探討定向分支鉆孔在特大動水注漿堵水工程中的應用

江波

摘要：煤礦采區地質存在水量高、壓力大等特點時，采礦過程中極易出現突水事故。一般涉及到特殊水文地質條件，會采取動水注漿堵水工程對含水層進行治理。本文主要分析定向分支鉆孔在特大動水注漿堵水工程中的應用，結合具體案例，分析定向分支鉆孔的技術要點和應用方案，提高特大動水注漿堵水工程施工有效性，確保煤礦生產安全。

Abstract： When the geological conditions of coal mining areas are characterized by high water volume and high pressure， water inrush accidents are highly prone to occur in the mining process. Generally， it involves special hydrogeological conditions， and the aquifer will be treated by the hydrodynamic grouting and water blocking project. This paper mainly analyzes the application of directional branch hole in the special hydrodynamic grouting and water blocking project. Combining with specific cases， it analyzes the technical points and application schemes of directional branch hole， and improves the construction efficiency of the special hydrodynamic grouting and water blocking project to ensure the coal mine production safety.

關鍵詞：定向分支鉆孔;特大動水;注漿堵水

Key words： directional branch hole;extra large dynamic water;grouting and water blocking

中圖分類號：TD745? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）24-0208-02

0? 引言

定向分支鉆孔技術是一項較新的煤礦生產技術，在世界范圍內均有廣泛的應用。實際工作中，大部分煤礦生產選擇底板含水層注漿堵水的方式，對含水層條件進行改造。該方法結合含水層特性、突水點的水量變動情況及鉆孔可使用情況等，選取適當的注漿材料及配比進行灌注，進而達到堵水的目的。定向分支鉆孔使鉆孔的選取更為靈活，優化注漿堵水工作質量，具備造價低、施工簡單、適用性強等優勢。

1? 工程案例背景簡介

某煤礦年產量在89萬t，煤礦礦井面積約為5.6km2。煤礦所處位置為平原地區，平均海拔在+60～+70m，地表呈現3.2%左右的坡度，當地不存在較大的自然水系以及水利工程。地層構造主要為奧陶系、二疊系和石炭系等。其中，3煤為該煤礦的主要采煤層，此次發生突水事故生在該采煤層，事故工作面地處礦井右翼，走向長度為1578m，傾向長度為135m。發生突水事故之前，該工作面已完成距離880m。

此次突水事故的水源為煤層底板的奧灰含水層，其厚度在610m，與底板相距160m，富水性極強，水分通過斷層、裂縫等構造突入礦井。突水事故發生過程中，突水水量表現出明顯的上升趨勢，最開始監測到突水量為60m3/h，過程中最大突水量已高達12000m3/h，工作面被淹。

煤礦決定采用定向分支鉆孔，對此次特大動水注漿堵水工程進行處理，歷時91d，完成鉆孔作業共計12個，鉆進深度7800m，使用水泥7.2萬t，堵水效果顯著，遂決定對此次事故中使用的技術及經驗進行總結。

2? 定向分支鉆孔在特大動水注漿堵水工程中的應用

2.1 定向分支鉆孔技術要點

2.1.1 鉆孔結構設計

結合礦井突水事故作業面的實際情況，設計鉆孔的鉆進深度和垂深，采用水泥材料制作固管。本工程選用型號為P.O.42.5的水泥材料進行固井，完成注漿作業3d之后，進行掃孔直至距離孔底0.5m處，依照相應的規范開展注水試驗，連續試驗8h以上，過程中對水位進行實時觀測。試驗合格的標準時，每小時發生液面下降的高度在10mm之內。若未達到改變準，要求重新進行注漿，再次注水檢測。

2.1.2 鉆孔軌跡控制

影響定向分支鉆孔軌跡的主要因素是斜直孔及造斜段，要求將點坐標差控制在2m范圍之內。另外，水平孔的點軌跡水平誤差和垂直誤差均不能超過2m。以上誤差并不絕對，在不影響鉆孔安全的前提下，可根據現場實際情況調整誤差標準[1]。

2.1.3 數據記錄要求

第一，對巖屑數據的記錄。在煤礦的松散層不涉及打撈砂樣的操作，實時觀測巖面的變化，當接近奧灰含水層時，每米的作業量要求打撈砂樣1次，對砂樣進行檢測。整合最終獲取的巖屑記錄數據，對地層特點進行初步分析。第二，鉆孔時的數據記錄。從基巖段開始，每米選取1個記錄點，直至作業完畢。實時記錄鉆孔過程中是否出現突變，保證煤層可被第一時間被發現，并對煤層的厚度、深度等參數進行準確的預估。操作中盡可能確保參數穩定，使其可真實、可靠的反應礦井底層信息。定期檢測井深，要求每完成單眼鉆孔操作或者起鉆時，對井深進行重新校對，要求將誤差控制在0.1m之內。整個礦井中，被漏取的鉆點不應高于0.5%，尤其在目的層，應杜絕漏取問題的發生。第三，對鉆井液的記錄。鉆井液的全面觀測每8h進行1次，要求覆蓋鉆井液的全部性能參數。一般性能，例如鉆井液的密度、粘合度等，通常每2h測量1次。確保獲取參數的連續性，詳細進行記錄。

2.1.4 簡易水文地質觀測

簡易水文地質觀測也是特大動水注漿堵水工程的主要工作之一，具體的觀測節點總結如下：起鉆后、下鉆前;連續鉆進每2h，觀測鉆井液的液面高度;當鉆進到目的層后，觀測頻率改為1h每次;當鉆進到奧灰含水層后，觀測頻率改為每0.5h一次。

2.1.5 沖洗液的調配

定向分支鉆孔中，直孔作業段對沖洗液沒有提出額外要求。在水平段，要求使用化學沖洗液，對泥漿進行處理，以確保水平方向鉆孔的順利程度。含沙量性能的控制一般使用攪拌器、振動器等設備進行。適當使用潤滑劑和抑制劑，對鉆井液的性能進行調整。例如，當泥餅的摩擦系數不大于0.1、含沙量不大于0.5%，且低密度固相的含量未超過12%時，鉆井液的粘度為動切力的2倍為宜。

2.2 定向分支鉆孔應用方案

本工程采用的鉆機型號為SCHRAMM（R）T200 XD，配合智能測控系統，對鉆孔的軌跡進行實時監控，以保證各項作業的時間節點的準確性。除了很好的應對坡度大、壓力高、水平阻力明顯等鉆孔技術難題外，本工程方案還具備以下特點：第一，融合了無線隨轉定位技術，對復合鉆孔過程進行配合和監督。第二，深入挖掘巖性特點，設計鉆具組合方案。第三，依照鉆井斜率的變動，適當調節造斜率的大小，以保證鉆孔位置的精確。第四，選取高性能的水泥并對注漿操作進行優化，使得泥漿在鉆孔中充分的填充和滲透。注漿堵水工程的一大質量影響因素就是，泥漿會隨著水分的增加而流出，想要在導水通道中保有充分的泥漿相對困難。因此，該工程決定提高每次注漿的流量，并在前期采用連續注漿、后期采用間歇作業的形式。

整個施工過程中，堵水材料被運輸至指定的位置并發生滲透、擴散和固化，提升煤礦底板性能，減輕水壓、作業荷載對底板的影響。強化巖層的自身強度和阻水能力，實現堵水目標。經過反復掃孔注漿，本工程的突水點被全部處理達標，堵水率達到100%。

3? 定向分支鉆孔在特大動水注漿堵水工程中的質量控制

3.1 嚴格控制鉆孔軌跡

開展鉆探作業前，對鉆機及其他輔助性設備依照相應的標準進行安裝和調試，確保安裝位置的精確性。例如，天車、轉盤、孔口等結構的位置誤差應控制在10mm之內[2]。正是使用前進行試轉作業，檢查設備是否運行正常，通過后再開始之后的工序。鉆機參數及鉆具的搭配需要依照煤礦突水作業面的實際地質條件和突水情況進行選擇，過程中重點關注鉆孔軌跡，一旦發現軌跡出現明顯的偏移立即進行調整。

3.2 做好防塌防漏工作

在應用定向分支鉆孔技術的過程中，煤層受負荷的影響存在垮塌的可能，要求開展防塌防漏作業。提升煤層的粘度比，做好鉆井液的維護與管理工作。在實際工作中，選用添加防塌劑的方式對其進行處理，以確保鉆孔作業過程安全。

3.3 防止出現吸附卡鉆

吸附卡鉆的現象一般出現在礦井的砂巖層，當采用定向分支鉆孔進行突水事故處理時，也容易發生該問題。為避免吸附卡鉆，可在鉆井液中添加潤滑劑，以減輕鉆機受到的摩擦力大小。優化鉆具的搭配方案，合理選取加重鉆的位置，并配備水利振搗器，同樣可起到減輕鉆具摩擦的效果，確保鉆機在上下運行的過程中平滑、流暢。具體操作時，確保鉆機平穩，做好機具日常維護保養工作，以對吸附卡鉆現象進行預防。

3.4 合理安排施工流程

首先，優化設備選型。施工前，對突水作業面的巖層進行全面的探測，根據定向分支鉆孔的參數，配合鉆頭廠家開展技術研究工作，以便配置性能最佳的鉆頭。一般來說，斜直孔位置的機械鉆效應達到4.9m/h，水平孔位置的機械鉆效應達到2.6m/h。其次，做好作業過程中的數據記錄工作。在進行鉆孔作業時，詳細記錄鉆孔的時間、巖屑量等參數，以此來判斷礦井的底層特點，以確保鉆孔內安全。根據鉆井設計方案，記錄水文觀測數據。觀察并記錄鉆井液的消耗情況，及時發現漏失問題并上報，尋求處理意見。當鉆井液的漏失量達到5m3/h后開始鉆孔，設置潛水泵，將鉆孔內的水抽干并進行清理。當鉆孔內的水、沙清理干凈后，再開始注漿操作。再次，適當設計鉆具搭配方案。施工中使用水力振蕩器可明顯提高操作效率，以免進度緩慢，影響后期煤礦生產。通過大量實踐經驗總結，在未使用水力振蕩器時，機械鉆效在3～4m/h左右，而輔助振蕩器之后，鉆效最高可達8.7m/h，效率約為之前的2倍[3]。為確保鉆孔安全，還可適當提高短起鉆的次數，提升泵量沖孔循環密度，確保鉆孔過程中產生的大量巖屑能夠被及時清除。最后，嚴格控制定向分支鉆孔的軌跡。保證施工過程中信息交流暢通，及時與定向技術人員及鉆孔作業人員進行協調，選擇地質條件較佳的位置進行鉆孔。若地層的進尺速度較慢，可選擇復合鉆進的方式，在提升鉆進速度的同時，保證鉆孔軌跡的正確性。

4? 結論

定向分支鉆孔技術的應用使得煤礦開采作業可在更多特殊的條件下順利進行，通過對底板的注漿加固處理，提升特大動水注漿堵水工程的施工效果。目前，該技術的研究重點在機具的改進與創新上，并嘗試提升相關操作的自動化程度，促進定向分支鉆孔技術的進一步應用，提升煤礦生產能力。

參考文獻：

[1]聶新明.水平定向分支注漿鉆孔洗井工藝探討與研究[J].科學技術創新，2019（01）：12-13.

[2]劉松.定向分支鉆孔在特大動水注漿堵水工程中的應用[J].內蒙古煤炭經濟，2018（18）：20-21.

[3]郭黎.淺談煤礦定向多分支鉆井技術的應用——以邢東礦-980水平以深區域探查治理項目為例[J].化工管理，2017（36）：87-88.