地面定向分支孔施工技術在礦區注漿堵水中的應用

王文杰

（安徽省煤田地質局第三勘探隊，安徽 宿州 234000）

定向分支鉆機技術是一種較新的礦區制造技術，在世界乃至我國都有著廣泛的市場和應用。在實際工作中，大多數礦區企業都會選擇注漿的處理方法來封堵底板含水層中的淤泥，改造含水層狀態。結合土壤中含水層的特性、突水點土壤的流量和溫度變化、鉆孔能否正常使用等因素，選擇合適的注漿漿液和配比，達到堵水的主要目的。定向分支鉆進法使鉆孔位置的選擇更加靈活，優化了注漿堵水的工作方式，提升其工作質量，且有著成本低、操作簡單、適應性強的優點。

1 工程概況

2020年，采用容積法計算某礦區突水量為4015m3/h，經取樣試驗，水源為寒武系灰巖。礦區組織專家論證水處理方案后，顧慮到動態水注漿施工難度相對較大、礦區排水成本高，選擇采用靜態水注漿，礦區主動放棄排水，礦區被淹。灌漿堵水工程采取截流施工方案，共布置7個鉆孔，其中截巷孔4個，堵水孔3個，工期為4月余。

2 工程地質和水文地質條件

簡易水文地質觀測也是礦區注漿堵水工程的關鍵性工作之一。詳細的數據觀測節點歸納如下：起下鉆之后、起下鉆之前；連續鉆井時，每2小時觀察一次鉆井液液位；鉆至目的層時，觀測頻率改為每次1小時；鉆進寒武系系灰巖含水層時，觀測頻率改為每0.5h觀測一次。礦區位于南部松集構造區，為板內構造區。大體情況為東西向向北傾斜的單斜構造，傾角西陡東緩。地層走向68°～85°。趨勢338°～355°，傾斜度14°～22°，通常情況大約在20°，區內構造以斷裂為主，其次為寬緩起伏，區內多數構造形式為褶皺、斷裂和滑動，這個礦區的水文地質類型極為復雜。據記載，礦山歷史上曾發生過幾次較大的突水事故，如井底發生突水，涌水量1330m3/h，造成井淹，導致2次水平貫通，全線禁停。

3 堵水施工難點

巖中鄉站地層主要分布在火山巖組L7灰巖下的-7礦、砂巖和泥巖，距寒武系灰巖頂部24.9m，抗壓強度較低。突水發生以前，巷道底鼓、側裂嚴重，突水點及導流通道不清，地面立孔施工導流通道不容易暴露。在突水點以上和采空區附近，地面施工中的鉆孔往往穿過采空區，將采空區破碎帶取下。鉆孔穿過采空區時，容易造成鉆孔偏位、卡鉆、埋鉆等事故，給施工帶來困難，巖巷突水水源為寒武系灰巖巖溶裂隙水，灰巖巖溶發育異常，流動裂隙難以識別[1]。

4 定向分支孔適宜性

定向多孔鉆機施工過程中的分支多孔鉆進技術可采用“彎曲螺桿+無磁鉆鋌+普通鉆具+測斜儀+泥漿循環系統+鉆機”完成，如圖1。定向鉆具上的螺桿與螺桿之間采用滑動絲繩連接，能有效地保持鉆具的靜止。水泥漿泵壓力提供的定向動力，可以促進定向鉆頭的快速旋轉，然后通過手動操作定向鉆頭和儀器來調整定向鉆頭的方位，使之輕松鉆進固定方位[2]。與其它傳統的單層直孔法和該施工方法相比，具有以下優點：①既能有效克服施工場地和地層結構復雜的局限性，又具有良好的適用性和適用性；②大大提高了單層多孔材料在建筑工程材料中的利用率，有效地實現了一孔多用，降低了部分工程造價；③提高出水口附近整個含油排水層的出現概率，形成網狀地層覆蓋出水口附近整個含油排水層，提升整體堵水施工的成效。

圖1 分支孔定向鉆進立體示意圖

5 定向分支孔設計

在本次礦區注水注漿底板樁洞壁封堵及防水加固工程中，共布置定向、傾斜貫通巷道專用注漿底板孔4個。一通一孔多用。巷道掘進成功后，注漿底板水平向下，并通過擴大深度進行加固。每條鉆井路線有3個鉆孔封堵源頭，共7個鉆孔。鉆孔具體位置框圖見鉆機總體平面結構布置設計圖。為及時檢查排除造成突水的暗渠排水管溝和暗渠排洪管溝的裂縫，以保證堵水效果和排水質量[3]。本次設計分支式鉆孔的底部分別設有注5、注6、注7三個堵源鉆孔，先施工注5孔的3個分支孔，再施工6個分支孔，最后施工注7孔的3個分支孔，以便進一步加固檢查。

6 分支孔施工

6.1 施工難點

定向鉆進主要采用“彎曲螺桿+無磁鉆鋌+普通鉆具+測斜儀+泥漿循環系統+鉆機”的方式，需要擁有一定的傾斜段才能到達目的區。由于上部定向支之間有采空區，預留定向橫支上部施工區洞段高度一般只有100m上下。按照原有的施工實踐經驗，也是在上部施工區的機械設備和施工鉆具能相互推動的條件下，在定向支護施工時，上部支護的最大施工傾角不應大于10°，最大定向水平施工方向偏差的施工距離不應小于或大于10m。另外，由于整個鉆井工程所需的所有斜段鉆井導軌的勘探深度范圍均在30m～50m之間，因此只需將導軌斜段鉆井位置固定在鉆井深度應小于幾百米的空曠處即可，使整個鉆孔的探孔傾角達到最大深度30m以上，目測施工工程難度較大。

6.2 施工組織與技術處理

在定向分支和多孔定向鉆進過程中，由負責定向鉆進施工的專業技術人員隨時對鉆進情況進行檢查和監測，以利施工，實現定向鉆施工前的現場實時檢查和全過程監控[4]。由于現有井下鉆具組合剛性大，低速小角度定向鉆施工難度大。在工藝細節方面，我們對定向鉆的各種工藝技術要求進行了多次優化和重大改進：①在地下地面上，定向鉆經緯儀、水準儀等設備可作為輔助定向鉆工具，與井下定向鉆連接集成，保證井下分支和多孔定向鉆的最高精度。②為有效保證定向測斜施工的工作效果，應增加定向測斜點的數量，并將定向測斜點的定向間距由30m逐漸減小到9m。為真正滿足定向測斜施工的基本要求，技術人員應每9m進行一次測斜儀定向點檢測或測斜，以提高定向測斜施工的工作精度；③密切關注各方向施工支線定向測斜儀的工作效率，及時自動調整鉆機的泵壓、液壓功率和總流量；④隨機鉆孔實時監控，連續定向糾偏，實時自動監控，各種施工參數自動調整。以5-1牙輪鉆頭直徑深度為例：鉆頭達到標準設計鉆深后，多次復測牙輪鉆頭終孔傾斜距離：鉆進方向為122.5°，最終鉆孔角度可達47°，偏斜距離可達37.5m。各方向分支孔的運動方向差和方向偏差完全滿足機械設計的標準要求（見表1）。

表1 注漿堵水工程分支孔參照統計表

7 施工效果分析

本次灌漿施工共完成7個鉆孔，向含水層內灌注混凝土8750t，采用冷灰巖，共施工7個分支鉆孔。5-1～7-3分支孔共注入水泥16265t。施工后，各支洞含水層灌漿量比上年增至180%，特別是6-1分支孔，定向鉆深度為519.02m～537.00m時，泄漏量應大于50m3/h。通過研究分析認為，高速出水的主要排水通道是灰巖中的溶蝕縫，當鉆孔進入50m～70m冷灰巖段時，溶蝕縫極為發育。6-1支洞共投入水泥1.5萬噸、粉煤灰9850噸、促進劑13.5噸、水玻璃19.5噸、食鹽17.5噸、三乙醇胺3噸、鋸末16.5噸，對污水封閉處理的成功起到了不能缺少的推動作用。目前，檢查礦區已順利完成后續排水工作，并進入巷道回采階段。出水口剩余流量平均值為0，封堵率可達100%，經實踐證明了出水口附近的水流裂隙可以進行有效的封堵，此次實踐注漿堵水十分成功[5]。

8 結語

隨著定向分支鉆進技術的廣泛應用，我國礦區開采在許多特殊情況下都能順利實施。綜合注漿堵水工程的現實狀況，在現有定向施工技術的基礎上，探討了延中隧道鉆灌工程定向支洞技術提高施工精度的措施，以達到大傾角、高水平偏移定向支洞的施工目的。通過定向支盤注漿和堵水加固措施，可提高超注漿堵水工程的施工效果，且在復雜地質環境下，定向支洞技術也有著很強的可執行性及可操作性。定向支洞技術節約了水利建設，降低了水利建設成本，為礦區成功控水提供了強有力的技術支撐，贏得了企業與礦區的高度認可，取得了良好的經濟效益，對地面鉆探水利工程和地面灌漿工程具有重要意義。當前，此項技術的主要研究方向和重點是機械設備的改進和創新，并積極嘗試提高其相關作業的自動化水平，推進定向分支鉆進技術的實際應用，提高礦區的生產力。