地面定向水平鉆技術(shù)在地質(zhì)異常區(qū)探查及治理中的應(yīng)用*

詹紹奇，孔皖軍，徐燕飛

(1.煤炭開(kāi)采國(guó)家工程技術(shù)研究院，安徽 淮南 232001；2.鄂爾多斯市華興能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017002；3.煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

0 引言

中國(guó)是世界最大的煤炭資源生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)[1]，隨著煤炭產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，煤礦安全事故是制約煤炭資源開(kāi)采的主要威脅，地質(zhì)異常體因其富水性對(duì)煤礦安全生產(chǎn)存在極大的安全隱患[2]，常見(jiàn)地質(zhì)異常體包括斷層、陷落柱、巖溶等，往往會(huì)形成導(dǎo)水構(gòu)造，近80%的礦井安全事故是由地質(zhì)異常體誘發(fā)[3]，受地質(zhì)異常體影響導(dǎo)致的煤礦水害事故時(shí)有發(fā)生[4 -6]。

進(jìn)行超前探查治理可從根本上排除地質(zhì)異常體致災(zāi)的潛在危險(xiǎn)[7]。長(zhǎng)久以來(lái)對(duì)于煤礦地質(zhì)異常體的治理均是在工作面運(yùn)輸巷道和回風(fēng)巷的井下完成[8]，隨著防治思路轉(zhuǎn)變和穩(wěn)定組合鉆具的定向鉆進(jìn)技術(shù)的完善，地面定向鉆探技術(shù)與地面注漿技術(shù)結(jié)合在地質(zhì)異常體探治方面取得了良好的應(yīng)用[9]。其中地面定向水平鉆進(jìn)是由常規(guī)定向鉆進(jìn)發(fā)展起來(lái)的，在施工中具有跟蹤和導(dǎo)向功能，其先垂直鉆進(jìn)(直線段)，后偏斜鉆進(jìn)，形成曲線孔段，再以水平方向沿礦層(如煤層)或目標(biāo)層鉆進(jìn)[10]，再將一種或幾種材料按比例配置成漿液，用壓送設(shè)備將其壓入含水層或軟弱松散層中凝固膠結(jié)，可以起到堵水或加固作用[11 -12]。

唐家會(huì)煤礦隸屬于華北型煤田，受奧灰水害威脅嚴(yán)重，地質(zhì)異常體易形成導(dǎo)水構(gòu)造，為安全生產(chǎn)增加潛在風(fēng)險(xiǎn)，將地面定向水平鉆井與注漿改造技術(shù)結(jié)合應(yīng)用于地質(zhì)異常體治理，可準(zhǔn)確進(jìn)入目標(biāo)層實(shí)施注漿堵水和底板加固工程，從而達(dá)到較好的治理效果[13 -14]。

1 礦井及地質(zhì)異常區(qū)概況

唐家會(huì)煤礦位于準(zhǔn)格爾煤田中部，總體地形北高南低，最高點(diǎn)海拔標(biāo)高為+1 356.87 m，最低點(diǎn)海拔標(biāo)高+1 161.30 m，相對(duì)高差最大195.57 m，一般海拔+1 220～+1 300 m，相對(duì)高差80 m左右。唐家會(huì)煤礦開(kāi)采華北型石炭 -二疊系煤層，主采6號(hào)煤層為帶壓開(kāi)采，底板承受奧灰水壓力約為1 MPa，煤層與奧灰距離約為35～58 m，由于6號(hào)煤層底板奧灰富水性強(qiáng)且斷層(構(gòu)造)發(fā)育，6號(hào)煤層底板受奧灰水的威脅極大[15 -16]。

在61303工作面運(yùn)輸通過(guò)底板順層定向長(zhǎng)鉆孔對(duì)61304工作面進(jìn)行超前底板探查工程中，由于61304工作面靠近切眼端的第5組底板順層長(zhǎng)鉆孔，發(fā)現(xiàn)ZL10-2、ZL10-2-1和ZL10-2-2三孔存在地質(zhì)及水文地質(zhì)異常(見(jiàn)表1)，3個(gè)孔出水量均大于9下煤砂巖層位中施工鉆孔的正常涌水量(一般小于5 m3/h)。分析后認(rèn)為異常區(qū)溝通下伏奧灰水，對(duì)61304工作面安全開(kāi)采威脅極大，后對(duì)3個(gè)異常鉆孔進(jìn)行封閉，共注水泥49.5 t，注漿壓力達(dá)9 MPa。

為查明異常區(qū)的準(zhǔn)確位置，對(duì)該區(qū)重新進(jìn)行地面精細(xì)三維地震解釋工作，發(fā)現(xiàn)61304工作面存在地質(zhì)異常區(qū)(編號(hào)：Y6)，Y6地質(zhì)異常區(qū)向南延伸到61305工作面內(nèi)，因此6號(hào)煤層后續(xù)其余工作面開(kāi)采亦受奧灰水的威脅，如圖1所示。

2 治理層位選擇

相鄰61303工作面斷面鉆孔光纖及并行電法多參數(shù)綜合測(cè)試表明，6號(hào)煤層底板巖層破壞帶深度為15.5 m，位于細(xì)砂巖巖層上部，破壞擾動(dòng)最大深度為32.0 m，位于砂泥巖巖層下部，具體情況如圖2所示。“下三帶”理論表明，在煤層開(kāi)采過(guò)程中，煤層底板巖層由上到下形成底板導(dǎo)水破壞帶、有效隔水層保護(hù)帶和承壓水導(dǎo)升帶，根據(jù)唐家會(huì)煤礦實(shí)測(cè)，6號(hào)煤層底板破壞帶h1最大值為16.5 m。

表1 異常鉆孔概況

圖1 61304工作面Y6異常區(qū)范圍示意Fig.1 Schematic diagram of Y6 abnormal area in 61304 working face

圖2 工作面“下三帶”及注漿層位示意Fig.2 Schematic diagram of “l(fā)ower three zones” and grouting horizon of working face

因6號(hào)煤層與奧灰間距35 m以上，測(cè)試結(jié)果表明工作面回采不會(huì)對(duì)奧灰層位產(chǎn)生擾動(dòng)，將治理目標(biāo)層位定為6號(hào)煤層底板奧灰頂界面下10～20 m，可以有效改造奧灰含水層頂界面，阻斷奧灰水頂界面導(dǎo)水裂隙等通道，見(jiàn)表2。

表2 61303工作面底板破壞測(cè)試結(jié)果匯總

3 工程設(shè)計(jì)與施工

3.1 鉆孔布設(shè)

將61304工作面Y6異常區(qū)注漿改造工程分為鉆井施工和注漿工程2個(gè)方面[17]。

鉆井施工：采用地面多分支水平定向水平順層鉆進(jìn)技術(shù)，利用螺桿鉆具等井底動(dòng)力工具與無(wú)線隨鉆測(cè)量?jī)x器共同作用[18]，形成孔斜角大于86°，鉆進(jìn)至目標(biāo)層，使原來(lái)在治理區(qū)內(nèi)的無(wú)聯(lián)系溶洞、斷裂構(gòu)造等相互連通，然后通過(guò)注漿消除這些異常地質(zhì)構(gòu)造，達(dá)到目的層區(qū)域治理的效果。綜合考慮工作面及煤層展布情況、構(gòu)造特征、鉆探施工效能等因素，布設(shè)鉆孔DY1并進(jìn)行“地面定向近水平順層分支鉆孔群”施工，揭露6號(hào)煤底板奧灰含水層溶隙、裂隙等儲(chǔ)水空間和導(dǎo)水通道。施工順層間距40 m左右的近水平定向分支鉆孔，最大限度揭露Y6異常區(qū)及奧灰頂部區(qū)域儲(chǔ)水空間和導(dǎo)水通道，為注漿改造提供有利條件。鉆孔設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 鉆井平面布置Fig.3 Plane layout of drilling

注漿工程：在鉆孔揭露Y6異常區(qū)及奧灰頂部溶隙、裂隙帶的條件下，通過(guò)分段、分序次連續(xù)高壓注漿對(duì)裂隙及導(dǎo)水通道進(jìn)行封堵，達(dá)到有效改造Y6異常區(qū)，進(jìn)而達(dá)到保障礦井安全生產(chǎn)和減少礦井涌水量保護(hù)地下水資源的目的[19]。

3.2 井身結(jié)構(gòu)

注漿鉆井工程DY1孔采用三開(kāi)井身結(jié)構(gòu)如圖4所示。首先開(kāi)垂直井段，固井下表套后，開(kāi)采取大角度定向鉆進(jìn)工藝，近水平進(jìn)入奧灰頂部；下套管隔絕煤系地層，避免漿液無(wú)效流失和較軟巖層的塌孔事故；開(kāi)各分支順奧灰頂部下10～20 m鉆進(jìn)，沿鉆孔軌跡揭露Y6異常區(qū)，探明Y6異常區(qū)的發(fā)育情況。

圖4 井身結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of mine structure

開(kāi)采用逐級(jí)擴(kuò)孔方式達(dá)到設(shè)計(jì)孔徑。首先采用φ244.5 mm的牙輪鉆頭鉆進(jìn)至230 m，然后采用φ346 mm的牙輪鉆頭擴(kuò)孔鉆進(jìn)至230 m后，下入φ273 mm×8.89 mm的表層套管，并固井水泥上返至井口，隔離松散地層。

開(kāi)采用φ244.5 mm的牙輪/PDC鉆頭，鉆進(jìn)工程量447.63 m，進(jìn)入到奧灰風(fēng)化帶以下的完整灰?guī)r中，下入φ193.68 mm×8.33 mm的表層套管，固井水泥上返至井口。

開(kāi)采用三開(kāi)孔徑φ152 mm PDC鉆頭/三牙輪鉆頭，三開(kāi)水平井的著陸點(diǎn)在奧灰中，按奧灰頂界面以下10～20 m順層進(jìn)行水平段鉆進(jìn)，保證鉆孔揭露層位始終在奧灰中。

3.3 注漿工程設(shè)計(jì)

3.3.1 注漿參數(shù)

注漿材料：①水泥，采用符合國(guó)標(biāo)(GB175-92)的32.5R普通硅酸鹽水泥；②粉煤灰，采用符合國(guó)標(biāo)(GB1596-91)的Ⅱ級(jí)粉煤灰；③水(本工程注漿用水從鄰近的奧灰孔中抽取)。

注意事項(xiàng)：注漿漿液應(yīng)先稀后稠，注漿孔口終止壓力根據(jù)區(qū)域標(biāo)高來(lái)確定，根據(jù)61304工作面奧灰含水層最大靜水壓力等，綜合確定終止壓力為注漿地面孔壓力6 MPa。泵量達(dá)到35 L/min以下且注漿穩(wěn)壓達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，并穩(wěn)定20 min以上即可結(jié)束單孔注漿，否則繼續(xù)。注漿漿液通過(guò)注漿孔，以全孔段注漿方式泵入，充填到奧灰含水層頂部溶洞的裂隙中。采用由稀到稠的連續(xù)注漿方式使混合液通過(guò)注漿孔充填到溶洞裂隙中去。

3.3.2 注漿工藝

工程采用孔口封閉靜壓式全孔段注漿法。在每次注漿前先進(jìn)行全泵量壓水試驗(yàn)，沖洗注漿管路及孔內(nèi)巖石裂隙。其中，注漿分為以下3個(gè)階段。

常壓注漿階段：在注漿開(kāi)始階段，裂隙中只有奧灰水，當(dāng)注入混合漿液后，由于混合漿液密度大于裂隙中的奧灰水密度，混合漿液利用自重即可進(jìn)入奧灰裂隙中，起到混合漿液替代奧灰水的作用。

加壓注漿階段：此階段注漿壓力從靜水壓力逐漸升壓的狀態(tài)下進(jìn)行，其目的是封堵小裂隙通道，在壓力的作用下，使?jié){液橫向、縱向上進(jìn)一步擴(kuò)散，增加鉆孔注漿的控制范圍，由點(diǎn)—線—網(wǎng)—面，最后壓實(shí)固結(jié)，形成一個(gè)整體。

高壓注漿階段：后期階段高壓注漿是為了鞏固前期注漿效果，由于奧灰水水頭壓力高，加壓注漿階段混合漿液凝固抗壓能力<水頭壓力，所以在加壓注漿階段后期要注漿調(diào)整水泥注入量，并加大注漿壓力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，高壓注漿階段注漿孔口壓力選擇6 MPa，當(dāng)壓力穩(wěn)定20 min以上后停止注漿，進(jìn)行掃孔。

4 治理效果

唐家會(huì)煤礦Y6異常區(qū)地面定向水平鉆井注漿治理工程實(shí)際完成1個(gè)主孔、9個(gè)分支孔，鉆探工程量4 784 m。其中：直孔段230 m，造斜段400 m，水平鉆孔鉆探工程量4 154 m；共進(jìn)行壓水試驗(yàn)18次、高壓注漿18次，累計(jì)注入水泥及粉煤灰漿液19 762 m3，共注入水泥6 434 t，粉煤灰230 t。

鉆探取樣及注漿結(jié)果表明，工程施工區(qū)域內(nèi)奧陶系灰?guī)r巖溶以微裂隙發(fā)育為主，且發(fā)育不均衡，呈各向異性，未發(fā)現(xiàn)明顯斷層、巖溶陷落柱。通過(guò)對(duì)分段注漿后后續(xù)孔段鉆井液消耗量變化趨勢(shì)的分析，采用純水泥漿注漿時(shí)水泥漿液最小擴(kuò)散半徑為24.57 m，以40 m的分支間距施工，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異常區(qū)的“全覆蓋”。添加粉煤灰時(shí)水泥漿液擴(kuò)散半徑為9.66～24.28 m，粉煤灰的添加不利于水泥漿液的擴(kuò)散。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，10個(gè)定向分支水平鉆孔在本次工作的Y6異常區(qū)基本實(shí)現(xiàn)交叉全覆蓋，注漿治理覆蓋范圍面積12.05萬(wàn)m2。通過(guò)本次探查與治理工作，對(duì)Y6異常區(qū)及其影響區(qū)域6號(hào)煤底板奧灰?guī)r溶裂隙與導(dǎo)水通道進(jìn)行有效封堵，61304工作面安全通過(guò)異常區(qū)，有效保障礦井安全生產(chǎn)。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)綜合錄井判層、鉆進(jìn)異常、鉆井液消耗量、壓水試驗(yàn)、分支注漿量以及施工中未出現(xiàn)卡鉆、空推、掉鉆等巖溶異常發(fā)育現(xiàn)象等成果資料的綜合分析，有效查明目標(biāo)層巖溶異常區(qū)的發(fā)育情況。

(2)地面定向水平鉆井技術(shù)能夠準(zhǔn)確施工至目標(biāo)層位，對(duì)目標(biāo)層位進(jìn)行全方位探測(cè)和精準(zhǔn)治理，為水害區(qū)域治理提供可靠的技術(shù)和設(shè)備保障。

(3)地面定向鉆井注漿改造含水層技術(shù)具備勞動(dòng)強(qiáng)度小、周期短、效果優(yōu)等特點(diǎn)，豐富和完善了水害區(qū)域探查及治理技術(shù)手段。