定向注漿防治水技術(shù)研究及應(yīng)用分析

＊趙雅麗

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同忻煤礦山西有限公司 山西 037000）

山西某煤礦是一個南北向的單斜結(jié)構(gòu)，受東西向的擠壓壓力，使其產(chǎn)生了疊加的推覆結(jié)構(gòu)，其中包括24個煤層，其中一半為可開采煤層。11、9、6、3煤層是主要開采地煤層。礦區(qū)內(nèi)存在較多的斷層，數(shù)量為44條，且正斷層的數(shù)量高于逆斷層，斷層的落差主要在20～500m之間。礦區(qū)曾出現(xiàn)過多起陷落柱事件，2020年更是出現(xiàn)過一起因底板聯(lián)巷與陷落柱相鄰而引發(fā)的突水事故。針對礦井防治水的需要，以保障礦井的安全生產(chǎn)為目標(biāo)，針對煤礦區(qū)石炭紀(jì)灰?guī)r含水層，進(jìn)行定向灌漿技術(shù)的研究。這對于提高礦井防滅水工作效果具有十分重要的實際意義。

1.定向注漿防治水技術(shù)

（1）定向鉆探控制。針對這一問題，本文提出了一種以定向鉆井為基礎(chǔ)的鉆探新技術(shù)，也就是“定向鉆孔”。根據(jù)工程技術(shù)特點，將其分為鉆井設(shè)備、定向設(shè)備和灌漿設(shè)備。定向注漿防治水技術(shù)主要由定向鉆探控制技術(shù)和定向注漿技術(shù)兩部分組成，在進(jìn)行定向注漿前，首先需要進(jìn)行定向鉆探施工[1]。根據(jù)施工技術(shù)，其主要設(shè)備如表1所示。

表1 定向注漿防治水技術(shù)設(shè)備一覽表

設(shè)計主鉆孔一個，其鉆孔井身分為直孔段、1#造斜段和2#造斜段。在施工過程中，采用二開式的鉆孔結(jié)構(gòu)，并在鉆孔內(nèi)施工兩層套管。在0～390m為直孔段，在0～298m范圍內(nèi)鉆孔直徑Φ350mm，在298～390m范圍內(nèi)鉆孔直徑Φ311mm，然后分別放入Φ273mm、Φ245mm的套管。1#造斜段在390～916m區(qū)間，鉆孔Φ216mm，套管直徑177.8mm。2#造斜段在390～947m區(qū)間，鉆孔Φ216mm，套管直徑177.8mm。橫向分支20個，鉆孔Φ152mm，鉆孔位置見圖1。本項目擬采用隨鉆錄井、鉆時錄井和鉆井液錄井，以確保鉆進(jìn)軌跡符合設(shè)計要求，基于MWD的隨鉆錄井技術(shù)的實時監(jiān)控，確保鉆進(jìn)軌跡偏差在1.5m以內(nèi)。

（2）鉆孔軌跡。鉆具在鉆進(jìn)過程中需要實時監(jiān)控鉆井軌跡避免偏離。一旦發(fā)生偏離則會導(dǎo)致施工誤差，所以在對現(xiàn)場工程實際進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，采用無線隨鉆觀測系統(tǒng)對井眼的頂角、傾角進(jìn)行實時監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果對定向裝置的參數(shù)進(jìn)行技術(shù)修正，確保井眼軌跡與設(shè)計圖相一致。特別要指出的是，在下井時，應(yīng)事先標(biāo)定好儀表，校正井口孔口零線，鉆井過程中，每隔15m測量一次數(shù)據(jù)點。在確定井眼軌跡的過程中，要及時停鉆，保證鉆井液的正常流通。當(dāng)井眼軌跡與原計劃軌道偏差超過2.5m時，需要對井眼參數(shù)進(jìn)行工藝調(diào)整。

（3）錄井。錄井主要有巖屑錄井，隨鉆γ錄井，鉆時錄井和鉆井液錄井。在巖屑錄井過程中，根據(jù)鉆屑巖的性質(zhì)，選用紅砂巖進(jìn)行鉆鋌試驗，對起始泵和紅鉆的鉆井時間進(jìn)行記錄，并以此差值作為一個周期，由此求出了從井底到井口所需的時間。將紅磚從放入井眼到達(dá)到井眼底部所需的時間計算如公式（1）所示：

其中：t0為紅鉆自下井孔口到下井底所用的時間，s；V1和V2為鉆桿和鉆鋌的內(nèi)容積，m3；Q為鉆井液排除速度，m3/min；d1和d2為鉆桿和鉆鋌的內(nèi)徑，m；L1和L2為鉆桿和鉆鋌的長度，m。

隨鉆伽馬測井是利用伽馬探管，利用隨鉆測量系統(tǒng)，以5min/次的鉆井液脈沖形式，實時監(jiān)測鉆井過程中的伽馬值，并將監(jiān)測結(jié)果實時發(fā)送到井上裝置?；陔S鉆γ錄井?dāng)?shù)據(jù)，實現(xiàn)了鉆具的動態(tài)調(diào)節(jié)。在鉆時測井過程中，要按鉆進(jìn)次數(shù)，每隔1m記錄一次，直到鉆完為止。由于采用了定向鉆進(jìn)模式，其水平鉆進(jìn)軌跡較長，而且鉆下的巖屑不能被帶出，因此，需要對鉆井液進(jìn)行優(yōu)選，除具有較好的潤滑性外，還應(yīng)具有較好的攜沙能力，而且不應(yīng)使井眼出現(xiàn)裂隙堵塞的現(xiàn)象，避免后續(xù)灌漿過程中不能進(jìn)行有效的灌漿，因此，選擇了無固相鉆井液體系。

（4）鉆井液。選用適當(dāng)?shù)你@井液可以減少鉆具對地層的摩擦，降低鉆頭的溫升，保持井眼的完整性，減少井壁的巖石剝落，是確保鉆井施工的一個重要環(huán)節(jié)。鉆井液的選用應(yīng)依據(jù)所處地層的巖性來確定，不但要具備良好的潤滑性，還要具備良好的攜帶巖粉能力。根據(jù)已有的地質(zhì)數(shù)據(jù)，在370～400m的地層中，地層以黃土－黏土－粉砂巖為主，并有部分細(xì)砂巖。二開段地層以砂質(zhì)層、鋁質(zhì)泥巖為主，其整體厚度在110m左右。

（5）泥漿配置。在鉆孔灌漿過程中，漿液配制的質(zhì)量是另外一個關(guān)鍵因素。因此，選擇合適的鉆井液配方，不但可以確保鉆孔灌漿的質(zhì)量，而且可以對工程的順利進(jìn)行起到很大的作用。一開鉆井的泥漿以粗巖石、碎礫石及黏土為主，其主要功能是在灌漿后對井眼構(gòu)造進(jìn)行防護(hù)，避免坍塌滲漏，其目的是依據(jù)井眼的地層巖性，對井眼進(jìn)行注漿，用降水劑及稀釋劑對鉆井液進(jìn)行調(diào)整。二開鉆井時，泥漿主要的作用對象是粉砂巖和煤層地層，主要防止坍塌，所以在配制鉆井液時，應(yīng)在鉆井液中添加混凝劑，以提高鉆井液上返性能，實現(xiàn)鉆井的安全性。

（6）注漿治水工藝。通過對鉆孔施工過程中的簡單水文地質(zhì)條件及漿液配比的需求進(jìn)行研究，為合理選擇灌漿技術(shù)參數(shù)奠定基礎(chǔ)。在第一分支方向的水平井段，每隔500m開展一次高水壓測試，其余支管均在中間做一次，但必須在每一分支口結(jié)束時完成一次高壓水壓測試。在測試之前，要先用清水對泥漿進(jìn)行一個45min的循環(huán)稀釋，在將其稀釋后的漿液的黏性提高到17～20s后，就可以進(jìn)行測試，以此來測定其透水性和滲透系數(shù)等參數(shù)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)來決定注漿液的配比參數(shù)、注漿量和注漿進(jìn)度等。在該過程中，當(dāng)壓水壓力升至1.4～1.6倍靜水壓力并且在穩(wěn)定狀態(tài)下保持30min后，高壓壓水試驗結(jié)束。在對本礦區(qū)灌漿層進(jìn)行注漿滲透測試的基礎(chǔ)上，確定了以55m作為水平鉆孔的間距。灌漿材料選用32.5R的硅酸鹽水泥與pH值為4.5以上水的混合物，其漿液密度為1.3。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場高程和治理范圍內(nèi)的奧陶系地層最大靜水壓等因素，確保灌漿后出水壓力達(dá)到最大靜水壓的1.4～1.6倍。灌漿流程見圖2。

圖2 注漿工藝流程圖

灌漿采用的基本原則是每完成一孔則立即進(jìn)行灌漿，當(dāng)出現(xiàn)漏孔時立即補漿，以全孔段灌漿來實現(xiàn)灌漿，其全過程根據(jù)灌漿壓力劃分為三個階段：常壓注漿、加壓注漿和高壓注漿。灌漿啟動時，灌漿壓力略高于靜水壓，不僅能確保灌漿效果，而且能減少施工過程中的能源消耗，漿液通過其自身的重力作用將裂縫內(nèi)的壓力水?dāng)D走，從而實現(xiàn)灌漿漿液置換裂縫內(nèi)的承壓水。在注漿施工過程中，注漿不僅要替代裂縫內(nèi)的承壓水，而且要堵塞注漿層內(nèi)的小裂縫。隨著灌漿壓力的增加，漿液會在裂縫中擴散，灌漿過程中出現(xiàn)了“點—線—網(wǎng)—面”的結(jié)構(gòu)。灌漿結(jié)束時，應(yīng)將灌漿壓力提高至1.4～1.6倍于注漿層最大靜水壓，使初期注漿效果趨于穩(wěn)定，45min后結(jié)束灌漿。待全鉆孔無滲漏后，鉆孔結(jié)束再做水壓測試，測試完畢后，及時決定灌漿料配比，實施灌漿工作。在滲漏量超過5m3/h，在滲漏區(qū)域10m以后的位置進(jìn)行高壓灌漿，達(dá)到灌漿的要求，并通過檢查，才能進(jìn)行下一個分支孔施工。在鉆孔結(jié)束后，將清水注入鉆孔，當(dāng)鉆孔中沒有顯著的卸壓現(xiàn)象時，維持2h即可結(jié)束灌漿。注漿壓力穩(wěn)定在16.8MPa，通過水壓試驗，其滲透系數(shù)僅為0.0030Lu，比規(guī)范中的0.01Lu要小很多，說明單孔灌漿已經(jīng)結(jié)束。

2.防治水效果

從鉆進(jìn)時的巖屑錄井?dāng)?shù)據(jù)，注漿量的變化及隨鉆伽馬的異常值等數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)了2條順層井S2-1和S2-3中存在2處鉆井液漏失現(xiàn)象，且局部存在明顯的微裂縫。

（1）水平分支鉆孔間距評價。在分叉鉆井中，根據(jù)巖屑錄井所見到的水泥點到已經(jīng)注漿分支的最短距離，利用巖屑錄井?dāng)?shù)據(jù)，確定了高壓水泥漿的擴散半徑。經(jīng)現(xiàn)場實測，注漿擴散半徑最大可達(dá)31.6m，且在55m以內(nèi)可實現(xiàn)橫向全覆蓋，說明了孔間距的設(shè)計是合理、有效的。

（2）地下水位動態(tài)分析。在S2-2井的西翼布置了一個觀測井，觀測了地下微破裂含水層的水位。施工過程中，地下水位由-107m快速升高到-49m，顯示了工程前期已有微破裂通道，這一點與地質(zhì)評估數(shù)據(jù)一致。自2022年9月灌漿結(jié)束以來，地下水位基本保持在較高水平，說明灌漿對含水巖層裂縫的封閉作用顯著，水位不能通過裂縫下降。

（3）井下探查對治理效果驗證評價。針對探查區(qū)域存在的順層鉆孔漏失點，在開挖前進(jìn)行了專項鉆井和高壓水壓試驗的探勘和驗證。在開挖期間，3個底板灰?guī)r校驗井都沒有發(fā)現(xiàn)漏水，進(jìn)行的3次壓水測試孔壓力分別為16.4MPa、16.1MPa和16.2MPa，都超過了16MPa，吸水性幾乎為0，沒有一次失壓。這表明，經(jīng)過地表高壓灌漿處理的漏失區(qū)，其內(nèi)部的微裂縫得到有效的加固，探測處理效果可靠。

3.結(jié)語

根據(jù)山西某煤礦現(xiàn)采6煤層的垂直隱蔽結(jié)構(gòu)引起的突水危險，開展了定向灌漿技術(shù)的研究，并對該區(qū)石炭紀(jì)灰?guī)r含水層進(jìn)行了治理，得出如下結(jié)論：

（1）通過對多支定向水平井的成井工藝進(jìn)行研究，并確定布置方案，采用MWD無線隨鉆技術(shù)及定向井眼控制系統(tǒng)，確保鉆探軌跡符合設(shè)計要求。在此過程中，開展了巖屑錄井、隨鉆γ錄井、鉆時錄井和鉆井液錄井，對注漿施工效果進(jìn)行了評估。在常壓、增壓、高壓3種情況下，全孔段注漿的注漿壓力穩(wěn)定在16.8MPa。

（2）根據(jù)鉆柱儀測得的泥漿最大擴散半徑是48.6m，未超出55m的橫向間距，而從監(jiān)控的水位來看，當(dāng)灌漿結(jié)束后，其水位始終保持在較高的位置，這說明采用定向注漿防水害的方法，可以有效地減少被開采區(qū)內(nèi)的煤層向隱蔽結(jié)構(gòu)引起的突水的危險，確保采煤機的安全、高效。