基于地面定向鉆進(jìn)技術(shù)的大巷掘進(jìn)水害防治技術(shù)研究

范增修

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 054000）

1 概 況

邢東礦1300采區(qū)主采2號煤，2號煤底板距奧灰頂面平均距離為165 m，煤層底板承壓高，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。1300采區(qū)大巷布置在井田1300采區(qū)中部，開掘標(biāo)高-760—-680 m。1300采區(qū)大巷揭露地層位于6號煤以上，距奧灰含水層最近距離108 m，大巷掘進(jìn)區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)育多條斷層，斷層拉近了含水層與煤層的距離，同時斷層的阻隔水性能低于完整巖層，且存在發(fā)育為導(dǎo)含水?dāng)鄬拥目赡苄?，其中F19、F15斷層由于落差較大，對大巷掘進(jìn)產(chǎn)生極大影響。

F15斷層走向北東，傾向南東，-750 m水平的6煤至9煤與奧灰八段以斷層相接觸，-750 m的2號煤與斷層北側(cè)的大青灰?guī)r相對應(yīng)，它們之間存在一定的水力聯(lián)系。井田內(nèi)D水11和D水12兩孔奧灰水水質(zhì)中硫酸根離子含量較高，說明煤系水在F1對口部位補(bǔ)給西側(cè)奧灰的同時，也通過北部F15斷層先補(bǔ)給井田內(nèi)和F15斷層以北的奧灰以后，再從北部的奧灰補(bǔ)給F1斷層以西的奧灰。F19斷層走向北東，傾向南東，-750 m以淺的2煤至9煤全與奧灰地層相對應(yīng)，在深部斷層兩側(cè)含水層對口部位。另根據(jù)水文地質(zhì)補(bǔ)勘時對水文孔進(jìn)行抽水試驗結(jié)果，水4孔和水5孔分別處于F19斷層兩側(cè)，水5孔抽水開始后水4孔水位下降，可以初步推斷F19斷層兩側(cè)的奧陶統(tǒng)八段巖溶裂隙水局部存在水力聯(lián)系。

綜上所述，F(xiàn)15、F19斷層含導(dǎo)水性需要進(jìn)一步查清。因此，為保證1300采區(qū)大巷掘進(jìn)安全，通過地面定向水平分支鉆孔技術(shù)，探查構(gòu)造發(fā)育情況、斷層的導(dǎo)含水性，通過注漿工程切斷奧灰水補(bǔ)給通道。

2 地面定向分支孔設(shè)計

2.1 鉆探設(shè)計

設(shè)計地面孔主孔1個，編號為XD2；在兩條大巷兩側(cè)55 m及兩巷正下方各布置1個水平分支鉆孔，共4個，編號為B1～B4孔，后根據(jù)鉆探實際情況增加1個檢查孔B1-1。設(shè)計孔口止?jié){、高壓注漿的注漿工藝。注漿材料以水泥單液漿為主，孔口注漿終壓為7.0 MPa。平面布置如圖1所示。

圖1 鉆孔布置平面Fig.1 Drilling hole layout plane

2.1.1 鉆孔剖面

地面主孔XD2剖面如圖2所示。

圖2 XD2鉆孔剖面圖Fig.2 No.XD2 drilling hole profile

B3孔為1300采區(qū)開拓大巷區(qū)域施工的第二個分支鉆孔，如圖3所示。

圖3 B3鉆孔剖面圖Fig.3 No.B3 drilling hole profile

B2孔為1300采區(qū)開拓大巷區(qū)域施工的第三個分支鉆孔，如圖4所示。

圖4 B2鉆孔剖面圖Fig.4 No.B2 drilling hole profile

2.1.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

XD2鉆孔采用三開兩層套管結(jié)構(gòu)。

一開：斜直孔段，0～258 m，垂深257.5 m，偏移-3.61 m，孔徑311 mm，下入φ244.5 mm×8.94 mm孔口管，至基巖層段10 m。

二開：斜直孔+造斜段，套管下深935.94 m，垂深849.64 m，位移-31.6 m，孔徑216 mm，下入φ177.8 mm×8.05 mm套管，穿過2號煤78.5 m。

三開：裸孔，導(dǎo)斜段加近水平段，孔徑152 mm，沿野青灰?guī)r附近大段砂巖層位內(nèi)鉆進(jìn)。

2.1.3 鉆探施工要求

鉆探施工必須保證主孔軌跡能夠滿足水平分支孔的施工，以及水平分支孔軌跡滿足控制點及靶點要求，關(guān)鍵控制點誤差不超過1.5 m，鉆孔軌跡與設(shè)計軌跡誤差不超過5 m。近2煤至終孔，每1 m撈1包砂樣至完鉆，并做好鑒定，建立地層剖面。鉆進(jìn)過程中做好鉆孔原始記錄，鉆探過程中如遇漏水、塌孔、縮徑、掉鉆等現(xiàn)象時，要詳細(xì)記錄其發(fā)生的層位、深度及量值，對換徑變層等重要環(huán)節(jié)也要進(jìn)行詳細(xì)記錄。

鉆時錄井，自基巖段每1 m記錄1個點，至完井。要隨時記錄鉆時突變點，以便及時發(fā)現(xiàn)構(gòu)造異常區(qū)等。必須經(jīng)常核對鉆具長度和井深，每打完1個單根和起鉆前必須校對井深，井深誤差不得超過0.1 m。全井漏取鉆時點數(shù)不得超過總數(shù)的0.5%，目標(biāo)層井段鉆時點不得漏取。

鉆井液錄井，每8 h做一次全性能測定；每2 h測定一次一般性能（密度、粘度）。發(fā)現(xiàn)異常時，要連續(xù)測定鉆井液密度、粘度，并做好記錄。

簡易水文觀測，全井鉆進(jìn)過程中均應(yīng)嚴(yán)格按照鉆井要求做好簡易水文觀測記錄工作。每次起鉆后、下鉆前測量一次水位（井筒液面）；每鉆進(jìn)2 h記錄一次鉆井液消耗量（泥漿池液面），進(jìn)入目標(biāo)層后每0.5 h記錄一次鉆井液消耗量。

2.2 注漿工程設(shè)計

注漿工程的主要目的是充填野青灰?guī)r底部溶隙和裂隙，封堵斷層等構(gòu)造薄弱區(qū)段，注漿過程中采用合理的注漿工藝保證工程質(zhì)量。注漿方式采用孔口止?jié){、高壓注漿法。

2.2.1 注漿條件

（1）當(dāng)鉆孔未揭露構(gòu)造時，遇見沖洗液少量漏失現(xiàn)象時，采取調(diào)配堵漏劑堵漏鉆進(jìn)；遇見沖洗液大量漏失現(xiàn)象時，采用稠水泥漿堵漏鉆進(jìn)。

（2）當(dāng)鉆孔揭露構(gòu)造后，遇見沖洗液漏失量大于5 m3/h時，向前鉆進(jìn)10 m，待完成清水替漿、酸化洗井、抽水洗井、壓水等工作后，進(jìn)行高壓注漿。鉆進(jìn)過程中若持續(xù)鉆進(jìn)200 m或穿過落差大于10 m的斷層，沖洗液漏失量不大于5 m3/h時，根據(jù)現(xiàn)場施工情況安排清水替漿、酸化洗井、抽水洗井、壓水、注漿等工作。

（3）各水平分支鉆孔鉆井完成后壓入清水替換沖洗液，先采用酸化洗井，然后下入潛水泵，進(jìn)行抽水洗井，至水清砂凈，進(jìn)行全段高壓連續(xù)注漿。

2.2.2 注漿材料

水泥采用32.5號礦渣硅酸鹽水泥。水泥單液漿中可加入0.03%～0.05%三乙醇胺和0.3%～0.5%食鹽作為早強(qiáng)劑。

2.2.3 漿液類型

此次探查治理工程采用地面注漿站造漿，通過專用輸漿管路送至探查治理鉆孔，主要漿液類型為水泥單液漿，水灰比1∶1～3∶1。

2.2.4 注漿工序

（1）每次注漿前，均要進(jìn)行壓水。主要目的是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。

（2）根據(jù)壓水試驗結(jié)果，確定漿液類型及其濃度。一般來講，須先用稀漿進(jìn)行試注，了解該孔吃漿量大小及孔口壓力情況，調(diào)整漿液濃度。

（3）若遇較大溶洞、裂隙，采用間歇注漿方式時，單次注漿結(jié)束后，要向孔內(nèi)壓水，之后及時下鉆具掃孔至孔底。

（4）要對壓水試驗及注漿過程進(jìn)行詳細(xì)記錄。按照注漿班報記錄表的格式如實測定并記錄漿液的比重、泵量、泵壓、孔口壓力等參數(shù)；及時匯總注漿量資料、注漿前后壓水試驗資料，繪制觀測孔水位、注漿量歷時曲線，分析注漿效果，為下一步施工提供依據(jù)。

2.2.5 單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)

（1）注漿總壓。注漿壓力的大小直接影響漿液的擴(kuò)散距離與有效的充填范圍。為使?jié){液有適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散范圍，既不可將壓力定得過低，造成漏注，也不可將壓力定得太高，致使?jié){液擴(kuò)散太遠(yuǎn)。注漿孔口壓力為7.0 MPa，當(dāng)孔口壓力達(dá)到7.0 MPa時，即可認(rèn)為該受注層段注漿已達(dá)到壓力結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

（2）單位吸水量標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)注漿壓力達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)行壓水試驗，測得單位吸水率q小于0.005 L/min·m·m（相當(dāng)于粉砂巖的透水性）時，即可認(rèn)為該段達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。

3 鉆探、注漿成果及注漿效果分析

工程共施工地面主孔1個，近水平分支孔5個，完成鉆探工程量4 739 m，共完成2次漏失點注漿和4次終孔注漿，累計使用水泥618 t。根據(jù)注漿情況，施工了1個注漿檢查孔，經(jīng)檢查，漏失點注漿效果良好

鉆探施工過程中，僅出現(xiàn)2次大于5 m3/h的漏失情況，分別為5 m3/h（B3孔）和8.4 m3/h（B2漏失點），各孔穿過斷層時，均未出現(xiàn)明顯的鉆井液消耗，未發(fā)現(xiàn)斷層導(dǎo)通奧灰水現(xiàn)象。

4 掘進(jìn)期間注漿效果驗證

4.1 物、鉆探

在大巷掘進(jìn)過程中，連續(xù)施工直流電法超前探測，并對物探異常區(qū)、地面分支孔漏失點等重點區(qū)域進(jìn)行鉆探驗證，均未發(fā)現(xiàn)水文異常現(xiàn)象。

4.2 巷道揭露情況

現(xiàn)1300大巷已基本施工完成，未發(fā)現(xiàn)水文異常，巷道在揭露斷層過程中均未發(fā)現(xiàn)斷層導(dǎo)（含）水現(xiàn)象。

5 結(jié) 語

以邢東礦1300采區(qū)大巷為研究對象，在大采深高承壓復(fù)雜地質(zhì)開采條件下，基于地面定向技術(shù)水平分支鉆孔注漿技術(shù)在水平開拓前開始進(jìn)行超前治理，實施地面治理為主、井下驗證為輔的主動防治水害戰(zhàn)略，為煤礦大巷掘進(jìn)水害防治提供新理念和新思路，能夠有效防止掘進(jìn)期間大斷層活化導(dǎo)通含水層引起的突水事故，保障大巷掘進(jìn)安全。