基于定向鉆探技術的深部礦井突水點封堵方案優(yōu)化

薛 楊 ，李建林 ,2，郭水濤 ，徐博博

（1.河南理工大學 資源環(huán)境學院，河南 焦作 454000；2.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；3.河南焦煤能源有限公司 古漢山礦，河南 焦作 454100；4.焦作市神龍水文地質工程有限公司，河南 焦作 454000）

礦井防治水是保障煤礦安全生產(chǎn)的一項重要工作[1]。為解決該問題，我國學者和煤礦技術工作者提出了一系列治理方案[2]，從疏水強排到“注漿改造底板及含水層”技術[3]，再從帷幕注漿到動水條件下注漿封堵技術[4]，方法不斷更新。但隨著礦井開拓深度的不斷增加，深部突水已在礦井突水水源中占據(jù)重要比例，其封堵難度高、工程量大等問題也日益突出。自2014 年以來，趙慶彪[5]首次提出了采用地面多分支水平定向鉆探技術對礦井深部含水層及導水通道進行探查及封堵，該技術有效增大探查與注漿覆蓋范圍，實現(xiàn)注漿加固由點到面“地毯式”治理，減少井下治理工程量，顯著提升了礦井水害治理效果[6]。

2016 年，焦作礦區(qū)首次引進該技術并應用于礦井水害治理中，由于施工區(qū)域水文地質條件頗為復雜，在實際應用中暴露出諸多問題，井眼軌跡控制難度大，鉆孔井壁失穩(wěn)導致事故頻發(fā)，現(xiàn)有注漿設備及工藝不能充分滿足深部突水封堵需要。針對上述問題，以吳村礦深部突水點封堵工程為背景，對上述關鍵技術難點進行分析，通過改進螺桿鉆具結構、建立聚合物鉆井液體系、適配新型注漿泵等技術手段，保障封堵工程順利完成，實現(xiàn)深部礦井突水點高效快速封堵。

1 區(qū)域概況

吳村礦位于焦作礦區(qū)東北端，礦區(qū)南部上以煤層隱伏露頭為界，下以煤層底板-300 m 等高線與古漢山礦相鄰。吳村礦以山西組下部的二1煤層為主采層，煤層底板L8灰?guī)r為礦井突水的主要來源。礦井由于水文地質條件復雜，剩余儲量開采難度大，于2008 年正式閉坑，閉坑后老空區(qū)積水量約為291.1 萬 m3。根據(jù)吳村礦水文資料，礦井閉坑后部分突水點隨時間推移逐漸發(fā)生復涌，成為老空區(qū)積水主要補給來源。突水點狀況表見表1。

表1 突水點狀況表Table 1 Water inrush point status table

由于吳村礦老空區(qū)有大量積水，與之相鄰的古漢山礦上部邊界防水煤柱承受的水壓達3.16 MPa，高壓水長期浸泡導致煤巖體軟化，隔水能力降低。兩礦邊界有1 條延伸長2.2 km 的斷層裂隙帶，若古漢山礦采掘工作面靠近老空區(qū)水體，老空水可能會沿著煤柱的薄弱地帶或斷層裂隙帶造成突水事故，勢必對古漢山礦造成嚴重的水患威脅[7]。吳村礦閉坑后，相鄰礦井在掘進工作面時曾發(fā)生突水事故，經(jīng)水質化驗突水水源為吳村礦老空水，表明老空水已經(jīng)與相鄰礦井發(fā)生水力聯(lián)系。若要緩解吳村礦老空水對相鄰礦區(qū)的巨大威脅，關鍵在于封堵上述較大突水點，并對突水點周圍一定范圍內(nèi)的孔隙和裂隙帶進行充填加固，以減少對老空區(qū)動水補給，為后期追排水創(chuàng)造有利條件[8]。在突水點封堵后可通過井上下聯(lián)合排水作業(yè)疏放老空水，疏放完成后兩礦之間邊界煤柱可得到解放，據(jù)估算可解放煤炭儲量約1 110 萬 t。以此來看，老空水治理可解除礦井的重大水害隱患，同時可以解放煤炭資源，延長礦井服務年限。

2 深部突水點封堵技術難點

2.1 封堵方案難點

由于T1、T2、T3 突水點位于深部L8灰?guī)r，為提升封堵效果，選用地面多分支定向鉆探技術對突水點進行探查及封堵，施工中存在下列技術難點：①受施工區(qū)域復雜地質情況所限，各分支孔設計長度短（100～200 m），井眼造斜段全角變化率和終孔井斜角均較大，中靶難度高，完鉆難度大；②鉆孔施工過程中需穿越多段泥巖地層，泥巖以黏土礦物為主要成分，易水化膨脹導致井壁失穩(wěn)垮塌，對鉆孔安全產(chǎn)生巨大威脅；③在分支孔間距擴大、注漿終壓標準不斷提高的背景下，現(xiàn)有注漿工藝及設備下的漿液擴散范圍及充填效果已不能滿足封堵需要，亟待進行優(yōu)化提升。

2.2 井眼軌跡控制

受限于目標層L8灰?guī)r層厚較薄、靶點窗口較小等因素，存在井眼造斜難度大、終孔井斜角大（最大可達97°）等施工難點，井眼軌跡控制成為能否順利完鉆亟待解決的問題。

井眼軌跡受多種因素影響，由于施工區(qū)域地質條件等客觀因素確定，因而鉆具的造斜能力成為影響井眼軌跡的主要因素。而螺桿鉆具在本工程中的選用存在限制，需從其他方面入手以解決造斜難題[9]。

通過大量工程實踐發(fā)現(xiàn)，螺桿鉆具的結構顯著影響鉆頭的側向力和造斜率，若在螺桿上增加1 個偏心墊塊，則相當于給鉆頭施加了1 個附加的側向載荷。衛(wèi)增杰[9]針對152.4 mm 井眼中使用的120 mm 螺桿進行了力學分析，通過計算結果發(fā)現(xiàn)，在其他鉆井參數(shù)保持不變情況下，隨著墊塊高度的增加，其螺桿造斜率也呈線性增加；在長慶油田及大慶油田復雜井段應用墊塊螺桿進行試驗，墊塊螺桿造斜能力較好地滿足了鉆孔造斜率的工程需要。因此針對本封堵工程中鉆孔造斜段全角變化率和終孔井斜角大的情況，墊塊螺桿可為井眼軌跡控制難題提供技術支持。

2.3 鉆孔井壁穩(wěn)定性

2.3.1 鉆孔井壁失穩(wěn)機理及穩(wěn)定性控制思路

T1、T2、T3 突水點均位于二1煤層下方的L8灰?guī)r，其頂?shù)装宸植加休^厚泥巖層。該區(qū)域其他鉆孔施工過程中鉆遇泥巖時曾多次發(fā)生塌孔事故。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，鉆井工程中約90%的井壁失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生在泥巖地層。由于施工區(qū)域泥巖層理、微裂縫發(fā)育，當?shù)貙颖汇@開后，鉆井液侵入泥巖中的微裂縫，泥巖中富含黏土礦物，鉆井液與黏土礦物中的陽離子發(fā)生交換并發(fā)生水化膨脹，繼而通過水化作用產(chǎn)生水化應力，使地層孔隙壓力升高，導致地層的彈性模量和強度參數(shù)由于地層含水量的增加而下降[10]，最終致使井壁失穩(wěn)、垮塌。

由于泥巖地層水化膨脹后發(fā)生掉塊、垮塌，是造成鉆孔事故的最主要原因，因此提升鉆井液體系的抑制能力及封堵能力是控制井壁失穩(wěn)的技術關鍵。為控制泥巖水化膨脹導致井壁失穩(wěn)情況，在構建鉆井液體系，進行處理劑配伍時，應著重從以下方面進行：①抑制、封堵性能：鉆井液的抑制性能是控制泥巖中黏土礦物水化膨脹的最重要因素，良好的封堵性能可以減少鉆井液濾失量，控制濾液侵入泥巖中的微裂縫，阻止水化應力的產(chǎn)生和地層孔隙壓力升高[11]；②降低濾失量、增強泥餅質量：良好的降濾失性能是保證鉆井液中黏土顆粒穩(wěn)定，從而提升井壁穩(wěn)定性的關鍵，而降濾失性能是形成高質量泥餅的關鍵，薄而致密的泥餅可有效減少有害濾液向井壁侵入，進一步提升井壁穩(wěn)定性[12]；③抗鈣侵性能：由于注漿及封孔作業(yè)頻繁，水泥水化后產(chǎn)生大量Ca2+對鉆井液造成鈣侵現(xiàn)象，使其濾失量增大，泥餅增厚，加劇井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，因此需要針對鈣侵現(xiàn)象提出行之有效的解決方案以維護鉆井液性能[13]。

2.3.2 鉆井液處理劑

隨著以PAM 水解產(chǎn)物為基礎的各類衍生物的廣泛應用，鉆井液體系逐漸由分散型向低固相不分散聚合物型轉變。聚合物鉆井液處理劑選擇繁多，可針對不同情況進行合理配伍，充分發(fā)揮各處理劑性能優(yōu)勢，以滿足復雜使用環(huán)境下井壁防塌、防阻卡等技術需求。因此在對鉆井液處理劑作用機理進行充分調研的基礎上，結合施工實際，選用K-PAM 和NH4-HPAN 處理劑為配伍核心，形成“強抑制、多功能”的聚合物鉆井液體系，以滿足施工需求。鉆井液體系處理劑選用如下：

1）提高抑制、封堵性能。配伍以聚丙烯酰胺鉀鹽（K-PAM）和聚丙烯腈銨鹽（NH4-HPAN）2 種聚合物為核心的鉀銨基聚合物鉆井液體系，可充分提升鉆井液的抑制及封堵性能[14]。

2）降低濾失量、增強泥餅質量。選用廣譜護壁劑（GSP）、羧甲基纖維素（HV-CMC、LV-CMC）、丙烯酰胺與丙烯酸鈉共聚物（80A51）以實現(xiàn)上述性能目的[15]。

3）抗鈣侵性能。由于工程中需頻繁進行注漿、封孔作業(yè)，水泥中包含大量Ca2+，不可避免的會對鉆井液造成污染，使鉆井液pH 值升高，濾失量增大、泥餅增厚，加劇井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。使用純堿（Na2CO3）及燒堿（NaOH）可與水泥中的Ca2+反應生成CaCO3沉淀，從而降低鉆井液pH 值，可有效處理鈣侵，改善鉆井液性能[13]。

2.4 注漿影響因素

注漿作為1 種礦井水害治理技術，被廣泛應用于煤礦突水點治理工程中。隨著礦井開拓深度不斷增加和地質條件愈發(fā)復雜，有關于注漿方面需解決的難題隨時間推移逐漸增多。因此本深部突水點封堵工程主要面臨以下幾個問題：①各分支孔布置間距較大，需要盡可能提升漿液擴散范圍以減少鉆孔間距中的覆蓋盲區(qū)；②需盡可能提升漿液擴散能力及充填效果，以充分對裂隙等構造進行高壓充填，提高封堵效果；③加快注漿施工效率，盡可能縮短工期。

近年來，隨著礦井深部突水治理工程的廣泛開展，其注漿結束終壓隨目標層靜水壓力的增加而大幅提升。通過對鄰近礦井深部注漿工程資料進行分析，結合以往治理經(jīng)驗，對深部治理工程中漿液擴散過程可劃分為3 個階段[16]：①低壓充填階段：孔口壓力0～4 MPa，受注點附近存在大量未充填導水通道，漿液在其空間內(nèi)進行快速充填；②中壓劈裂階段：孔口壓力4～6 MPa，隨著注漿壓力升高，受注點附近裂隙在漿液壓力作用下充填-劈裂-再充填，導水通道充填密實度進一步提高；③高壓滲透階段：孔口壓力6～8 MPa，漿液擴散范圍基本不再擴大，注漿壓力已無法達到劈裂閾值，不再對區(qū)域產(chǎn)生大范圍的構造改變。

注漿開始后在低壓充填階段完成后進入中壓劈裂階段時，在漿液壓力作用下，地層被劈裂、改造，舊裂隙開度不斷擴大，新裂隙不斷生成，形成充填-劈裂-再充填的循環(huán)過程，漿液充填度及注漿效果顯著提高；進入高壓滲透階段后，注漿量開始減少，壓力已無法達到劈裂閾值，不再對區(qū)域產(chǎn)生大范圍的構造改變，漿液擴散范圍不再擴大，漿液充填度及注漿效果在此階段提升幅度不大。

近年來，針對深部注漿工程，諸多學者進行了模擬實驗，在其他因素不變情況下，影響漿液擴散距離及范圍的顯著性因素為注漿流量。在注漿過程中，隨著水泥漿液注入速率的提高，漿液擴散范圍及對裂隙的封堵效果也隨之得到一定的提升[17]。

綜上所述，為充分提升深部突水點注漿封堵效果，需注漿設備與施工工況緊密配合，根據(jù)注漿階段的變化靈活調整注漿策略，提升中壓劈裂階段在注漿過程中的占比，并在此基礎上進一步提升注漿流量，增強漿液擴散能力及對裂隙的封堵效果。因而要求設備有寬泛的流量調節(jié)范圍，具有良好的適應性能可隨裂隙的充填而精確調整排量，以有效提高漿液的充填效果[18]。

3 深部突水點封堵工程實踐

T1、T2、T3 號突水點封堵工程選用地面多分支定向鉆探技術，以實現(xiàn)對突水點附近長距離順層鉆進，從而對導水通道及裂隙進行充分的揭露，并構建大范圍的注漿帷幕[19]。

根據(jù)工程目標，以T1、T2、T3 號突水點所在的L8灰?guī)r為目標層位，設計3 個主孔，分別從小鳳凹斷層、35051 工作面、33031 工作面進行分支定向。鉆孔采用三級結構，下設2 級套管，在鉆孔著陸后根據(jù)設計各展開4 個分支，對突水點進行覆蓋。

3.1 優(yōu)化螺桿鉆具

為解決封堵工程中鉆孔軌跡控制難題，開展螺桿鉆具技術研究，結合施工區(qū)域地質情況，選用1.5°/?120 mm 墊塊螺桿為鉆孔施工提供支持，通過在分支孔施工中進行試驗，造斜需要得到較好滿足。但在鉆進中仍暴露出一定問題：復合鉆進時其墊塊所處位置的旋轉半徑接近鉆頭旋轉半徑，使墊塊摩擦、剮蹭井壁，造成螺桿與鉆頭旋轉形成速度差，縮短螺桿壽命，極端情況下易使螺桿軸承處絲扣倒開造成萬向節(jié)折斷。因而在施工中，以定向造斜為主時使用帶墊塊螺桿，復合鉆進時需起鉆更換無墊塊螺桿以降低事故隱患，由于定向、復合鉆進工序轉換頻繁，反復起鉆不但降低施工效率且增加鉆孔安全隱患。

根據(jù)上述情況對墊塊螺桿結構進一步優(yōu)化。根據(jù)多次現(xiàn)場試驗，將螺桿鉆具彎點附近墊塊調整至距傳動側外殼體100 mm 位置，在彎點背部凸出位置設置兩條耐磨帶，墊塊邊沿做成坡狀過渡帶?？尚p少墊塊摩擦井壁現(xiàn)象，減輕螺桿萬向節(jié)負擔，降低事故風險。墊塊螺桿示意圖如圖1。本次封堵工程選用的螺桿墊塊有8、12 mm 這2 種厚度規(guī)格。螺桿造斜效果對比表見表2。

圖1 墊塊螺桿示意圖Fig.1 Schematic diagram of spacer screw

表2 螺桿造斜效果對比表Table 2 Comparison table of screw build-up effect

技術改進后的墊塊螺桿應用于各分支鉆孔施工過程中，有效解決井眼造斜難題，縮短定向鉆進距離從而加快施工效率，保障各分支鉆孔順利完鉆。同時墊塊剮蹭井壁現(xiàn)象大為減少，鉆進安全性得到有效保障。

3.2 鉆井液處理劑配比

根據(jù)施工區(qū)域地質情況及施工實際對鉆井液性能設置控制指標。二開、三開鉆井液性能控制指標見表3。

表3 二開、三開鉆井液性能控制指標Table 3 Performance control index of drilling fluid for second and third openings

通過鉆井液體系配置思路及處理劑作用機理分析，建立了鉀銨基聚合物鉆井液體系。參考上述性能控制指標，結合現(xiàn)場施工實際進行多次配比實驗，以確定處理劑配比量[14-15]。二開及三開水平井段施工時鉆井液體系處理劑使用配比如下：

膨潤土+0.5%K-PAM+1%NH4-HPAN+0.3%80 A51+0.2%Na2CO3+1%GSP+0.5%HV-CMC。上述配比為基礎用量，可根據(jù)具體施工情況酌情增減以調整鉆井液性能。當鉆孔進行注漿或封孔作業(yè)后，可酌情加入0.1%～0.3% NaOH，以增強鉆井液體系抗鈣侵能力。

當鉆遇泥巖段及當前井段有掉塊時，鉆井液體系處理劑使用配比如下：膨潤土+1%K-PAM+1%NH4-HPAN+0.5%80A51+0.3%Na2CO3+1.5%GSP+1%HV-CMC。上述配比為基礎用量，可根據(jù)具體施工情況酌情增減以調整鉆井液性能。施工中根據(jù)泥餅情況及濾失量，可酌情再增加0.5%～1%LV-CMC 以進一步提升泥餅質量。

3.3 注漿設備

焦作礦區(qū)以往注漿施工主要采用3NBB-250 注漿泵，注漿流量低，變擋檔位少且擋位之間流量跨度大，不僅影響注漿連續(xù)性，而且無法有針對性的調整流量以應對不同的裂隙充填變化情況，在突水點深度不斷擴展、注漿結束終壓不斷增加的背景下，設備已無法有針對性地根據(jù)注漿階段的變化靈活調整注漿工況，注漿流量更是無法滿足注漿需求。

相比于傳統(tǒng)機械調速注漿泵，變頻調速注漿泵具有很好的恒功率運轉特性，能無級調節(jié)流量且具有相當寬泛的調節(jié)范圍，對于不同工況能有針對性的調節(jié)漿液流量。其良好的適應性能可根據(jù)注漿壓力的變化靈活調整注漿策略，擴大中壓劈裂階段在注漿過程中的占比，進一步提升漿液擴散范圍及充填效果[20]，因而該型設備在目前公路、鐵路等施工領域得到廣泛使用，故本工程注漿施工選用以F-260 注漿泵為代表的變頻調速注漿泵。注漿泵參數(shù)如下：①F-260：缸套直徑為?140 mm，沖程長度為175 mm，理論最大排量為1 080 L/min，擋位個數(shù)為無極變頻，輸入功率為193 kW；②3NBB-250 缸套直徑為?85 mm，沖程長度為100 mm，理論最大排量為260 mm，擋位個數(shù)為4，輸入功率為45 kW。

隨著注漿設備的更新，本封堵工程注漿工藝也相較于以往礦井注漿使用的單次攪拌漿液工藝，優(yōu)化為以高速立式攪拌鍋為基礎的二次攪拌工藝，其原理在于利用立式攪拌鍋對水泥漿液先行進行快速預攪拌，而后利用攪拌池對漿液和骨料進行二次攪拌。通過應用二次攪拌工藝，其漿液水泥顆粒水化程度顯著提高，凝固強度得到有效增強。

以T2 突水點施工為例，其首個分支孔鉆進時鉆井液消耗量約為70 m3/h，證明在該突水點附近存在較大裂隙及導水通道，通過應用F-260 注漿泵及二次攪拌工藝，利用注漿泵良好適應性能和寬泛的流量范圍，根據(jù)裂隙充填情況和注漿階段的變化靈活調整注漿策略。以該分支孔注漿過程為例，可以看出注漿階段中70%時間均保持于中壓劈裂階段。注漿壓力變化示意圖如圖2。

圖2 注漿壓力變化示意圖Fig.2 Schematic diagram of grouting pressure change

在后續(xù)施工的3 個分支孔鉆井液消耗量分別為2、0、0 m3/h，由此可證明先前注漿已對該分支孔附近區(qū)域進行了有效加固，充填效果良好。

3.4 突水點封堵情況

根據(jù)設計要求及現(xiàn)場實際，先期對T2、T3 號突水點進行封堵，而后施工T1 號突水點。各鉆孔施工情況見表4。

表4 深部突水點鉆孔參數(shù)表Table 4 Drilling parameters for deep water inrush points

工程12 個分支孔造斜段全角變化率及終孔井斜角大，井壁易失穩(wěn)垮塌，存在施工難度高、危險系數(shù)大等情況。通過應用技術優(yōu)化后的墊塊螺桿及鉀銨基聚合物鉆井液體系，安全穿越復雜地層，順利完成預定設計軌跡，取得了良好的施工效果。T1、T2、T3 突水點鉆孔軌跡平面示意圖如圖3～圖5。

圖3 T1 突水點鉆孔軌跡平面示意圖Fig.3 Plane schematic diagram of drilling trajectory at T1 water inrush point

圖4 T2 突水點鉆孔軌跡平面示意圖Fig.4 Plane schematic diagram of drilling trajectory at T2 water inrush point

圖5 T3 突水點鉆孔軌跡平面示意圖Fig.5 Plane schematic diagram of drilling trajectory at T3 water inrush point

鉆探施工結束后，利用F-260 注漿泵及二次攪拌工藝對各突水點進行注漿加固。注漿期間通過對吳村礦井筒及緊鄰突水點的排水2 號孔、排水3 號孔進行水文觀測以實現(xiàn)對注漿效果的跟蹤。注漿期間水位變化如圖6。

圖6 注漿期間水位變化Fig.6 Change of water level during grouting

以T2、T3 突水點為例，上述突水點首個分支孔分別于2 月13 日、2 月27 日開始注漿；與此同時，吳村礦井筒、排水2 號孔、排水3 號孔由2月中旬的高位，到3 月中旬水位明顯下降；至5月底，T2、T3 號突水點封堵工程結束，其水位最大降幅分別為6.53、5.55、5.13 m，由此可推斷出封堵工程對深部突水點封堵效果顯著，充填效果良好。

4 結語

1）以地面多分支定向鉆探技術為基礎的礦井深部突水點綜合封堵，實現(xiàn)了對突水點的全覆蓋，提高了探查效率。

2）增加偏心墊塊的方法改進了螺桿鉆具結構提高了對井眼軌跡的控制，鉀銨基聚合物鉆井液體系有效抑制井壁失穩(wěn)現(xiàn)象，變頻調速注漿泵及二次攪拌工藝提升了注漿效果。

3）采用改進的定向鉆探技術使吳村礦井筒水位最大降幅達6.53 m，堵水效果顯著；該方案對深部礦井突水點的高效快速封堵提供了有益參考與借鑒。