地面L型鉆孔煤層底板注漿加固技術*

崔亞利孫曉宇高 尚戴亞男常若曦

（1.安徽恒源煤電股份有限公司；2.北京中煤礦山工程有限公司；3.煤礦深井建設技術國家工程實驗室）

煤層底板水害是僅次于瓦斯事故的重大災害，我國煤炭資源開采受水害影響嚴重［1］，承壓水害已嚴重威脅華北型煤田深部開采的安全［2-4］，淮北煤田屬于典型的華北型煤層，安徽恒源煤礦主采煤層為二疊系山西組6煤，煤層底板承受太灰含水層組，水壓為3.9～5.3 MPa，隔水層平均厚度為46 m，對應突水系數(shù)為0.08～0.12 MPa/m，遠超過《煤礦防治水細則》構造發(fā)育區(qū)臨界值為0.06 MPa/m的要求。為了避免煤層底板突水，保證巷道順利掘進和煤層安全回采，恒源煤礦采用地面L型鉆孔超前探查和注漿技術對II634、II635工作面6煤層以下含水層進行探查治理，克服了工作面防治水技術占用巷道掘進時間長、注漿壓力低、注漿量小、施工效率低、施工工期長等缺點，不僅實現(xiàn)了區(qū)域超前煤層底板加固的目的，而且提高了施工效率及經(jīng)濟效益。

1 工程概況

本次治理區(qū)域為Ⅱ63采區(qū)中部的Ⅱ634、Ⅱ635工作面，走向長1 750 m，傾斜寬360 m，面積約為65萬m2，開采標高為-690～-770 m，主采煤層厚度為1.50～5.03 m，平均值為2.95 m；煤層傾角為2°～26°，平均傾角為9.1°，局部因受地質構造的影響，傾角可能高達30°，根據(jù)三維地震資料看，治理區(qū)域內(nèi)斷層構造發(fā)育，發(fā)育落差大于3 m的斷層13條，地質條件較為復雜。根據(jù)治理區(qū)域地層及構造發(fā)育特點，地面共布置3個鉆孔群，28個水平孔段，對治理區(qū)域實現(xiàn)全區(qū)覆蓋，并且水平孔段與構造裂隙斜交，其鉆孔平面設計如圖1所示。

治理區(qū)域內(nèi)6煤層底板直接充水含水層主要為太灰含水層，其中L1灰?guī)r含水層距6煤層平均距離為46 m，承受太灰水壓為3.9～5.3 MPa，對應突水系數(shù)為0.08～0.12 MPa/m，遠超過構造區(qū)域臨界值0.06 MPa/m，存在較大的突水安全威脅；通過分析水文地質條件，本次地面L型鉆孔超前探查、注漿治理目的層為L3灰?guī)r含水層，隔絕其下方含水層。L3灰?guī)r含水層與6煤層底板平均距離為66 m，地層結構如圖2所示。

2 鉆孔施工設計

2.1 鉆孔結構

由于主采煤層埋深較深，地面L型定向鉆孔需穿越?jīng)_積層、穩(wěn)定基巖、煤層后進入目的層，為了確保鉆孔孔壁穩(wěn)定及水平孔段注漿升壓，采用雙層套管施工技術以封固沖積層與煤層，因此必須對鉆孔結構進行合理設計，并選擇合適的套管以滿足水平孔段孔徑的要求［5］。鉆孔結構分為3級，分別為一開孔段、二開孔段和三開水平孔段，鉆孔結構如圖3所示。

（1）一開0～200 m，孔徑為311 mm，下入?244.5 mm×8.94 mm套管；下至基巖層段，進入基巖內(nèi)不少于20 m，并用單液水泥漿進行固管。

（2）二開200～1 000 m，孔徑為215.9 mm，下入?177.8 mm×8.05 mm套管，下至一灰上部海相泥巖底，并用單液水泥漿進行固管。

（3）三開1 000 m～終孔，孔徑為152.4 mm，沿L3灰?guī)r層順層鉆進，為裸孔段。

2.2 鉆孔軌跡控制

根據(jù)治理區(qū)地面建筑、井下巷道采掘布置及灰?guī)r含水層富水性不均一特點，每個鉆孔單元（鉆孔群）施工1個主孔和多個水平孔段，Z2鉆孔三維立體圖如圖4所示。

Z1、Z2、Z3鉆孔直孔段為200 m，經(jīng)過直孔段、造斜段的施工，鉆孔井斜由0°變?yōu)?0°～90°，使鉆孔走向與L3灰?guī)r層傾角相近（L3灰?guī)r層傾角為6°～10°，對應鉆孔井斜為80°～84°），其具體軌跡參數(shù)如表1所示。以Z1鉆孔為例，因地面條件限制，該鉆孔采用1個主孔、2個造斜段的鉆孔施工工藝，即Z1A造斜段側鉆的Z1-1、Z1-2、Z1-3、Z1-4、Z1-5、Z1-6水平孔段施工完畢后，對Z1A二開套管進行部分切割、起拔后，再進行Z1B造斜段造孔及套管下放施工，然后進行各水平孔段的施工，Z1B造斜段側鉆Z1-7、Z1-8、Z1-9、Z1-10、Z1-11水平孔段。在實際施工過程中采用巖屑錄井、鉆時錄井、物探錄井等技術手段，及時調(diào)整鉆孔軌跡，保證水平孔段始終在L3灰?guī)r目的層鉆進。

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3 注漿施工設計

本工程采用單液水泥漿通過分段“探注結合”施工，有效封堵L3灰?guī)r含水層的溶隙及裂隙導水通道。通過高壓注漿將導水通道充填壓密，降低滲透性，提高地層的整體防滲性能，在治理區(qū)域范圍內(nèi)形成有效的“水平阻水層”，阻隔來自L3灰?guī)r含水層及其下部含水層中的地下水，從而達到治理區(qū)域煤層底板超前治理的目的。

3.1 注漿技術要求

（1）注漿層位為6煤底板L3灰?guī)r含水層。

（2）L3灰?guī)r含水層順層鉆進時，鉆遇鉆井液漏失量小于15 m3/h時可采取調(diào)配鉆井液方式繼續(xù)鉆進；無漏失或漏失量較小時每鉆進100 m進行一次壓水實驗；鉆遇鉆井液漏失量大于15 m3/h時，提鉆注漿，注漿結束后掃孔繼續(xù)鉆進。

（3）水平分支孔終孔后，注漿壓力達到結束標準時，對該水平孔段進行全段高壓注漿封孔。

3.2 注漿施工順序

首先對3個主孔進行施工，造孔工作完成后下放套管，并用單液水泥漿進行固管，水平孔段鉆進時，根據(jù)鉆探情況進行注漿工作；Z1鉆孔水平孔段的施工順序為Z1-5、Z1-4、Z1-6、Z1-2、Z1-3、Z1-1、Z1-7、Z1-8、Z1-9、Z1-10、Z1-11；Z2鉆孔水平孔段的施工順序為Z2-3、Z2-4、Z2-5、Z2-8、Z2-7、Z2-6、Z2-1、Z2-2；Z3鉆孔水平孔段的施工順序為Z3-2、Z3-1、Z3-3、Z3-4、Z3-9、Z3-8、Z3-7、Z3-6、Z3-5，水平孔段的施工是為注漿提供服務，鉆孔基本采用間隔式施工順序，這樣可以采用中間孔的壓水實驗成果及注漿量大小分析先施工水平孔段的注漿效果；另外，結合礦方巷道掘進先后順序以及其它方面的要求，對各水平孔段的施工順序作相應調(diào)整，以確保注漿效果。

3.3 注漿施工要求

根據(jù)治理區(qū)工作面底板地質及水文地質條件，采用單液水泥漿作為注漿材料，單液水泥漿注漿工藝流程：一次攪拌（水泥+水）→二次攪拌（添加劑）→注漿泵輸送→注漿管路→受注巖層段。

每次注漿前，均要進行壓水試驗，壓水時間大于30 min，通過壓水實驗疏通注漿管路及孔內(nèi)巖石裂隙、測定單位受注層段吸水率，壓水試驗成果以吸水率q表示。

式中，q為吸水率，Lu；Q為壓入流量，L/min；P為作用于試段內(nèi)的等效全壓力，MPa；L為試段長度，m。

根據(jù)壓水試驗成果，選擇漿液濃度，密度選取1.2～1.6 g/cm3。一般遵循“先稀后稠再稀”的注漿原則，先用稀漿進行試注，了解該孔段注漿量大小及孔口壓力變化情況，并觀測鄰孔是否發(fā)生串漿等情況，再對漿液濃度進行逐漸調(diào)整。

每次注漿結束后，均要向孔內(nèi)壓水，壓水量為管路與孔內(nèi)體積之和，在鉆孔自然泄壓后下鉆具掃孔至孔底，進行下一個水平孔段的鉆探施工。

4 鉆孔實際施工

采用地面定向孔鉆探、注漿技術對Ⅱ634、Ⅱ635工作面進行探查注漿治理，本工程共計施工3個一開孔段，4個二開孔段及20個水平孔段，所有孔段鉆孔軌跡誤差偏差均控制在5‰以內(nèi)，總鉆探量為17 702.78 m，鉆孔實鉆參數(shù)如表2所示。

5 注漿效果分析

Ⅱ634、Ⅱ635工作面在施工過程中，由于水平孔段長度較大，為了保證注漿質量，本工程采用遇漏則注（水平孔段鉆進時鉆井液漏失量≥15 m3/h）與分段注漿相結合的方式對Ⅱ634、Ⅱ635工作面進行高壓注漿，共計注入水泥19 129.331 t，注漿詳情如表3所示。

注漿結束標準：注漿壓力為10～12 MPa，注漿泵量為40～60 L/min，并且穩(wěn)定時間≥30 min［6］。

在工作面回采之前，井下鉆場布置136個常規(guī)檢驗孔，治理范圍內(nèi)檢驗孔出水量均小于5 m3/h；工作面回采過程中，未出現(xiàn)煤層底板起鼓或出水現(xiàn)象；目前，II634工作面已實現(xiàn)安全回采，地面定向孔注漿效果顯著。

6 結論

（1）本工程采用地面L型鉆孔超前探查、注漿技術，已施工3個主孔及20個水平孔段，使水平孔段鉆孔軌跡始終處于治理目的層中，大大增加了鉆孔與目的層的接觸面積，通過地面高壓注漿，實現(xiàn)了對目的含水層的有效改造，增加了煤層底板的抗壓強度。

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（2）地面定向孔區(qū)域超前注漿防治水技術在恒源煤礦II634、II635工作面得到了成功應用，通過分析鉆探、注漿及驗證效果的綜合分析，本工程鉆孔布置合理、鉆孔定位精準、注漿方案科學、注漿工藝先進，確保了工作面的安全回采。

（3）實現(xiàn)了巷道邊掘邊探向巷道施工前探查治理、井下向地面探查治理以及采面向區(qū)域探查治理的轉變；在時間和空間上的有效拓展，不僅有效提升了煤層底板水害治理的安全性，而且極大提高了煤礦防治水的施工效率及經(jīng)濟效益。

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