基于定向水平鉆進技術(shù)的構(gòu)造精準(zhǔn)探查

李 瑩，曹偉康

（1.冀中能源峰峰集團有限公司 辛安礦，河北 邯鄲056200；2.山西古縣老母坡煤業(yè)有限公司，山西 臨汾041000）

1 礦井概況

辛安礦隸屬冀中能源峰峰集團有限公司，原名黃沙礦，由黃沙區(qū)和辛安區(qū)組成。2013年因礦井資源接近枯竭，經(jīng)政府批準(zhǔn)破產(chǎn)重組，更名為冀中能源峰峰集團有限公司辛安礦。重組后井田范圍保持不變，礦區(qū)面積15.280 7 km2；批準(zhǔn)開采煤層為2、6、7、8、9號煤層，開采方式為地下開采，開采煤層標(biāo)高+230—-950 m。目前，礦井主采煤層為2號煤，2014年礦井核定生產(chǎn)能力為150萬t/a。礦井地質(zhì)類型、水文地質(zhì)類型均為復(fù)雜型，礦井涌水量在30～34 m3/min，屬大水礦井，防治水工作難度較大。

2 -500北翼地區(qū)概況

辛安礦-500水平北翼地區(qū)（以下簡稱-500北翼）位于以礦井東部井田邊界F1和F55大斷層為主干的“帚狀”構(gòu)造收斂部，區(qū)內(nèi)大中型斷層極為發(fā)育，根據(jù)勘查資料顯示，區(qū)內(nèi)2號煤層埋深大、斷裂構(gòu)造發(fā)育、煤巖層受強烈擠壓十分破碎，地層扭曲變形嚴(yán)重，且區(qū)內(nèi)山伏青、大青水可能通過各大中型斷層及其交接部位獲得奧灰水的側(cè)向和垂向補給。2015年經(jīng)地面專項補勘，區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件得到基本控制，新增2條落差25 m以上的斷層（F41-1、F42-1），且原有斷層走向長度增加，區(qū)內(nèi)構(gòu)造情況更趨復(fù)雜。為確保區(qū)內(nèi)煤層安全開采，選擇-500北翼地區(qū)作為此次工程的試驗地區(qū)，提高-500北翼地區(qū)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件探查精度，并采取針對性防治水措施。

3 -500北翼探查工程主要研究內(nèi)容

3.1 主要研究、試驗內(nèi)容

目前，經(jīng)過峰峰集團近幾年研究和實踐，地面定向水平鉆進技術(shù)試驗效果顯著，在目的層內(nèi)鉆遇高，注漿效果好。該項目選擇大青薄層灰?guī)r作為探查研究目的層進行工程施工，利用水平定向鉆孔在探查目的層內(nèi)的鉆遇情況，通過孔口返出巖屑對地層進行辨別，從而達到判別構(gòu)造的發(fā)育情況。

辛安礦通過礦井已有勘探資料，通過多方分析論證，選擇-500北翼地區(qū)作為此次工程的試驗地區(qū)，選擇大青灰?guī)r作為探查治理目的層，通過鉆孔在大青灰?guī)r的鉆遇情況，分析鉆遇的地質(zhì)構(gòu)造。工程設(shè)計施工3個主孔，多水平分支孔及次級分支孔，線、網(wǎng)狀對區(qū)域內(nèi)大青灰?guī)r構(gòu)造及水文地質(zhì)條件進行全面探查、治理，有效探明開采煤層底板構(gòu)造發(fā)育情況，并采取針對性防治水措施，確保區(qū)內(nèi)煤層安全開采。

3.2 目 標(biāo)

對煤層下伏大青薄層灰?guī)r含水層地質(zhì)構(gòu)造條件及水文地質(zhì)條件進行精準(zhǔn)探查，提高區(qū)內(nèi)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件探查精度，并通過探查鉆孔進行預(yù)注漿加固、治理。在工程施工過程中對已進行過探查治理的區(qū)域進行安全開采階段評價，同時通過鉆探及物探手段，確認探查治理效果及技術(shù)的可行性研究，最終解放采區(qū)煤層儲量，實現(xiàn)區(qū)內(nèi)煤層的安全開采。

3.3 技術(shù)關(guān)鍵

鉆孔按設(shè)計曲線軌跡準(zhǔn)確鉆進至目標(biāo)層位并在目標(biāo)層位長距離鉆進是定向水平鉆進的關(guān)鍵步驟，只有保證鉆孔在目的層內(nèi)的高鉆遇率才能通過鉆遇地層情況有效的對地質(zhì)構(gòu)造進行精準(zhǔn)辨別。

4 探查治理目的層選擇

辛安礦奧灰位于地下水強徑流帶，富水性極強，礦井2010和2011年連續(xù)2 a年發(fā)生奧灰突水事故，最大突水量400 m3/min，另外，辛安礦地質(zhì)類型為極復(fù)雜型，構(gòu)造發(fā)育且新區(qū)控制程度低，選擇奧灰頂部作為治理目的層不僅構(gòu)造無法判別，且注漿量大，無法達到治理的效果，因此選擇奧灰頂部作為區(qū)域治理目的層不符合礦井實際情況。

選取奧灰頂部為目的層：奧陶系灰?guī)r屬巨厚層，無界，在奧灰中施工鉆孔，鉆孔始終在灰?guī)r范圍內(nèi)，層位判別困難，另外，奧灰富水性存在各向異性，注漿漿液控制難度大，注漿量過大增加成本。

選取薄層灰?guī)r為目的層：薄層灰?guī)r厚度小，上下標(biāo)志層較多，斷層、隱伏構(gòu)造容易進行判斷，注漿漿液擴散容易控制，注漿量小，能滿足工作面開采的安全技術(shù)條件。

5 -500北翼地區(qū)探查方案設(shè)計

該試驗設(shè)計主孔3個，編號注3、注4、注5，定向分支孔30個，按水平間距40 m，東西向平行布置，自南向北依次編號為注3-1～注3-12；注4-1～注4-16；注5-1、注5-2。對覆蓋范圍內(nèi)2號煤層底板大青含水層構(gòu)造及水文地質(zhì)條件進行全面探查、治理。

6 工程探查成果

（1）辛安礦北翼地面區(qū)域治理勘探工程注3、注4孔設(shè)計30個水平分支，設(shè)計鉆探工程量37 086 m，實際自2017年4月10日開工，2019年12月21日完成鉆探施工任務(wù)。歷時986 d。共完成2個主孔段，7個造斜段，28個水平分支孔，完成鉆探工程量39 504.92 m，包括主孔段319.01 m，造斜段4 827.66 m，水平段34 358.25 m。實際完成工程量比設(shè)計增加了2 418.92 m，增加原因為新探查f1、f2、f3、f4、f5等斷層，及增加奧陶系灰?guī)r頂界面探查孔需要增加工程量，查明斷層落差后重新側(cè)鉆鉆進。各分支鉆孔方位、傾角、孔深、探測層位、入窗及靶點均達到設(shè)計要求。

（2）該工程水平分支成平行條帶狀或羽狀分布，3-0、3-1、3-2、3-3分支間距60 m左右；3-4及后續(xù)水平分支間距40 m左右，所有分支嚴(yán)格按照設(shè)計軌跡進行施工，定向軌跡偏差均小于±5 m，關(guān)鍵點偏差小于±3 m，滿足設(shè)計要求。

（3）該工程鉆進過程中累計共注水泥44 621.33 t，包括漏失注漿水泥44 424.32 t，封孔注漿水泥197.01 t。注漿壓力10～15 MPa，注漿后掃至原孔深進行了壓水試驗，計算透水率小于0.01 L/min.m.m，繼續(xù)鉆進過程中在注漿位置附近未發(fā)生漏失，注漿質(zhì)量合格。

（4）水平分支大青灰?guī)r鉆遇率為80%～97%，均大于80%，達到設(shè)計要求。

（5）施工過程中根據(jù)收集的地質(zhì)資料建立了大青灰?guī)r伽馬值范圍（大青灰?guī)r頂板砂質(zhì)泥巖100～130 API、大青灰?guī)r<40API、大青灰?guī)r底含炭質(zhì)灰?guī)r100 API左右、大青灰?guī)r底板8號煤80～100 API）、鉆時變化以及地層巖性穩(wěn)定性，摸清了大青灰?guī)r及其頂?shù)装宓貙拥刭|(zhì)情況。

（6）水平分支施工過程中，結(jié)合巖粉、伽馬、鉆時綜合分析，多次鉆遇斷層，經(jīng)對地層分析比對，進一步提高了對F37、F38、F39、F40、F41、F42、F44、F55-1等斷層的控制程度。新增大青灰?guī)r段6條，分別為f1、f2、f3、f4、f5、f6。注3孔各分支孔f2斷層以西揭露大青層位地層較為穩(wěn)定，f2斷層以東各孔均揭露多條落差大于10米的隱伏斷層，斷層在大青層位附近發(fā)育。受斷層組影響，地層連續(xù)性遭到破壞?？蔀楹笃诠ぷ髅骈_采提供依據(jù)。

（7）各分支孔在水平段施工過程中共進行壓水試驗93次，非漏失段計算透水率均小于0.01 L/min.m.m。部分區(qū)域大青灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育，施工過程中發(fā)生循環(huán)液失返現(xiàn)象，測量大青灰?guī)r含水層水位為115.6～-156.75 m，奧灰含水層近3年最高水位+126.1 m，說明大青灰?guī)r含水層裂隙局部發(fā)育，且與下伏奧灰含水層存在一定水力聯(lián)系部分分支孔施工至過f5、f6斷層后，出現(xiàn)循環(huán)液漏失現(xiàn)象，水位為+121.95～+126.1 m，受構(gòu)造影響，大青灰?guī)r與奧陶系灰?guī)r存在水力聯(lián)系。

（8）截至2020年4月1日，-500北 翼212-1煤柱工作面已施工完成井下大青區(qū)域治理效果檢驗孔6個，結(jié)合采區(qū)內(nèi)及周邊已有大青觀測孔資料，大青水位由-50 m降為-270 m，治理前大青單孔涌水量20～150 m3/h，治理后單孔涌水量均小于3 m3/h。

（9）綜上所述，通過區(qū)域探查治理后，切斷了大青灰?guī)r含水層與下伏奧灰含水層的水力聯(lián)系，將底板大青灰?guī)r含水層改造為相對隔水層，進一步增強了2號煤層底板巖層的完整性，使煤層開采安全系數(shù)增加，達到了區(qū)域治理目的。

7 技術(shù)創(chuàng)新

（1）避免了井下施工鉆孔的危險性，避免淹頭、淹面情況發(fā)生。

（2）將礦井構(gòu)造探查由單點控制升級為線、網(wǎng)狀控制，可有效提高礦井構(gòu)造探查精度。

（3）該技術(shù)僅需施工1個主孔，通過施工多水平分支孔實現(xiàn)構(gòu)造的精準(zhǔn)探查。

（4）簡化施工工序，少下套管減少單孔施工所需的等凝時間

（5）省卻地面物探技術(shù)探查需求。

（6）可通過探查鉆孔對含水層進行注漿改造、對隔水層進行加固，提高煤層開采安全系數(shù)。

8 結(jié) 語

利用定向水平鉆進技術(shù)精準(zhǔn)探查礦井地質(zhì)構(gòu)造研究經(jīng)過辛安礦-500北翼地區(qū)的實踐應(yīng)用，證明該技術(shù)成熟度高，成功率大，設(shè)計簡單、實施簡便、適用范圍廣泛、效果良好，所總結(jié)出來的各項技術(shù)參數(shù)、經(jīng)驗等，對于地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)及與辛安礦相似的礦井實施精準(zhǔn)構(gòu)造探查提供了很好的參考借鑒。