)程中信息交流暢通，及時(shí)與定向技術(shù)人員及鉆孔作業(yè)人員進(jìn)行協(xié)調(diào)，選擇地質(zhì)條件較佳的位置進(jìn)行鉆孔。若地層的進(jìn)尺速度較慢，可選擇復(fù)合鉆進(jìn)的方式，在提升鉆進(jìn)速度的同時(shí)，保證鉆孔軌跡的正確性。

4? 結(jié)論

定向分支鉆孔技術(shù)的應(yīng)用使得煤礦開(kāi)采作業(yè)可在更多特殊的條件下順利進(jìn)行，通過(guò)對(duì)底板的注漿加固處理，提升特大動(dòng)水注漿堵水工程的施工效果。目前，該技術(shù)的研究重點(diǎn)在機(jī)具的改進(jìn)與創(chuàng)新上，并嘗試提升相關(guān)操作的自動(dòng)化程度，促進(jìn)定向分支鉆孔技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，提升煤礦生產(chǎn)能力。

參考文獻(xiàn)：

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