水平分支孔定向鉆探技術(shù)及其在煤礦水害防治中的應(yīng)用
——以東龐煤礦ZKxx3孔鉆探施工為例

葉蘭肅,馬衛(wèi)東，王雷浩,南 方

(1.河北省地礦局第七地質(zhì)大隊，河北 廊坊 065201；2.河北省地礦局第九地質(zhì)大隊，河北 邢臺 054000；3.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引言

東龐煤礦屬隱伏煤田，其工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜。礦區(qū)內(nèi)斷層、褶皺發(fā)育，尤其是隱伏導(dǎo)水構(gòu)造(特別是導(dǎo)水陷落柱)的存在，以及井田范圍內(nèi)存在的30 個封閉不良或封孔資料不清的鉆孔，成為開采2#煤層的潛在威脅，嚴(yán)重制約了煤礦的安全開采。原有的井下鉆探注漿治理及地面?zhèn)鹘y(tǒng)的單孔注漿治理，已不能滿足安全生產(chǎn)的需要。目前關(guān)于煤層頂、底板含水層防治，前人已開展了大量的研究工作。李曉龍等[1]、金鑫等[2]針對煤層底板奧灰水治理方案，開展了定向長鉆孔適應(yīng)性研究；林玉祥等[3]、吳玉華等[4]針對承壓含水層開展實踐治理；鄭士田[5]針對兩淮煤田煤層底板含水層開展了超前預(yù)測技術(shù)研究；王永全[6]對我國礦井水防控等問題進行了梳理分析，并提出礦井水防治技術(shù)方向和利用。基于前人研究實踐工作基礎(chǔ)，筆者針對東龐礦區(qū)2#煤層底板承壓水害，利用水平分支孔定向鉆進及高壓注漿技術(shù)，超前改造煤層底板奧陶灰?guī)r含水層，增加煤層底板隔水厚度及強度，以防治水害的發(fā)生，為2#煤層的安全開采奠定了基礎(chǔ)。

1 礦區(qū)概況

1.1 礦區(qū)地質(zhì)概況

東龐煤礦位于河北省內(nèi)丘縣大孟村鎮(zhèn)吳村以西500 m。礦區(qū)地表均被第四系松散沉積物所掩蓋，僅在井田西部邊緣有基巖出露。其位于新華夏系第二沉降帶與新華夏系第三隆起帶的過渡地帶，受我國東部中新生代多次構(gòu)造運動的影響，尤其是受到新華夏系的強烈改造，礦區(qū)中部斷裂帶構(gòu)造發(fā)育，以斷層為主；北部波曲區(qū)斷層和褶皺都很發(fā)育；南部單斜區(qū)陷落柱最為發(fā)育。在勘探深度范圍內(nèi)，揭露的礦區(qū)地層由老至新依次為：太古界贊皇群、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、第三系、第四系地層。第四系為黃土層；二疊系為礫石層、細(xì)砂巖、泥巖、頁巖；石炭系分為本溪組和太原組，地層厚度91.22～186.75 m，平均厚度147.51 m，巖性以灰、深灰色粉砂巖和灰、淺灰色細(xì)粒至中粒砂巖為主，局部分布有粗粒砂巖或含礫粗粒砂巖。奧陶系包括峰峰組和上馬家溝組，奧陶系灰?guī)r主要以藍(lán)灰及淺灰厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)角礫巖、花斑灰?guī)r為主。采空區(qū)巖石成分復(fù)雜主要為細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖；煤層與含水層之間主要巖性為鋁土泥巖、泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、中砂巖、灰?guī)r以及破碎帶等隔水層。礦區(qū)含水地層結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 含水層及水害特點

東龐煤礦處于百泉水文地質(zhì)單元的西北邊界地段，含水層分為孔隙、裂隙、巖溶裂隙含水巖組三種基本類型。奧灰含水層為強含水層，含水豐富，在導(dǎo)水構(gòu)造影響下，成為上覆各含水層的潛在補給源和礦井的間接充水水源，2003 年4月2903工作面掘進過程中揭露編號為X7的隱伏陷落柱時，發(fā)生奧灰特大突水事故，瞬時最大突水量達(dá)到7.0×104m3/h。開采2#煤層，受采掘破壞或影響的含水層為頂板砂巖裂隙承壓含水層、野青灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層、第四系底部砂礫層含水層，均以靜儲量為主，礦井最大涌水量 466 m3/h，平均324 m3/h，對煤礦的安全開采存在較大隱患，防治水害工程艱巨。

2 鉆探技術(shù)實施背景與項目概況

2.1 鉆探技術(shù)實施背景

在前期的采掘活動中，東龐煤礦因多次水患影響煤礦正常的開采。礦井進入-480 m生產(chǎn)水平后，2#煤層底板奧陶灰?guī)r含水層水壓逐漸增大。近幾年來，對東龐礦北井9400采區(qū)2#煤層奧灰含水層區(qū)域?qū)嵤┑装遄{改造加固。

但是隨著采掘深度的不斷加深，煤層底板奧灰?guī)r水壓不斷增大，底板注漿加固治理效果逐漸變差，常規(guī)的煤層底板注漿加固技術(shù)，已無法滿足該區(qū)域水害防治的需求。經(jīng)深入分析研究，主要原因是鉆孔軌跡不可控，注漿孔終點偏差太多，存在注漿盲區(qū)，鉆探工作量加大，施工人員勞動強度高[7]，現(xiàn)有的地面及井下注漿系統(tǒng)不能滿足大容量高壓注漿的要求等[8]，只有采用創(chuàng)新水害防治方法，選擇更先進的水害防治技術(shù)，才能徹底消除2#煤層底板的奧灰含水層突水威脅。

2.2 技術(shù)原理與特點

水平分支孔定向鉆探技術(shù)在煤礦水害防治中的運用，是將地面定向鉆探技術(shù)與地面注漿技術(shù)有機結(jié)合，實現(xiàn)煤礦奧灰含水層區(qū)域水害超前注漿治理。地面定向鉆探施工包括鉆進直孔段、造斜孔段及水平分支孔段。本次在東龐礦北井9400采區(qū)2#煤層奧灰含水層區(qū)域鉆進，在水平分支孔進行高壓注漿封堵，通過8個分支孔的“探注結(jié)合”施工，有效封堵2#煤層底板奧陶灰?guī)r含水層區(qū)域中的斷層、陷落柱等構(gòu)造導(dǎo)水通道和富水層段，在煤層底板形成一個整體梳狀的水泥止水板，以消除煤層底板高壓突水威脅。

該定向鉆進技術(shù)可準(zhǔn)確探測煤層工作面的構(gòu)造及煤層底板傾向、走向及標(biāo)高情況[9]，屬于精準(zhǔn)定向鉆進技術(shù)[10]。采用復(fù)合定向鉆進方式實現(xiàn)復(fù)合碎巖[11]和“有滑有轉(zhuǎn)”間歇造斜[12]，大幅度降低施工時的摩擦阻力，提高鉆進效率。與常規(guī)水害防治技術(shù)相比，水平分支孔定向鉆探技術(shù)有以下突出特點:

(1)實現(xiàn)隨鉆測斜，能有效控制鉆孔軌跡滿足鉆孔設(shè)計要求；

(2)實現(xiàn)了“探注探治”結(jié)合，多個水平分支孔形成梳狀大面積封堵層，實現(xiàn)煤礦水害的主動預(yù)防與治理[13]，能夠高效防治煤層底板突水事故的發(fā)生；

(3)降低鉆探工作量和工人勞動強度，提高經(jīng)濟和環(huán)保效益。

2.3 項目概況

對東龐礦北井9400采區(qū)奧灰含水層區(qū)域注漿改造一期工程ZKxx3孔鉆探工程進行設(shè)計與施工。

(1)主要工程任務(wù)

主孔與水平分支孔，總進尺6 028 m；注漿前的洗井及注漿后掃孔；地層異常等特殊情況，需負(fù)責(zé)取巖(煤)屑、取水樣等工作。

(2)工程目的

注漿充填奧陶系灰?guī)r上部溶隙和裂隙，封堵斷層等構(gòu)造薄弱區(qū)段。

(3)工程工期

ZKxx3孔場地平整及設(shè)備進場，工期15天；主孔及其分支孔純鉆探工期150天。

3 水平分支孔定向鉆探設(shè)計

3.1 鉆孔深度

主孔直孔段200 m，造斜孔段360 m，自2#煤層底板以下20 m開始造斜，進入奧灰頂界面以下25 m進行水平分支孔施工。

3.2 鉆孔數(shù)量與布置

(1)鉆孔數(shù)量：1個主孔、8個水平分支孔。

(2)主孔布置在探查層位傾向的上方，分支孔沿地層傾向布置。

(3)水平分支孔呈梳狀分布，與裂隙、導(dǎo)水構(gòu)造等發(fā)育方向呈垂直或斜交，空間位置選擇在奧陶系灰?guī)r以下25 m左右。鉆孔布置結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 鉆孔布置示意圖Fig.2 Drill hole layout

4 水平分支孔定向鉆探施工

4.1 施工設(shè)備

根據(jù)鉆孔設(shè)計深度、現(xiàn)有設(shè)備、施工經(jīng)驗和鉆進方法等，施工主要設(shè)備包括地面電腦處理系統(tǒng)及TSJ2000鉆機、3NB500型泥漿泵、3D5/40型供水高壓泵、無線隨鉆測斜儀(DMWD-C1)、方位伽馬探管、單彎螺桿馬達(dá)(1.5°、1.25°)、鉆桿及無磁鉆鋌、水力振蕩器及制漿注漿設(shè)備等。施工中優(yōu)選使用PDC鉆頭，其適宜煤礦復(fù)雜地層條件，壽命長、巖性適應(yīng)性廣、便于實現(xiàn)定向造斜鉆進[14]。

4.2 鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆具組合

鉆孔為四開結(jié)構(gòu)，采用三級技術(shù)套管護壁措施，每級下入套管后，用水泥做永久性固管，通過圖3、表1和表2，能直觀看到ZKxx3主孔施工地層及鉆孔軌跡、鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆具組合數(shù)據(jù)。

表1 鉆孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)一覽表Table 1 List of drill hole structure data

表2 鉆具組合一覽表Table 2 Drilling rig assembly

圖3 定向鉆探施工示意圖Fig.3 Construction sketch of directional

4.3 技術(shù)關(guān)鍵

造斜、測斜及定向控制調(diào)整是水平分支孔定向鉆進技術(shù)的關(guān)鍵。直孔段及造斜孔段關(guān)鍵點控制坐標(biāo)差≤0.5 m；水平偏差和垂直偏差均≤1.5 m。鉆孔著陸點前鉆孔軌跡參數(shù)見表3。

表3 ZKxx3-著陸點前鉆孔軌跡數(shù)據(jù)一覽表Table 3 ZKxx3-list of borehole trajectory data before landing

(1)造斜

螺桿鉆具以2 m/min的速度均勻送入孔內(nèi)，禁止用轉(zhuǎn)盤擰扣，避免馬達(dá)倒轉(zhuǎn)的發(fā)生。造斜點選擇在穩(wěn)定巖層(灰?guī)r、砂巖)中，以避開硬、脆、碎巖層及礦化層不間斷連續(xù)一次完成[15]。按設(shè)計要求將工具面向角固定在某一方向進行定向施工，隨時調(diào)整工具面向角實現(xiàn)鉆孔軌跡調(diào)整[16]。造斜孔段曲率半徑為180 m左右，最大造斜率控制在8°/30 m。

(2)測斜

為提高鉆孔定向精度，施工過程的定向和測斜采用泥漿脈沖式無線隨鉆測斜儀，泥漿脈沖發(fā)生器將井下探管測得的數(shù)據(jù)發(fā)送到地面，經(jīng)計算機系統(tǒng)采集處理后，得到實時的鉆孔軌跡參數(shù)。使用該類型測斜儀不但提高測斜定向精度，而且能根據(jù)測定參數(shù)，及時調(diào)整定向鉆進的施工方案。依據(jù)監(jiān)測實現(xiàn)鉆孔軌跡實時監(jiān)控、隨時可控可調(diào)，能同時改變鉆孔傾角和方位角。測斜時為避免磁場干擾，在孔底馬達(dá)和隨鉆測斜儀之間連無磁鉆桿。在鉆頭處裝備了孔斜傳感器，能隨時將地層電阻率、伽馬射線、轉(zhuǎn)速等參數(shù)及時以沖洗液脈沖方式傳到地面[17]。

(3)定向控制調(diào)整

根據(jù)測量參數(shù)及時調(diào)整定向鉆進的施工方案。發(fā)現(xiàn)工具面向角反轉(zhuǎn)泵壓升高，及時順時針旋轉(zhuǎn)調(diào)整工具面向角，防止松扣。停泵測量時，會造成反扭角改變，要對孔底馬達(dá)反扭角進行定量計算或根據(jù)鉆孔實際狀況進行預(yù)測。工具面向角對傾角變化和方位控制的影響比較大，若工具面向角B=0°或B=180°時其效應(yīng)是全力造斜上仰或全力降斜，若工具面向角B=90°，為全力增方位，B=270°，為全力降方位[18]。主孔及水平分支孔全角變化率保持在30～35/100 m；控制實際鉆孔軌跡與設(shè)計鉆孔軌跡誤差≤1.5 m。

4.4 水平分支孔施工

開水平分支孔位于奧陶灰?guī)r頂界面以下25 m穩(wěn)定巖層，輕壓慢進，避免提拉鉆具，開水平分支孔鉆進2～3 m之后，立即調(diào)整工具面向角使鉆孔軌跡沿設(shè)計軌跡繼續(xù)延伸；每個水平分支孔完成后做壓水實驗，滿足地層吸水率要求后進行全孔注漿，凝固3天后檢查注漿效果。然后按照水平分支孔施工、注漿順序完成后續(xù)分支水平分支孔的鉆探與配合注漿工作。

為檢驗數(shù)值計算結(jié)果的可靠性，將兩處地表GPS監(jiān)測點的計算位移與實測位移進行對比分析(見圖12和圖13)，可得以下基本認(rèn)識：

(1)水平分支孔分支方法。采用懸空側(cè)鉆分支法，當(dāng)鉆具下至預(yù)開分支點鉆出新的水平分支孔，相同深度的測斜數(shù)據(jù)不同，則表明開水平分支孔成功。

(2)水平分支孔施工順序與水平分支孔間距。施工順序從最遠(yuǎn)端鉆孔開始鉆進，注漿依次完成。水平分支孔間距控制在±50 m。

4.5 鉆進參數(shù)

無論是垂直鉆進，還是水平鉆進，鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等參數(shù)是控制鉆孔質(zhì)量和效率的重要因素，應(yīng)結(jié)合地層特點、孔深和孔徑以及鉆具重量靈活選擇[19]，鉆進參數(shù)見表4。

表4 鉆進參數(shù)一覽表Table 4 Drilling parameters

4.6 沖洗液

直孔段沖洗液以清水為主。水平分支孔采用無固相泥漿沖洗液，以生物聚合物、纖維素衍生物、合成聚合物以及弱凝膠作為增黏劑，配合使用改性淀粉、聚陰離子纖維素(PAC)、磺化酚醛樹脂(SMP)等提高其降濾失性，用加重劑和鹽調(diào)整密度，添加防塌抑制劑、潤滑劑等使沖洗液具有良好的潤滑性、抑制性和攜砂性。沖洗液密度1.01 g/cm3，漏斗黏度20～22 s，表觀黏度8 ηa,動塑比0.33 Pa/mPa·s,潤滑系數(shù)0.08。

采用泥漿罐、攪拌器、振動篩、除泥(砂)器、除泥器等三級以上固控系統(tǒng)，對含沙量、泥餅等性能進行嚴(yán)格控制。

4.7 主要技術(shù)措施

(1)套管固定

用425水泥漿做全孔固定套管，水泥漿密度為1.85 g/cm3，水泥漿濾失量≤50 mL。注漿凝固72 h后，掃孔至套管外0.5 m，嚴(yán)格按規(guī)程做注水試驗，觀測8 h，水位下降不超過10 mm/h。

2#煤層存在采空區(qū)，有上部地層坍塌致使埋鉆的危險，在鉆進至2#煤層采空區(qū)下20 m后，洗井、掃孔，把沖洗液徹底替換完后下入套管，在采空區(qū)頂部位置的套管外部加分隔器。從鉆桿內(nèi)正注水泥漿上返進入環(huán)狀間隙至采空區(qū)，正注結(jié)束后再進行反注，從環(huán)空間隙進行注漿，待水泥漿注入到分隔器位置后結(jié)束固井。

(3)水平分支孔減阻

為減少長距離水平分支孔鉆具拖底摩擦阻力，創(chuàng)新采用水力振蕩技術(shù)，在距離鉆頭180 m處安設(shè)一個水力振蕩器，使用中保持其工作時間不超過120 h，實踐證明振蕩器能減少拖底摩擦阻力30%～40%,提高了鉆進效率。

(4) 精確注漿

注漿采用自動化程度高、勞動強度低、污染小[20]的注漿車系統(tǒng)(圖4)精確造漿及實時注漿監(jiān)控技術(shù)，該技術(shù)可達(dá)到1.5 m3/min的注漿能力，最高壓力達(dá) 38 MPa，實現(xiàn)了漿液實時準(zhǔn)確控制。

圖4 注漿車系統(tǒng)組成示意圖Fig.4 Schematic diagram of grouting vehicle system

5 應(yīng)用實例

ZKxx3孔實際完成工作量：直孔段215 m，造斜孔段327 m，水平分支孔8個，完成總進尺6 028 m。通過定向鉆探施工超前注漿充填奧陶系灰?guī)r上部溶隙和裂隙，封堵斷層等構(gòu)造薄弱區(qū)段,對煤礦安全生產(chǎn)提供了強有力的技術(shù)支撐。

近3年來，在邯鄲、邢臺、淮南、山西等地承接地面多水平分支孔工程項目11個，完成鉆探進尺約 81 400 m，其中主/斜孔段鉆探進尺19 400 m，水平分支孔鉆探進尺61 000 m，水平分支孔最長達(dá) 1 641 m(單孔延深3 060 m)，孔斜最大達(dá)105°，方位變化量最大達(dá)330°。邢東礦區(qū)域，通過對2.3 km2受水害威脅的區(qū)域?qū)嵤┲卫?，保證7.746 8×106t煤炭資源實施安全開采。

6 結(jié)論

(1)實踐證明，隨鉆定向鉆進，可隨時掌握鉆具方向，根據(jù)實際情況及時分析孔內(nèi)情況及時調(diào)整，鉆孔軌跡易達(dá)到設(shè)計要求成功率高。

(2)螺桿鉆進在保證鉆孔安全的情況下使用流變性好的泥漿，使用除砂器，及時清理泥漿循環(huán)系統(tǒng)，降低含砂量。

(3)形成了適應(yīng)于東龐礦區(qū)奧陶灰?guī)r含水層區(qū)域中的斷層、陷落柱等構(gòu)造導(dǎo)水通道和富水層段，煤層底板定向鉆進技術(shù)，為類似煤礦防治水害定向鉆孔的順利施工提供了技術(shù)指導(dǎo)。

(4)多分支水平孔定向鉆進技術(shù)注漿壓力高、流量高、連續(xù)性強，大幅度提高了礦井防治水工作效率和防治效果，降低了井下鉆探注漿施工存在的安全隱患。通過該鉆孔的施工，積累了豐富的施工經(jīng)驗，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。