井下多分支鉆孔治理導(dǎo)水?dāng)鄬蛹夹g(shù)研究與應(yīng)用

肖 騫，王 博，劉衛(wèi)衛(wèi)

（中煤科工西安研究院（集團(tuán)） 有限公司，陜西 西安 710077）

1 概 況

煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于礦井地質(zhì)保障領(lǐng)域，為煤礦安全生產(chǎn)、礦井高效運(yùn)行提供了有力支撐。唐家會煤礦受水害威脅嚴(yán)重，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層發(fā)育且多為導(dǎo)水正斷層。受DF201 斷層影響，61202 工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)過程中巷道頂?shù)装宄鏊^大，為保障巷道順利掘進(jìn)，利用定向鉆進(jìn)技術(shù)結(jié)合鉆孔注漿工藝治理斷層，探查斷層出水情況并封堵導(dǎo)水通道，消除安全隱患。

唐家會井田位于鄂爾多斯盆地東北緣的準(zhǔn)格爾煤田東孔兌普查區(qū)西南部，構(gòu)造位于華北地臺北緣，屬山西地臺背斜與鄂爾多斯地臺向斜的過渡帶。北接陰山褶皺帶，西臨鄂爾多斯地臺，為一西傾單斜構(gòu)造，一般傾角小于10°。區(qū)內(nèi)未見次級褶皺與巖漿活動，但斷層較為發(fā)育。

井田內(nèi)鉆孔揭露的含煤地層主要為太原組-山西組，巖性組合以砂巖、泥巖、煤層為主，夾少量石灰?guī)r。井田內(nèi)含可采煤層5 層，分別為6、9上、9下、4、5 煤，其中太原組6 煤為全區(qū)穩(wěn)定的主采煤層，平均厚度約17 m，6 煤上有豐富的砂巖水，下受奧灰水害威脅，底板隔水層厚度60～75 m，較為發(fā)育的正斷層與張裂隙容易形成導(dǎo)水通道，威脅礦井安全。

2 定向鉆進(jìn)技術(shù)

定向鉆進(jìn)技術(shù)是指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律或采用專用工具使鉆孔軌跡按設(shè)計要求鉆進(jìn)至預(yù)定目標(biāo)的一種鉆探方法，具有長距離、精度高、鉆孔軌跡可控等優(yōu)勢。

煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)多采用帶有1.25°彎角的螺桿馬達(dá)進(jìn)行定向鉆進(jìn)。鉆孔施工過程中，保持鉆桿不回轉(zhuǎn)，螺桿馬達(dá)在高壓水的作用下驅(qū)動鉆頭轉(zhuǎn)動切削巖石，采用隨鉆測量儀器實時測量鉆孔參數(shù)，鉆進(jìn)過程中通過不斷調(diào)整孔底螺桿馬達(dá)的工具面向角，控制鉆孔的傾角和方位角，使鉆孔沿著設(shè)定軌跡在目標(biāo)層位中延伸，達(dá)到定向鉆進(jìn)的目的。

3 DF201 斷層水害防治方案

3.1 DF201 斷層特征及危害

唐家會井田內(nèi)斷層發(fā)育，嚴(yán)重制約礦井安全高效運(yùn)行。DF201 斷層為正斷層，貫穿61202 工作面并與之斜交，斷層走向NE，傾向SE，傾角73°，工作面內(nèi)平均落差12.8 m，斷層附近巖層破碎，斷層與裂隙破壞了6 煤底板隔水層的完整性，巷道掘進(jìn)過程中斷層附近頂板淋水較大，底板多處涌水。

唐家會煤礦同時受頂板砂巖水害和底板奧灰水害威脅，頂板砂巖水可以通過頂板定向長鉆孔等進(jìn)行提前疏放，并取得了較好的應(yīng)用效果；而奧灰水的水位標(biāo)高通常高于6 煤底板平均標(biāo)高，區(qū)域內(nèi)承壓，壓力一般為0.5～1 MPa，并不斷有地面水源補(bǔ)給，因而在斷層及裂隙發(fā)育區(qū)存在發(fā)生水害事故可能。

3.2 DF201 斷層治理多分支鉆孔設(shè)計

針對61202 工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)過程中受DF201 斷層影響而導(dǎo)致出水較大的問題，為全面探查斷層導(dǎo)水特性，消除斷層隱患，掩護(hù)巷道安全掘進(jìn)，采用定向鉆進(jìn)技術(shù)施工井下多分支鉆孔對DF201 斷層出水情況進(jìn)行探查，結(jié)合鉆孔注漿，封堵出水通道。

根據(jù)DF201 斷層走向特征，依托工作面內(nèi)現(xiàn)有鉆場布置鉆孔，減少鉆場開拓成本，節(jié)約工期。DF201 斷層治理鉆孔施工位置選擇在61202 工作面運(yùn)輸順槽2 號鉆場，共設(shè)計2 組鉆孔，包含1 個主孔，10 個分支孔，主孔設(shè)計開孔傾角-19°，開孔方位347°。

第一組鉆孔施工層位選擇為6 煤底板砂巖，距6 煤底板平均40 m，其中F1-5 號孔為主孔，F(xiàn)1-4、F1-3、F1-2、F1-1、F1 號孔為分支孔，平面上由西向東呈扇形依次布置，靶區(qū)平均間距約25 m；第二組鉆孔施工層位沿6 煤底板逐漸向下，終孔層位選擇為奧陶系灰?guī)r頂界面，F(xiàn)H1-4 號孔、FH1-3 號孔、FH1-2 號孔、FH1-1 號孔、FH1 號孔均為分支孔，平面上穿插布置在第一組鉆孔之間，兩組鉆孔覆蓋了61202 回風(fēng)順槽底板斷層影響區(qū)域。為保證鉆具安全，所有施工鉆孔穿越斷層30 m 左右即終孔。DF201 斷層治理定向鉆孔設(shè)計如圖1 所示。

圖1 DF201 斷層治理定向鉆孔設(shè)計Fig.1 Design of directional drilling for DF201 fault control

鉆孔采用二級孔身結(jié)構(gòu)，一級孔身結(jié)構(gòu)目的為下套管，安裝控水閘閥等，因底板存在泥巖、9上煤、9下煤等不穩(wěn)定軟弱層，φ127 mm 套管需下至9下煤底板砂巖層內(nèi)，并滿足耐壓要求。二級孔身結(jié)構(gòu)為定向孔段，目的是通過鉆孔彎曲對斷層及附近出水情況進(jìn)行探查，孔身結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 鉆孔孔身結(jié)構(gòu)Table 1 Drilling hole structure

3.3 鉆孔注漿工藝設(shè)計

斷層治理鉆孔出水量較大，應(yīng)對施工完畢的鉆孔進(jìn)行注漿，施工過程中采用“施工一孔注一孔”的方法，防止孔內(nèi)出水量過大造成次生水害事故。

（1） 注漿前觀測鉆孔涌水量、水壓和水溫，并進(jìn)行孔內(nèi)放水，以排出孔內(nèi)巖屑。

（2） 每次注漿前，對孔內(nèi)進(jìn)行壓水，目的是檢查封孔質(zhì)量、疏通注漿管路、擴(kuò)張巖石裂隙，保證注漿效果。

（3） 注漿施工采用地面注漿系統(tǒng)向孔內(nèi)注單液水泥漿，井下輔助采用泥漿泵（或氣動注漿泵）向孔內(nèi)壓漿，采用P.O.42.5 硅酸鹽水泥，水灰比3∶1～1∶1。

礦區(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，奧灰水承壓，應(yīng)嚴(yán)格按照水文地質(zhì)孔規(guī)定進(jìn)行注漿作業(yè)，地面注漿壓力達(dá)6 MPa 后立即切換為井下注漿，終壓達(dá)9 MPa，穩(wěn)壓30 min 無滲透或壓降，注漿結(jié)束，設(shè)計注漿擴(kuò)散半徑為7.5 m。鉆孔施工及注漿擬采用的工藝流程如圖2 所示。

圖2 鉆孔及注漿施工工藝流程Fig.2 Drilling and grouting construction process

4 施工情況及分析

4.1 鉆孔施工

鉆孔施工采用中煤科工集團(tuán)西安研究院ZDY6000LD（B） 履帶式全液壓坑道鉆機(jī)，配套使用設(shè)備及機(jī)具包括3NB-320/8-30 往復(fù)式泥漿泵、φ98 mm 鉆頭、φ73 mm 螺桿馬達(dá)（1.25°彎角）、φ76 mm 無磁鉆桿、φ73 mm 中心通纜鉆桿、隨鉆測量探管、防爆計算機(jī)、φ73 mm 回轉(zhuǎn)鉆桿及φ73 mm 內(nèi)螺旋回轉(zhuǎn)鉆桿。

根據(jù)設(shè)計要求，先施工F1-5 號主孔，套管段施工采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)加定向鉆進(jìn)的施工工藝，其鉆具組合為：開孔φ98 mmPDC 鉆頭+φ73 mm 回轉(zhuǎn)鉆桿，鉆進(jìn)至6 煤底板；再更換為φ98 mmPDC 鉆頭+φ73 mm 孔底馬達(dá)+φ73 mm 下無磁鉆桿+ 隨鉆測量儀器+φ76 mm 上無磁鉆桿+φ73 mm 通纜鉆桿串，鉆進(jìn)孔深81m 至9 下煤底板；擴(kuò)孔φ98 mm/φ153 mmPDC 擴(kuò)孔鉆頭+φ73 mm 回轉(zhuǎn)鉆桿，擴(kuò)至孔深81 m；孔口管下深φ127 mm 孔口管×78.5 m，注漿封孔，周圍無滲透漿；耐壓試驗達(dá)到9 MPa，穩(wěn)壓30 min。

巖層段施工采用定向鉆進(jìn)加回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的施工工藝，其鉆具組合為φ98 mmPDC 鉆頭+φ73 mm 孔底馬達(dá)+φ73 mm 下無磁鉆桿+ 隨鉆測量儀器+φ76 mm 上無磁鉆桿+φ73 mm 通纜鉆桿串。

鉆進(jìn)至斷層位置附近，孔內(nèi)出水量增大，塌孔嚴(yán)重，返出較大巖塊，為保障孔內(nèi)鉆具安全，增強(qiáng)排渣效果，提高成孔效率，穿越斷層前將鉆孔傾角、方位角調(diào)整至合適角度，并更換鉆具組合為φ98 mmPDC 鉆頭+φ73 mm 內(nèi)螺旋回轉(zhuǎn)鉆桿，鉆進(jìn)至終孔。

而后依次施工剩余10 個分支孔，施工順序為第一組F1-4 號孔、F1-3 號孔、F1-2 號孔、F1-1號孔、F1 號孔；第二組FH1-4 號孔、FH1-3 號孔、FH1-2 號孔、FH1-1 號孔、FH1 號孔。分支孔施工所用鉆具組合與上述巖層孔段及穿越斷層孔段施工使用鉆具組合一致。

為保證斷層治理鉆孔順利施工，防止地層破碎影響成孔率，要求單回次鉆進(jìn)結(jié)束后及時劃眼沖孔，并適當(dāng)提高沖孔頻次，確保巖粉及巖塊及時排出；控制進(jìn)尺速度，防止孔內(nèi)巖粉聚集過多導(dǎo)致壓力過大或造成孔內(nèi)事故；如遇孔內(nèi)塌孔嚴(yán)重?zé)o法通過，可采用注漿侯凝后再掃孔的方式，以增強(qiáng)孔壁穩(wěn)定性。

采用上述工藝，共施工斷層治理鉆孔11 個，鉆探施工累計用時62 d，完成鉆孔進(jìn)尺2 544 m，平均日進(jìn)尺41.03 m/d，施工過程中未發(fā)生孔內(nèi)事故，鉆孔實鉆參數(shù)見表2。

表2 鉆孔實鉆參數(shù)Table 2 Actual drilling parameters

4.2 注漿施工

單個鉆孔施工完成后，采用上述注漿工藝對鉆孔進(jìn)行注單液水泥漿，以地面注漿為主，井下注漿為輔，注漿壓力達(dá)到設(shè)計要求且侯凝24 h 后孔口無滲漏水現(xiàn)象為合格，鉆孔注漿情況見表3。

表3 斷層治理鉆孔注漿統(tǒng)計Table 3 Statistics of grouting in fault control drilling hole

統(tǒng)計結(jié)果顯示，兩組斷層治理鉆孔累計注漿431.85 t，最大單孔注漿量為157.4 t；其中砂巖孔注漿總量為174.5 t，奧灰頂界面鉆孔注漿總量為257.35 t，且奧灰孔的單孔注漿量一般大于砂巖孔。

4.3 施工效果分析

施工過程中，各鉆孔均不同程度出水，且每個鉆孔存在多個出水點，鉆孔涌水量隨鉆孔施工深度增加而增加。為探查斷層出水情況，施工期間加強(qiáng)鉆孔水文條件觀測，并對出水點取樣化驗。鉆孔水文觀測情況見表4。

表4 斷層治理鉆孔水文參數(shù)統(tǒng)計Table 4 Statistics of hydrologic parameters of fault control drilling hole

表4 中可知，底板砂巖孔的平均終孔水量為28.73 m3/h，奧灰孔的平均終孔水量為59.84 m3/h；底板砂巖孔的平均CL-含量為578.10 g/mL，奧灰孔的平均CL-含量為570.73 g/mL。盡管兩組鉆孔的終孔水量相差較大，但二者的CL-含量較為相當(dāng)，都遠(yuǎn)大于同一盤區(qū)砂巖水CL-平均含量123.12 g/mL，這表明上述鉆孔出水均以底板奧灰水為主，DF201 斷層完全切穿6 煤底板，與奧陶系灰?guī)r聯(lián)通，斷層及周圍發(fā)育的裂隙使得底板砂巖中賦存著豐富的奧灰水，威脅礦井安全。

針對DF201 斷層及6 煤底板存在的斷層及裂隙，采用注漿封堵的方式對6 煤底板進(jìn)行改造，在后期61202 工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)過斷層期間，頂板僅存在局部淋水現(xiàn)象，底板出水點涌水量顯著減小，為巷道的安全掘進(jìn)提供了有力保障。61202 回風(fēng)順槽斷層附近的總出水量約為10 m3/h，表明定向鉆孔在導(dǎo)水?dāng)鄬又卫碇邪l(fā)揮了關(guān)鍵作用。

5 結(jié) 論

（1） 采用上述穩(wěn)定鉆具組合，在導(dǎo)水?dāng)鄬又卫磴@孔施工過程中，有效的避免了孔內(nèi)事故的發(fā)生，提高了成孔率和施工效率。

（2） 該工程共施工11 個底板定向鉆孔，結(jié)合鉆孔水文資料觀測，證實了DF201 斷層出水的水源以奧灰水為主，并查明了出水點位置及涌水量大小。

（3） 采用鉆孔注漿工藝對導(dǎo)水?dāng)鄬舆M(jìn)行注漿，封堵斷層及附近存在的裂隙，有效降低了底板突水風(fēng)險，改善了掘進(jìn)迎頭施工環(huán)境，為巷道掘進(jìn)提供了安全保障。