地面定向孔靶向治理導水斷層技術實踐

孔皖軍，白 明

（鄂爾多斯市華興能源有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯017000）

0 引 言

定向鉆進技術是指從地面垂直開孔，以一定角度在目標層位灰巖中施工定向分支鉆探孔探查垂直隱伏構造并進行注漿改造的一項新的水害探查治理技術。定向分支鉆孔，就是在地面鉆鑿直孔，在適當的深度進行定向造斜施工，在一定深度形成軌跡受控水平定向水平（近水平）孔，在水平孔一側或兩側實施帶狀若干分支孔。與煤礦傳統井下探查孔相比，具有控制面積大、軌跡受控精度高、施工設備能力大、施工安全程度高、不受場地環境影響、可進行超前探查等優點。

斷層突水主要有兩種，一是導水斷層突水，采掘揭露斷層時發生突水；二是非導水斷層在礦山壓力作用下，由非導水狀態轉化為導水狀態，形成突水通道，導致突水。斷層上、下盤在采動影響下發生相互錯動的過程稱為斷層活化，實質就是開采盤沿斷層面產生剪切變形，斷層帶產生新的裂隙。非導水斷層通過活化，破壞了斷層帶中的膠結物，增大了斷層帶巖體的滲透性；上、下盤變為“斷開”狀態，為突水通道的形成提供了有利條件。

1 治理背景

2018年，唐家會煤礦61201工作面正在回采，61208工作面未掘，由于61208為下一個回采工作面，為保證生產，需要在61208東側掘進一條西翼膠帶機巷，該巷道位于礦井一盤區西翼，南起61201運輸順槽，北至礦井邊界保護煤柱線，西鄰61201、61207、61208工作面，東臨6煤回風大巷。

唐家會礦主采煤層為石炭-二疊系6號煤，該煤層距離該煤層下部的奧陶紀灰巖層約為40～60 m，煤層底板承受奧灰水壓力約為1.5 MPa，底板奧灰水對該礦井安全生產有著重大威脅。據已有的三維地震解釋結果以及礦井生產過程中61201工作面、6煤回風大巷及風副北聯巷等掘進過程中實際揭露的地層資料可知，此西翼膠帶機巷在掘進期間可能揭露有4條正斷層，即F201-H1、Ff3、F201-H2、DF2-1，如圖1、圖2所示。此4條正斷層傾角約為60°～80°，最大落差12.4 m，最小落差1.8 m，平均落差6.3 m，這些斷層同屬DF2斷層組。風副北聯巷揭露DF2斷層時，出水量達500 m3/h，說明該斷層為導水斷層。為保障翼膠帶機巷安全掘進，決定對該巷道中的斷層進行注漿加固治理。

圖1 膠帶機巷與DF2斷層相切的平面位置示意Fig.1 Position of belt roadway and DF2 fault

圖2 膠帶機巷與DF2斷層相切的剖面位置示意Fig.2 Section of belt roadway and DF2 fault

2 治理設計

2.1 鉆孔設計

為確保井下一盤區西翼膠帶機巷安全通過DF2斷層，從地面設計2個定向鉆孔F1和F2，如圖3、圖4所示，利用定向鉆孔對DF2斷層的灰巖根部進行斷層治理。定向鉆孔F1目標層位為奧灰層下10～20 m，旨在先對膠帶機巷正下方的DF2斷層組的灰巖進行注漿封堵。定向鉆孔F2的目標層位為奧灰層正上方的9下煤底板砂巖，設計的F2的主要意圖在于兩點，一是由于F2是后于F1施工，故F2在施工的過程中可以檢查F1的施工效果，并可以對其進行效果評價；二是對9下煤底板的斷層進行注漿封堵，保障DF2斷層組的治理效果。在地面定向鉆施工完成之后，在巷道掘進過程中再次設計多個井下斷層探查孔，用于對此次地面定向孔導水斷層治理以及底板加固的效果評價。

圖3 鉆孔設計平面示意Fig.3 Borehole design plane

圖4 鉆孔設計剖面示意Fig.4 Borehole design section

2.2 注漿設計

由于唐家會煤礦現有注漿站能力小，為滿足注漿需要，在礦工業廣場鉆場邊新建臨時注漿站對此次設計的1號孔進行注漿。注漿水泥采用PO32.5硅酸鹽水泥，造漿用水水質須滿足SO42-含量<2 700 mg/L、pH>4。此次超前治理注漿采用孔口封閉靜壓前進式分段注漿法。注漿前先進行壓水，注漿中若吃漿量大，可用稠漿進行注漿或采用間歇式注漿法；若吃漿量小，可用稀漿進行注漿。單回次注漿起壓等凝后，要進行掃孔再注漿，若能吃漿還需繼續注漿，然后再掃孔，直至掃孔不吃漿然后繼續向前鉆進，如此循環式前進。注漿順序采用插花式跳孔施工方法，先注兩邊孔，再注中間孔，然后再在已注漿孔之間穿插注漿。后序鉆孔注漿時可對前序鉆孔的注漿效果進行檢查。

本次注漿地面孔口壓力設計為6 MPa。注漿終止時設計地面泵量不大于60 L/min，穩定時間設計不小于15 min。

2.3 地面鉆孔施工與測試系統安裝

鉆探設備為1臺石油ZJ30鉆機及其配套裝，注漿設備為5臺3NBB-390注漿泵，使注漿站的最大注漿能力達到2 808 m3/d。

3 施工情況

3.1 鉆探施工

鉆孔一開為直孔段，孔徑311 mm，鉆至石千峰組約20 m處新鮮基巖，孔深約170 m，下入170 m長φ244.5 mm×8.94 mm一開套管。鉆孔二開為導斜段，孔徑215.9 mm，孔深原則上進入到奧灰風化帶以下完整灰巖中，奧灰風化帶以上9煤以下堅硬完整的巖層中，下入φ177.8 mm×8.04 mm套管。1號孔二開套管長度669 m。

F1孔于2018年11月22日開始施工三開裸孔段，至2019年1月7日結束。三開裸孔段共完成鉆探6回次，三開累計進尺390.96 m，孔深925.96 m。F2孔于2019年1月9日開始施工三開裸孔段，至2019年1月11日結束。三開裸孔段共完成鉆探1回次，三開累計進尺274.5 m，孔深930.5 m。

F1鉆孔6回次施工如圖5所示。

圖5 F1分支鉆孔施工Fig.5 F1 branch drilling construction

在設計F1分支孔軌跡時，預計鉆遇斷層時巖性為奧灰，進入奧灰下10～20 m，在F1的6回次鉆探中，第一回次和第二回次在孔深為724 m、731 m出現鉆井液大量漏失，根據圖5可知，此漏失位置為剛進入奧灰層位，然而卻并非在DF2-1和F201-H2斷層的位置，故推斷此處可能奧灰層位巖溶裂隙發育，鉆井液沿巖溶裂隙漏失；第三、第四、第五回次鉆井液大量漏失的位置剛好在DF2-1斷層附件，符合預期；第六回次鉆井液大量漏失位置處于F201-H2斷層附近，同樣符合預期。F2鉆孔施工如圖6所示。

圖6 F2分支鉆孔施工Fig.6 F2 branch drilling construction

F2分支孔的設計及實際軌跡均在9下煤底板砂巖中鉆進，鉆遇斷層時巖性也為砂巖，整體鉆進效率最高，鉆探1回次即至終孔位置，且也未出現掉塊、埋鉆等異常情況。主要有兩方面原因，一方面主要與鉆遇斷層時巖性有關，砂巖自身較為致密、堅硬，返出巖粉細小，顆粒感明顯，易隨鉆井沖洗液沖出，不易包裹鉆頭，因此鉆進效率高；另一方面F2分支孔受F1分支孔注漿影響，F1分支孔注漿時，部分進入斷層帶的漿液與斷層帶內部充填物膠結、凝固、硬化，避免其他分支孔鉆遇斷層時出現掉塊、塌孔、埋鉆現象。

3.2 注漿施工

F1鉆孔三開裸孔段共完成注漿6回次，均采用混合漿注漿，累計注入水泥7 097 t，注入粉煤灰5 911.77 t，考慮到鉆孔與巷道和采空區距離較近，注漿壓力4～6 MPa。6回次注漿量統計如圖7所示?？梢钥闯?，第四回次和第五回次的注漿量遠遠多于其余4個，而第四回次和第五回次的終孔位置為DF2-1斷層附近，表明DF2-1斷層較為發育，并且巖溶裂隙可能也較為發育。

圖7 F1鉆孔6回次注漿統計Fig.7 Grouting statistics of F1 drilling hole in 6 passes

三開裸孔段共完成注漿1回次，采用混合漿注漿，累計注入水泥89.55 t，注入粉煤灰114.27 t。注漿壓力均7 MPa。

4 斷層治理揭露驗證情況

F1、F2分支孔施工結束后，在掘進過程中井下施工9個前探孔，分別為4-1#、4-2#、4-3#、4-4#、4-5#、4-6#、4-7#、4-8#、4-9#，用于探查該處斷層治理后出水情況，如圖8、圖9所示。

圖8 井下前探孔施工剖面示意圖Fig.8 Construction section of the front borehole

圖9 井下前探孔施工平面示意Fig.9 Construction plane of the front borehole

從前探孔的布置來看，僅4-1#鉆孔終孔層位在主采煤層6煤底板，其余8個前探孔均在所治理的9下煤底板中。

4-1#孔為前探孔中水量及注漿量比較小的孔，主要原因是該孔平面位置上位于F1分支孔正上方，F1分支孔注漿對其也有一定影響；同時該孔層位屬本批次前探孔層位最高的孔，位于6煤底板，該層自身富水性差，單位涌水量小；最后該孔僅揭露F201斷層，未揭露DF2-1斷層，該孔出水僅受底板含水層及F201斷層影響。該孔在揭露斷層后出水，水量較少為2 m3/h，隨著進入含水層長度逐漸延伸，水量有所提升，但整體不大，終孔時水量較之前減少，說明該區域鉆孔出水以含水層靜儲量為主，F1分支孔基本封堵住該區域斷層導水通道，治理效果較好。

4-2#孔平面位置位于巷道西側，與F2分支孔處于同一側，前期鉆探揭露F201斷層時，水量均較小，為1.6 m3/h，當鉆孔進入DF2-1影響范圍內時，水量突增至24 m3/h，預計4-2#孔中50.05 t注漿量主要受注段為該水量突增區域，即揭露的DF2-1斷層段。而4-2#孔揭露DF2-1斷層位置與F2分支孔揭露斷層位置距離為23 m，因對該孔未進行疏放，不排除F2分支孔注漿未能沿斷層帶擴散20 m以上范圍的情況。

4-3#孔平面位置位于巷道東側，與F1分支孔距離最遠，該側未施工斷層治理鉆孔。4-3#孔開孔后，水量不大，僅4.6 m3/h，當鉆遇斷層后，水量突升至27.2 m3/h，終孔水量為27.5 m3/h，預計該孔82.1 t注漿量主要受注段為該孔水量突增點即揭露F210斷層位置。同時該突變點與F1分支孔平面位置距離為23 m，但仍不能排除F1分支孔注漿未能沿斷層帶擴散20 m以上范圍的情況。

4-4#孔平面位置位于巷道東側，與F1分支孔距離較近。該孔在鉆遇F201斷層時水量未出現明顯變化，而是隨著鉆孔在含水層中延伸，水量逐步增大，判斷該鉆孔出水為揭露9下煤底板砂巖裂隙出水，非斷層出水。

4-5#孔平面位置位于巷道東側，與F1分支孔距離較遠。該孔在鉆遇F201斷層時水量未出現明顯變化，而是隨著鉆孔在含水層中延伸，水量逐步增大，但水量較4-4#孔小，判斷該鉆孔出水為揭露9下煤底板砂巖裂隙出水，且前期4-4#已對該區域水進行了疏放，非斷層出水。

井下鉆孔最大出水量和注漿統計如圖10所示?？傮w而言，井下斷層探查孔鉆遇DF2斷層后出水量明顯小于F201斷層，主要原因是地面斷層治理孔是自東向西治理斷層，即斷層治理孔先揭露DF2斷層后，揭露F201斷層，在注漿治理過程中，大量漿液先進入DF2斷層，后進入F201斷層，且進入DF2斷層的注漿量會明顯多于進入F201斷層的注漿量，導致井下前探孔水量存在差異，因此后續對斷層組進行治理時應在前遇斷層治理達標后再治理后遇斷層，以實現斷層組的預期治理效果。

圖10 井下鉆孔最大出水量和注漿統計Fig.10 Maximum borehole water output and grouting statistics

5 結 語

在此次地面定向靶向治理導水斷層技術實踐中，為確保井下一盤區西翼膠帶機巷安全通過DF2斷層，設計2個地面定向長鉆孔F1、F2，對DF2斷層組進行治理，并在膠帶機巷掘進的過程中使用井下前探孔的方法對斷層治理的結果進行探查。從井下前探孔的探查結果可以看出，地面定向長鉆孔在對DF2斷層進行注漿治理時，斷層附近泥漿擴散具有不均一性，這表明該9下煤底板導水裂隙或孔隙的分布具有各向異性。通過這項工程實踐可以得出，井下前探孔對于地面定向長鉆孔進行斷層治理至關重要，井下前探孔不僅可以對該斷層治理效果進行評價分析，還可以對該斷層治理中不足的地方進行二次加固，是保障井下安全生產的重要手段。在膠帶機巷掘進過程中通過DF2斷層時，揭露斷層無水，斷層帶中有水泥結塊，表明斷層帶被水泥漿充填加固徹底，治理效果較好。