地面定向分支孔施工技術(shù)在礦區(qū)注漿堵水中的應(yīng)用

王文杰

（安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊(duì)，安徽 宿州 234000）

定向分支鉆機(jī)技術(shù)是一種較新的礦區(qū)制造技術(shù)，在世界乃至我國都有著廣泛的市場和應(yīng)用。在實(shí)際工作中，大多數(shù)礦區(qū)企業(yè)都會(huì)選擇注漿的處理方法來封堵底板含水層中的淤泥，改造含水層狀態(tài)。結(jié)合土壤中含水層的特性、突水點(diǎn)土壤的流量和溫度變化、鉆孔能否正常使用等因素，選擇合適的注漿漿液和配比，達(dá)到堵水的主要目的。定向分支鉆進(jìn)法使鉆孔位置的選擇更加靈活，優(yōu)化了注漿堵水的工作方式，提升其工作質(zhì)量，且有著成本低、操作簡單、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

1 工程概況

2020年，采用容積法計(jì)算某礦區(qū)突水量為4015m3/h，經(jīng)取樣試驗(yàn)，水源為寒武系灰?guī)r。礦區(qū)組織專家論證水處理方案后，顧慮到動(dòng)態(tài)水注漿施工難度相對(duì)較大、礦區(qū)排水成本高，選擇采用靜態(tài)水注漿，礦區(qū)主動(dòng)放棄排水，礦區(qū)被淹。灌漿堵水工程采取截流施工方案，共布置7個(gè)鉆孔，其中截巷孔4個(gè)，堵水孔3個(gè)，工期為4月余。

2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

簡易水文地質(zhì)觀測也是礦區(qū)注漿堵水工程的關(guān)鍵性工作之一。詳細(xì)的數(shù)據(jù)觀測節(jié)點(diǎn)歸納如下：起下鉆之后、起下鉆之前；連續(xù)鉆井時(shí)，每2小時(shí)觀察一次鉆井液液位；鉆至目的層時(shí)，觀測頻率改為每次1小時(shí)；鉆進(jìn)寒武系系灰?guī)r含水層時(shí)，觀測頻率改為每0.5h觀測一次。礦區(qū)位于南部松集構(gòu)造區(qū)，為板內(nèi)構(gòu)造區(qū)。大體情況為東西向向北傾斜的單斜構(gòu)造，傾角西陡東緩。地層走向68°～85°。趨勢338°～355°，傾斜度14°～22°，通常情況大約在20°，區(qū)內(nèi)構(gòu)造以斷裂為主，其次為寬緩起伏，區(qū)內(nèi)多數(shù)構(gòu)造形式為褶皺、斷裂和滑動(dòng)，這個(gè)礦區(qū)的水文地質(zhì)類型極為復(fù)雜。據(jù)記載，礦山歷史上曾發(fā)生過幾次較大的突水事故，如井底發(fā)生突水，涌水量1330m3/h，造成井淹，導(dǎo)致2次水平貫通，全線禁停。

3 堵水施工難點(diǎn)

巖中鄉(xiāng)站地層主要分布在火山巖組L7灰?guī)r下的-7礦、砂巖和泥巖，距寒武系灰?guī)r頂部24.9m，抗壓強(qiáng)度較低。突水發(fā)生以前，巷道底鼓、側(cè)裂嚴(yán)重，突水點(diǎn)及導(dǎo)流通道不清，地面立孔施工導(dǎo)流通道不容易暴露。在突水點(diǎn)以上和采空區(qū)附近，地面施工中的鉆孔往往穿過采空區(qū)，將采空區(qū)破碎帶取下。鉆孔穿過采空區(qū)時(shí)，容易造成鉆孔偏位、卡鉆、埋鉆等事故，給施工帶來困難，巖巷突水水源為寒武系灰?guī)r巖溶裂隙水，灰?guī)r巖溶發(fā)育異常，流動(dòng)裂隙難以識(shí)別[1]。

4 定向分支孔適宜性

定向多孔鉆機(jī)施工過程中的分支多孔鉆進(jìn)技術(shù)可采用“彎曲螺桿+無磁鉆鋌+普通鉆具+測斜儀+泥漿循環(huán)系統(tǒng)+鉆機(jī)”完成，如圖1。定向鉆具上的螺桿與螺桿之間采用滑動(dòng)絲繩連接，能有效地保持鉆具的靜止。水泥漿泵壓力提供的定向動(dòng)力，可以促進(jìn)定向鉆頭的快速旋轉(zhuǎn)，然后通過手動(dòng)操作定向鉆頭和儀器來調(diào)整定向鉆頭的方位，使之輕松鉆進(jìn)固定方位[2]。與其它傳統(tǒng)的單層直孔法和該施工方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①既能有效克服施工場地和地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜的局限性，又具有良好的適用性和適用性；②大大提高了單層多孔材料在建筑工程材料中的利用率，有效地實(shí)現(xiàn)了一孔多用，降低了部分工程造價(jià)；③提高出水口附近整個(gè)含油排水層的出現(xiàn)概率，形成網(wǎng)狀地層覆蓋出水口附近整個(gè)含油排水層，提升整體堵水施工的成效。

圖1 分支孔定向鉆進(jìn)立體示意圖

5 定向分支孔設(shè)計(jì)

在本次礦區(qū)注水注漿底板樁洞壁封堵及防水加固工程中，共布置定向、傾斜貫通巷道專用注漿底板孔4個(gè)。一通一孔多用。巷道掘進(jìn)成功后，注漿底板水平向下，并通過擴(kuò)大深度進(jìn)行加固。每條鉆井路線有3個(gè)鉆孔封堵源頭，共7個(gè)鉆孔。鉆孔具體位置框圖見鉆機(jī)總體平面結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)圖。為及時(shí)檢查排除造成突水的暗渠排水管溝和暗渠排洪管溝的裂縫，以保證堵水效果和排水質(zhì)量[3]。本次設(shè)計(jì)分支式鉆孔的底部分別設(shè)有注5、注6、注7三個(gè)堵源鉆孔，先施工注5孔的3個(gè)分支孔，再施工6個(gè)分支孔，最后施工注7孔的3個(gè)分支孔，以便進(jìn)一步加固檢查。

6 分支孔施工

6.1 施工難點(diǎn)

定向鉆進(jìn)主要采用“彎曲螺桿+無磁鉆鋌+普通鉆具+測斜儀+泥漿循環(huán)系統(tǒng)+鉆機(jī)”的方式，需要擁有一定的傾斜段才能到達(dá)目的區(qū)。由于上部定向支之間有采空區(qū)，預(yù)留定向橫支上部施工區(qū)洞段高度一般只有100m上下。按照原有的施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也是在上部施工區(qū)的機(jī)械設(shè)備和施工鉆具能相互推動(dòng)的條件下，在定向支護(hù)施工時(shí)，上部支護(hù)的最大施工傾角不應(yīng)大于10°，最大定向水平施工方向偏差的施工距離不應(yīng)小于或大于10m。另外，由于整個(gè)鉆井工程所需的所有斜段鉆井導(dǎo)軌的勘探深度范圍均在30m～50m之間，因此只需將導(dǎo)軌斜段鉆井位置固定在鉆井深度應(yīng)小于幾百米的空曠處即可，使整個(gè)鉆孔的探孔傾角達(dá)到最大深度30m以上，目測施工工程難度較大。

6.2 施工組織與技術(shù)處理

在定向分支和多孔定向鉆進(jìn)過程中，由負(fù)責(zé)定向鉆進(jìn)施工的專業(yè)技術(shù)人員隨時(shí)對(duì)鉆進(jìn)情況進(jìn)行檢查和監(jiān)測，以利施工，實(shí)現(xiàn)定向鉆施工前的現(xiàn)場實(shí)時(shí)檢查和全過程監(jiān)控[4]。由于現(xiàn)有井下鉆具組合剛性大，低速小角度定向鉆施工難度大。在工藝細(xì)節(jié)方面，我們對(duì)定向鉆的各種工藝技術(shù)要求進(jìn)行了多次優(yōu)化和重大改進(jìn)：①在地下地面上，定向鉆經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等設(shè)備可作為輔助定向鉆工具，與井下定向鉆連接集成，保證井下分支和多孔定向鉆的最高精度。②為有效保證定向測斜施工的工作效果，應(yīng)增加定向測斜點(diǎn)的數(shù)量，并將定向測斜點(diǎn)的定向間距由30m逐漸減小到9m。為真正滿足定向測斜施工的基本要求，技術(shù)人員應(yīng)每9m進(jìn)行一次測斜儀定向點(diǎn)檢測或測斜，以提高定向測斜施工的工作精度；③密切關(guān)注各方向施工支線定向測斜儀的工作效率，及時(shí)自動(dòng)調(diào)整鉆機(jī)的泵壓、液壓功率和總流量；④隨機(jī)鉆孔實(shí)時(shí)監(jiān)控，連續(xù)定向糾偏，實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控，各種施工參數(shù)自動(dòng)調(diào)整。以5-1牙輪鉆頭直徑深度為例：鉆頭達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)鉆深后，多次復(fù)測牙輪鉆頭終孔傾斜距離：鉆進(jìn)方向?yàn)?22.5°，最終鉆孔角度可達(dá)47°，偏斜距離可達(dá)37.5m。各方向分支孔的運(yùn)動(dòng)方向差和方向偏差完全滿足機(jī)械設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)要求（見表1）。

表1 注漿堵水工程分支孔參照統(tǒng)計(jì)表

7 施工效果分析

本次灌漿施工共完成7個(gè)鉆孔，向含水層內(nèi)灌注混凝土8750t，采用冷灰?guī)r，共施工7個(gè)分支鉆孔。5-1～7-3分支孔共注入水泥16265t。施工后，各支洞含水層灌漿量比上年增至180%，特別是6-1分支孔，定向鉆深度為519.02m～537.00m時(shí)，泄漏量應(yīng)大于50m3/h。通過研究分析認(rèn)為，高速出水的主要排水通道是灰?guī)r中的溶蝕縫，當(dāng)鉆孔進(jìn)入50m～70m冷灰?guī)r段時(shí)，溶蝕縫極為發(fā)育。6-1支洞共投入水泥1.5萬噸、粉煤灰9850噸、促進(jìn)劑13.5噸、水玻璃19.5噸、食鹽17.5噸、三乙醇胺3噸、鋸末16.5噸，對(duì)污水封閉處理的成功起到了不能缺少的推動(dòng)作用。目前，檢查礦區(qū)已順利完成后續(xù)排水工作，并進(jìn)入巷道回采階段。出水口剩余流量平均值為0，封堵率可達(dá)100%，經(jīng)實(shí)踐證明了出水口附近的水流裂隙可以進(jìn)行有效的封堵，此次實(shí)踐注漿堵水十分成功[5]。

8 結(jié)語

隨著定向分支鉆進(jìn)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，我國礦區(qū)開采在許多特殊情況下都能順利實(shí)施。綜合注漿堵水工程的現(xiàn)實(shí)狀況，在現(xiàn)有定向施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，探討了延中隧道鉆灌工程定向支洞技術(shù)提高施工精度的措施，以達(dá)到大傾角、高水平偏移定向支洞的施工目的。通過定向支盤注漿和堵水加固措施，可提高超注漿堵水工程的施工效果，且在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下，定向支洞技術(shù)也有著很強(qiáng)的可執(zhí)行性及可操作性。定向支洞技術(shù)節(jié)約了水利建設(shè)，降低了水利建設(shè)成本，為礦區(qū)成功控水提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，贏得了企業(yè)與礦區(qū)的高度認(rèn)可，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)地面鉆探水利工程和地面灌漿工程具有重要意義。當(dāng)前，此項(xiàng)技術(shù)的主要研究方向和重點(diǎn)是機(jī)械設(shè)備的改進(jìn)和創(chuàng)新，并積極嘗試提高其相關(guān)作業(yè)的自動(dòng)化水平，推進(jìn)定向分支鉆進(jìn)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，提高礦區(qū)的生產(chǎn)力。