定向分支鉆探注漿技術在煤礦防治水中的應用

王強

（國家能源集團新疆能源公司 紅沙泉露天煤礦，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引 言

煤層底板突水事故是煤礦井下開采過程中常見災害之一，特別是對水文地質條件復雜、井下涌水量大的礦井，底板突水問題嚴重威脅著礦井安全開采[1-2]。因此，在煤礦井下開采過程中，必須提前采取有效的防治水措施來確保礦井安全開采。近年來，隨著煤礦井下開采深度不斷增加，防治水難度也在不斷增大。針對深部井下開采治理底板突水難度大問題，以焦作煤業集團趙固一礦18011 工作面為工程背景，提出地面多分支定向鉆探注漿技術，該技術充分發揮地面鉆探具有的施工方便、鉆探速度快效率高、定向精準、探查治理范圍大等優勢及底板注漿加固提高底板隔水層厚度和強度作用。能夠有效降低煤層底板突水系數，提高防治水效果[3-6]。同時在鉆探過程中，選擇“綠色”鉆井液材料進行施工，降低鉆井液對環境的破壞影響，對推動礦井防治水工作具有重要意義。

1 工程概況

趙固一礦隸屬于焦作煤業集團趙固（新鄉） 能源有限責任公司，設計生產能力為240 萬t/a，主采二1 煤層。18011 工作面位于礦井-525 m 水平，地面標高+87.1—+85.4 m，井下標高-556.3—-485.3 m。工作面設計走向長1 175 m，傾斜長210 m，工作面煤層賦存較為穩定，厚度為5.5～6.2 m，平均厚度約5.8 m，煤層傾角2°～12°，平均傾角為8°。工作面煤層頂底板巖性綜合柱狀圖如圖1 所示。工作面水文地質條件復雜，其直接含水層為太原組上段L8灰巖，巖層厚度為8.1～8.9 m，隔水層厚度為32.2～34.0 m，水壓為5.6～6.3 MPa，突水系數為0.174～0.185 MPa/m，遠大于臨界突水系數Ts≤0.06 MPa/m，工作面存在較大突水危險性。

圖1 18011 工作面煤層頂底板巖性綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive log diagram of coal floor and roof in No.18011 Face

2 地面多分支定向鉆孔結構及鉆孔設計

為解決18011 工作面開采過程中發生突水事故威脅問題，運用地面多分支定向鉆探技術，對工作面二1 煤層底板直接含水層L8灰巖的富水情況和工作面內部地質構造發育情況詳細探查，采取底板注漿加固技術對煤層底板巖層加固，增加二1 煤層底部與L8灰巖含水層間各巖層的完整性和抗壓強度，降低底板突水危險性，保障工作面安全開采。

2.1 鉆孔結構設計

定向鉆孔結構設計原則是將煤層底板下方L8灰巖含水層作為鉆孔終孔的目的層，鉆進過程中依次穿過第四系新近系巨厚沖積層、二疊系砂質泥巖層、石炭系L9灰巖層，最后鉆孔以近水平的形式進入到L8灰巖含水層內。結合18011 工作面煤層底層結構特征，鉆孔結構按照兩級套管配合三級孔徑結構的形式進行設計施工。定向鉆孔具體設計結構如圖2 所示。

圖2 18011 工作面定向鉆孔結構示意Fig.2 Directional drilling structure of No.18011 Face

2.2 鉆孔軌跡

施工地面定向鉆孔時其鉆孔軌跡主要受鉆孔穿越的地層煤巖層特點、鉆機鉆進施工方式、鉆具鉆進造斜能力等因素影響。18011 工作面定向鉆孔主要分三段施工，分別為直孔段（一開）、造斜（二開） 和順層分支段（三開）。鉆孔井斜角度由最初的0 最后變為80°～90°進入到L8灰巖段。

（1） 直孔段（一開）：0～180 m 為直孔段，孔徑為350 mm，使用的套管規格為φ244.5 mm×8.94 mm，套管下入到穩定基巖內大于15 m，注入單液水泥漿進行封固套管。鉆進施工時使用φ215.9 mm 牙輪鉆頭配φ178 mm 鉆鋌和φ89 mm鉆桿進行開孔施工，擴孔時使用φ350 mm 牙輪鉆頭進行擴孔施工。

（2） 造斜段（二開）：鉆進施工從180 m 向里開始進行造斜，鉆孔施工孔徑為216 mm，使用的套管規格為φ177.8 mm×8.05 mm，套管需下入到L8灰巖上部，采用單液水泥漿進行封固套管。鉆進施工時使用φ215.9 mm 牙輪鉆頭配φ178 mm 鉆鋌和φ89 mm 鉆桿進行造斜施工。

（3） 順層分支段（三開）：在該段施工時，裸孔沿L8灰巖順層進行探查鉆進，孔徑為152 mm。鉆進時使用φ152.4 mmPDC 鉆頭配合φ127 mm 鉆鋌和φ89 mm 鉆桿進行施工。

2.3 鉆孔設計

根據18011 工作面水文地質資料和煤層地質條件，工作面需要進行底板突水探查治理的范圍長960 m，寬340 m，為確保探查治理區域能夠實現對工作面全覆蓋，同時考慮降低探查治理成本投入，設計向工作面施工地面多分支定向鉆孔，根據鉆探裝備、工作面地質條件及現場情況，設計施工3 個主孔，并在各個主孔內設計4 個順層分支鉆孔，分支鉆孔水平間距為50 m、方位角設計為152°，井斜85°。鉆孔布置設計圖如圖3 所示，為便于鉆孔施工，以2 號主孔為例繪制出其主孔及分支孔三維立體示意圖如圖4 所示。

圖3 18011 工作面地面定向鉆孔平面布置示意Fig.3 Layout of surface directional drilling in No.18011 Face

圖4 18011 工作面2 號定向鉆孔及分支孔三維立體示意Fig.4 No.2 directional drilling and branch hole 3D stereo in No.18011 Face

3 “綠色”鉆井液設計

3.1 配漿材料及分段鉆井液設計

根據鉆孔穿越地層的特點及鉆孔結構條件，鉆孔開始在沖積層中鉆進時，因沖積層主要由黃土、黏土及薄層礫石組成，其巖性較軟，在進行鉆進作業過程中容易出現鉆孔塌孔、泥土包裹鉆頭等現象。在薄層基巖中進行造斜鉆進施工時，因基巖段的巖層主要由砂巖和砂質泥巖互層組成，而在順層分支段進行鉆進施工時，因鉆孔沿著灰巖順層進行長距離鉆進施工，以上情況均要求鉆井液具有極高的流變、抑制和潤滑性能[7-8]。為減小定向鉆孔施工過程中對自然環境的破壞影響，設計選用“綠色”材料（表1） 來對鉆井液性能進行優化改善，同時對鉆井液進行分段設計，具體配方見表2。

表1 “綠色”鉆井液處理劑材料及功能Table 1 Materials and functions of'green'drilling fluid treatment agent

表2 分段鉆井液設計配方Table 2 Design formula of segmented drilling fluid

3.2 鉆井液維護管理

（1） 加強日常性能監測。在使用鉆井液過程中，強化日常的監測，一般情況下需每間隔2 h 對鉆井液檢測1 次，當調整泥漿時，需根據調整情況及時增加鉆井液的檢測次數。

（2） 安排業務熟練地專職人員管理鉆井液，當出現鉆井液性能突變時，專職人員能夠及時查找分析突變原因并采取針對性的處置方案。

（3） 鉆井液凈化處理。采用三級凈化工藝對鉆井液進行凈化處理，減少有害物質含量，確保鉆井液性能穩定。

4 應用效果分析

在對18011 工作面底板區域范圍內的水害進行探查治理過程中，通過采用地面多分支定向鉆探技術配合“綠色”鉆井液技術，克服巨厚沖積層薄基巖煤層底板條件下鉆探施工難題，完成3 個一開主鉆孔、12 個二開鉆孔和順層分支鉆孔的施工，共計完成鉆探工程量18365.37 m，各鉆孔分段鉆探工程量完成情況如表3 所示。在鉆探施工過程中，各孔段均未發生塌孔、卡鉆、縮孔等現象，該鉆探工作的順利完成，為18011 工作面煤層底板區域水害治理奠定良好的基礎條件。

表3 工作面分段鉆探工程量完成情況Table 3 The completion of sectional drilling engineering in working face

5 結 論

（1） 對于存在高承壓底板富含水層工作面開采前，采用地面多分支定向鉆探注漿技術配合“綠色”鉆井液技術對煤層底板進行治理，能夠有效提高工作面煤層底板巖層狀況，降低工作面開采過程中發生突水危險性系數，保障工作面安全回采。

（2） 地面多分支定向鉆孔采用主孔與順層分支鉆孔相配合的設計施工方式，能夠將工作面煤層底板受水害威脅的區域范圍進行全部覆蓋，同時能有效減少無效孔區段的鉆探工程量，提高了鉆探效率，降低了鉆孔施工成本。

（3） 合理設計選取“綠色”鉆井液配方并實行分段鉆井液施工，可解決鉆探施工過程中因地層條件復雜易出現鉆具卡阻、鉆孔塌孔、鉆探施工難度大等問題，降低鉆探施工對周圍環境破壞影響。