構造發育區薄層灰巖地面定向孔鉆探注漿技術

孫曉宇，楊 雪，田 樂

(1.煤礦深井建設技術國家工程實驗室，北京 100013； 2.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

煤礦水害是僅次于瓦斯事故的重要災害，隨著煤層開采深度的增加，承壓水害已成為華北型煤田深部開采的嚴重安全威脅[1]。據不完全統計，自1955年以來，來自煤系薄層灰巖和基底奧陶系灰巖巖溶水的底板突水事故有2 000余次，其中淹井 220余次，造成的經濟損失達數千億元，因水害造成的人員傷亡達8 000多人[2]。淮北煤田是典型的華北型煤田，同樣面臨著高地應力、高水壓情況，中等采深以淺的一些煤層底板防治水經驗已不能滿足深部開采的技術要求，必須轉變礦井防治水思路，改變和充實礦井防治水指導技術原則[3]。隨著鉆探技術及相關裝備的不斷發展，礦井防治水理念、治理思路已發生了很大轉變，煤層底板水害防治已由井下轉移到地面、常規鉆探向定向鉆探發展，地面定向鉆探技術與地面注漿技術結合創新的煤層底板水害防治技術將成為主流[4-6]，該技術克服了以往的重重困難，例如，無法實現高壓注漿、占用巷道掘進和工作面回采時間等，提高了施工安全性和施工效率[7]，目前已有多個煤礦采用該技術對煤層底板灰巖含水層進行了探查和治理，并取得了良好的治理效果[8-9]。

1 礦區概況

1.1 地層

恒源煤礦Ⅱ63采區中部的Ⅱ634、Ⅱ635工作面走向長1 750 m，傾斜寬360 m，主采煤層為二疊系山西組6煤層，厚度為1.50～5.03 m，平均2.95 m；煤層傾角2°～26°，平均傾角9.1°，屬全區穩定型可采煤層，煤層埋深720～800 m。經鉆孔揭露地層有奧陶系(O1+2)、石炭系(C2+3)、二疊系(P)、新近系(N)和第四系(Q)，其中新生界厚度為146.80～217.60 m，平均厚度為172.02 m。地層柱狀如圖1 所示。

圖1 地層柱狀圖

1.2 地質構造

根據地面三維地震勘探資料，Ⅱ63采區的主要地質構造為褶曲及斷層，褶曲構造為溫莊向斜，斷層40條，其中落差10～20 m的斷層11條，5～10 m的斷層8條，3～5 m的斷層14條，3 m以下的斷點組合斷層7條；Ⅱ634、Ⅱ635工作面橫跨溫莊向斜布置，呈“兩端高、中間低”的形態，向斜軸部傾角約26°，發育落差大于3 m的斷層13條，最大落差10 m，地質構造條件復雜。

1.3 水文地質

Ⅱ63采區6煤層底板直接含水層為太原組灰巖巖溶含水層組，灰巖共計12層，累計厚度約130 m，L1～L4灰巖含水層富水性較強，滲透系數為 1.22～43.50 m/d，6煤層承受太灰含水層組水壓為3.9～5.3 MPa，隔水層厚度平均為46 m，對應突水系數為0.08～0.12 MPa/m，存在較大的突水安全威脅[10]；另外，奧陶系灰巖巖溶含水層與太灰水力聯系較弱，基本無互補關系。

2 地面定向孔鉆探注漿治理方案

鑒于Ⅱ634、Ⅱ635工作面地質及水文地質條件的復雜性，采用地面定向水平孔鉆探注漿防治水技術對太原組L3灰巖含水層進行超前探查及注漿治理，對承壓水上主采煤層底板隔水層進行注漿加固或將直接含水層改造成隔水層，降低井下巷道掘進及工作面回采期間水害威脅程度[11-12]。

2.1 鉆探施工方案

2.1.1 鉆孔布置

根據Ⅱ634、Ⅱ635工作面治理區域的形態、構造發育特點及井下已施工的巷道群，特布置3個主孔，其中，Z1主孔設計11個水平孔，Z2主孔設計8個水平孔，Z3主孔設計9個水平孔，共設計28個水平孔；結合漿液的擴散距離，水平孔孔間距設計為45～52 m，基本實現治理區域的全區覆蓋。鉆孔設計參數如表1所示，鉆孔平面布置如圖2所示。

表1 鉆孔設計參數

圖2 鉆孔平面布置示意圖

2.1.2 鉆孔軌跡

根據治理區域沖積層厚度、L3灰巖含水層埋深及地層產狀，鉆孔軌跡分為直孔段、造斜段及水平孔段，注漿鉆孔經過直孔段、造斜段的施工，鉆孔井斜角度由0°變為77°～85°，使鉆孔井斜基本與L3灰巖含水層傾角相近，以達到水平孔在L3灰巖含水層內順層鉆進的目的，并且為了保證注漿效果，鉆孔軌跡盡量與主要斷層構造帶垂直或斜交。

治理區域各主孔的直孔段約200 m，經過710～861 m造斜段的施工，形成水平孔，水平孔段長為205～936 m，由于治理區域沖積層埋深較淺，沖積層底界至L3灰巖含水層基巖段較厚，為了保證合適的鉆孔曲率，在直孔段進入基巖約200 m時開始造斜工作，造斜段造斜率為每30 m 5.54°，并且各主孔靶前距為260～440 m。

2.1.3 鉆孔結構

地面定向水平孔采用3級孔徑、2層套管的三開鉆孔結構，即一開孔段和二開孔段均需下放套管，一開套管將鉆孔與沖積層隔離；二開套管將鉆孔與主要含水層及煤層等隔離，以保證鉆孔的穩定及注漿效果；三開為裸孔段，沿L3灰巖含水層順層鉆進，并通過注漿加固隔水層及改造含水層。鉆孔結構示意如圖3所示。

圖3 鉆孔結構示意

1)一開孔徑311.0 mm，下入?244.5 mm×8.94 mm 套管，進入基巖內不小于20 m，并用單液水泥漿固管；

2)二開孔徑215.9 mm，下入?177.8 mm×8.05 mm 套管，下至二灰下部海相泥巖底，并用單液水泥漿固管；

3)三開孔徑152.4 mm，沿L3灰巖順層鉆進，為裸孔段。

2.2 注漿施工方案

2.2.1 漿液類型

對煤層底板灰巖含水層進行超前注漿治理，漿液類型一般為黏土水泥漿及單液水泥漿，Ⅱ634、Ⅱ635工作面采用單液水泥漿，其中水泥采用P.O 32.5/P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；水質滿足國家混凝土拌合用水質量標準要求[13]。

2.2.2 注漿參數

1)注漿前提：水平孔鉆進過程中，鉆井液無漏失或漏失量較小時，每100 m進行1次壓水實驗，通過壓水實驗充分揭露地層裂隙，分為3種情況：①若壓水實驗壓力為0 MPa，壓水量不小于壓水孔段體積；②若壓水實驗有壓力，但壓力較為穩定，壓水量不小于壓水孔段體積的1.5倍；③若壓水實驗有壓力，但壓力上升快，壓水量根據壓力上升情況而定，直至壓力維持穩定；鉆井液漏失量大于15 m3/h時提鉆注漿。

2)初始濃度：根據鉆井液漏失量及壓水實驗情況確定漿液濃度，濃度調整原則為“稀—濃—稀”，根據單液水泥漿性能和煤層底板含水層改造目的，采用水灰比為3∶1～0.8∶1漿液，其中構造裂隙主要采用水灰比為2∶1～1∶1漿液；溶洞及斷層破碎帶主要采用水灰比為1.4∶1～0.8∶1漿液。注漿過程中，當連續注入300 m3左右，壓力不升或下降時，調高一個濃度級；壓力上升較快時，調低一個濃度級；遇到較大裂隙時，應采用濃漿大量注漿充填，后期壓力上升后可采用稀漿注漿補充。

3)注漿壓力：注漿壓力要與地層條件、漿液性能及漿液擴散距離相適應[13]，注漿結束孔口壓力為10～12 MPa，注漿結束泵量為40～60 L/min。

3 施工難點及關鍵技術

3.1 多砂巖含水層造斜段成孔技術

造斜段是地面定向孔的重要孔段，不僅要保證水平孔成孔，還要為注漿提供有力保障。各主孔造斜段主要揭露二疊系及石炭系部分太原組地層，其中上統上石盒子組、下統下石盒子組、下統山西組為砂巖、泥巖及煤層互層，不能明顯地劃分含、隔水層，統稱為二疊系煤系砂巖裂隙含水層組。二疊系地層厚度為384.15～707.90 m，平均580.86 m； 各主孔造斜段鉆進過程中，鉆井液漏失量均大于93 m3/h，嚴重影響造斜段的成孔及套管下放。為了克服鉆井液漏失問題，首先采取調整鉆井液措施，鉆井液技術參數：密度1.10～1.25 g/cm3，黏度30～50 s，濾失量小于等于10 mL，塑性黏度4～15 mPa·s，靜切力 2～10 Pa，動塑比0.40；其次引入地面注漿技術對鉆井液漏失層位進行間隙式注漿封堵，單液水泥漿技術參數：水灰比1∶1～0.8∶1，添加三乙醇胺(0.05%)及食鹽(0.5%)等添加劑，注漿泵量300～350 L/min，結束壓力1～2 MPa。

3.2 長距離水平孔鉆進技術

為了實現治理區域的全區覆蓋，采用“條帶狀”布孔方式，水平孔側偏移量高達180 m、段長達936 m，為了最大限度地增加水平孔段長度，提高施工效率，需要攻克鉆具組合及鉆井液參數控制技術等難題。

1)柔性鉆具鉆進技術

長距離水平孔鉆進技術是在直孔段完鉆的基礎上，以85°～99.85°井斜分支排列多個水平孔，在造斜段及水平孔采用無線隨鉆測斜儀，實時將測量數據如井斜、方位、伽瑪值等參數通過鉆井液傳輸到地面，實時控制鉆井參數，達到水平孔定向鉆進的目的[14-15]。在Ⅱ634、Ⅱ635工作面采用柔性鉆具組合，如造斜段：?215.9 mm牙輪鉆頭+?172 mm螺桿鉆具+?178 mm無磁鉆鋌(內含無線隨鉆測斜儀和 γ探管)+?178 mm普通鉆鋌+?89 mm鉆桿+?89 mm加重鉆桿+?89 mm鉆桿；水平孔段：?152.4 mm牙輪鉆頭+?127 mm螺桿鉆具+?127 mm無磁鉆鋌(內含無線隨鉆測斜儀和γ探管)+?127 mm普通鉆鋌+?89 mm鉆桿+?89 mm加重鉆桿+?89 mm鉆桿。為了提升鉆具加壓效果，采取倒裝加壓方式，每鉆進150～200 m鉆具短起1次，保證?89 mm加重鉆桿在井斜45°孔段以上。

2)鉆井液參數控制技術

Ⅱ634、Ⅱ635工作面地面定向水平孔一開孔段沖積層巖性為黏土、砂質黏土、細粉砂、夾雜著薄層礫石及鈣質團塊，厚度為146.80～217.60 m；二開孔段地層巖性為砂巖、砂質泥巖及煤層互層，厚度為384.15～707.90 m；三開孔段地層巖性主要為L3灰巖。在各孔段鉆進之前，根據鉆孔深度及地層巖性的不同，分別配制不同性能的鉆井液[16]，并進行室內實驗優化；現場3臺鉆井設備各配置1套鉆井液固控系統，該系統主要由振動篩、除砂器、除泥器及離心機等組成，實現了鉆井液自動配制、循環及凈化，極大地減少了鉆井液固相顆粒，降低了鉆孔內壁的摩擦阻力，并且保證了鉆孔施工安全[17]。鉆井液參數如表2所示。

表2 鉆井液參數

3.3 薄層灰巖鉆遇率保障技術

1) L3灰巖含水層探查技術

太原組上部地層為灰巖、泥巖互層，主要為 L1～L4灰巖含水層及3層砂質泥巖夾層，其中 L1～L4灰巖含水層厚度為2.6～10.0 m，砂質泥巖夾層厚度為5.6～7.0 m，由于灰巖較薄，并且距離較近，給造斜段套管下放位置(L2灰巖下部泥巖)及治理目的層(L3灰巖)判斷帶來一定的困擾，在造斜段套管下放前，必須把4層灰巖的具體位置關系分析清楚。首先，在造斜段鉆進過程中，認真分析對照治理區域地層柱狀圖，準確判斷4煤、6煤標志層位；其次，在井斜65°～75°孔段處施工 1個探查孔，分析L1～L4灰巖含水層埋深、厚度及相互位置關系；最后，采用水灰比為1∶1的單液水泥漿封孔至井斜60°～65°孔段，根據L3灰巖含水層的埋深、厚度優化鉆孔軌跡。

2)巖樣錄井技術

L3灰巖含水層平均厚度為5 m，其上覆、下伏地層均為灰黑色砂質泥巖，在水平孔鉆進過程中，每鉆進1 m撈取1次巖粉，對巖粉顏色、成分進行分析，隨時掌握鉆孔的巖層層位，如無斷層孔段巖粉顏色、成分有變化，及時調整井斜；如遇斷層，分析斷層上盤、下盤具體位置及斷層落差后，對該孔段進行注漿處理，達到注漿結束標準，優化設計鉆孔軌跡，保證水平孔順層鉆進。

3)隨鉆自然伽瑪測井技術

為了更好地控制鉆孔軌跡，采用SMWD-76S(帶γ探管)型泥漿脈沖式無線隨鉆測斜儀[18-19]，不僅可以顯示鉆孔巖層的γ值，而且能隨鉆進作業實時監測定向參數及時調整定向設計方案。自然伽瑪探管測井是以巖層的自然放射性為基礎，沿水平孔井眼鉆進測量，并記錄伽瑪射線強度，通過泥漿實時傳到地面， L3灰巖含水層自然伽瑪值參考范圍為12～55，鉆進過程中將自然伽瑪數據及實時巖粉對比分析，提高鉆孔巖層判斷的準確性，并根據對比分析結果及時調整鉆孔軌跡，保證在目的層鉆進。

3.4 長距離水平孔高壓注漿技術

Ⅱ634、Ⅱ635工作面地面定向水平孔終孔長達1 956 m，水平孔段長達936 m，并且鉆孔揭露溶蝕裂隙、構造裂隙、斷層破碎帶及陷落柱等可注性各異，為了保證注漿效果[20-21]，將可注性相近的地層分為一段，進行分段注漿，可采用前進式注漿方式，必要時亦可采用后退式注漿方式。首先對注漿量大、注漿時間長的孔段進行間歇式注漿，多次重復注漿；其次添加水玻璃、三乙醇胺及食鹽等添加劑對漿液性能進行改善。若鉆孔揭露地質異常體，相鄰兩個分支孔(孔間距40～60 m)鉆井液漏失量大，注漿量大且壓力上升緩慢，則必須在中間布置一個次分支孔進行加密注漿，孔間距縮小為20～30 m；次分支孔注漿量仍然較大，壓力上升緩慢，則繼續加密分支孔，孔間距縮小為10～15 m，這樣才能保證治理區域的注漿加固堵水效果。

4 現場施工情況

3個主孔采用該工藝，成功克服了構造發育區域薄層灰巖地面定向分支孔鉆探注漿技術中的施工難題，完成了多砂巖含水層造斜段成孔及套管下放工作，主孔段長達1 949 m；完成了長距離水平孔鉆進、注漿工作，水平孔段長達959.54 m，注漿水泥用量達19 151.25 t；完成了薄層灰巖鉆遇率保障工作，L3灰巖含水層鉆遇率大于90%，甚至高達100%。鉆探注漿施工技術參數如表3所示。

表3 鉆探注漿施工技術參數

2019年11月14日，恒源煤電集團公司完成了恒源煤礦Ⅱ634工作面水文地質情況及水害隱患治理效果評價，順層分支孔鉆遇率高達97.9%，注漿后鉆孔單位吸水率小于0.01 L/(min·m·m)，滿足設計要求。地面區域治理后，開展了底板網絡并行電法、無線電波透視、瞬變電磁探測，并對物探異常區、大注漿量區域及L3灰巖含水層水平孔出層區域進行了鉆探驗證，Ⅱ634工作面井下驗證孔共施工104個，鉆探工程量10 914 m，Ⅱ634工作面井下驗證如圖4所示。L3灰巖含水層驗證孔最大出水量5 m3/h，突水系數降為0.060～0.068 MPa/m，認為Ⅱ634工作面可安全回采，并且截至2020年8月26日，該工作面已安全回采近800 m。

圖4 Ⅱ634工作面井下驗證示意圖

5 結語與展望

1)總結了構造發育區薄層灰巖地面定向水平孔鉆探注漿施工關鍵點，并詳細闡述了多砂巖含水層造斜段成孔技術、長距離水平孔鉆進技術、薄層灰巖鉆遇率保障技術，以及長距離水平孔高壓注漿技術，為煤層底板含水層探查與治理積累了寶貴經驗。

2)實現了巷道邊掘邊探向巷道施工前探查治理的轉變、井下向地面探查治理的轉變、采面向區域探查治理的轉變，在時間和空間上的有效拓展，不僅有效提升了煤層底板水害治理的安全性，而且極大地提高了煤礦防治水的施工效率及經濟效益。

3)保障了構造發育區薄層灰巖鉆遇率，增加了鉆孔與目的層的接觸面積，并通過地面定向孔高壓注漿，對治理目的層進行“網、羽”狀探注，將其改造為相對隔水層，從根本上消除了煤層底板灰巖含水層災害性突水通道，從而科學地延伸開采下限，實現了下組煤較大規模及深部煤炭資源安全帶壓開采。

4)下一步將對構造發育區薄層灰巖漿液擴散規律進行研究，不斷完善鉆孔的布設方式及鉆孔間距；調研及研發水平孔止漿裝置，真正意義上實現分段注漿，完善提升水平孔注漿工藝；豐富薄層灰巖探查技術手段，并解決井下地面的數據傳輸的穩定性及可靠性，為煤層底板防治水技術的發展提供有力保障。