定向分支鉆探注漿技術(shù)在煤礦防治水中的應(yīng)用

王強(qiáng)

（國(guó)家能源集團(tuán)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(guò)程中常見(jiàn)災(zāi)害之一，特別是對(duì)水文地質(zhì)條件復(fù)雜、井下涌水量大的礦井，底板突水問(wèn)題嚴(yán)重威脅著礦井安全開采[1-2]。因此，在煤礦井下開采過(guò)程中，必須提前采取有效的防治水措施來(lái)確保礦井安全開采。近年來(lái)，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(duì)深部井下開采治理底板突水難度大問(wèn)題，以焦作煤業(yè)集團(tuán)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(shù)，該技術(shù)充分發(fā)揮地面鉆探具有的施工方便、鉆探速度快效率高、定向精準(zhǔn)、探查治理范圍大等優(yōu)勢(shì)及底板注漿加固提高底板隔水層厚度和強(qiáng)度作用。能夠有效降低煤層底板突水系數(shù)，提高防治水效果[3-6]。同時(shí)在鉆探過(guò)程中，選擇“綠色”鉆井液材料進(jìn)行施工，降低鉆井液對(duì)環(huán)境的破壞影響，對(duì)推動(dòng)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(yè)集團(tuán)趙固（新鄉(xiāng)） 能源有限責(zé)任公司，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為240 萬(wàn)t/a，主采二1 煤層。18011 工作面位于礦井-525 m 水平，地面標(biāo)高+87.1—+85.4 m，井下標(biāo)高-556.3—-485.3 m。工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)1 175 m，傾斜長(zhǎng)210 m，工作面煤層賦存較為穩(wěn)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?shù)装鍘r性綜合柱狀圖如圖1 所示。工作面水文地質(zhì)條件復(fù)雜，其直接含水層為太原組上段L8灰?guī)r，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(shù)為0.174～0.185 MPa/m，遠(yuǎn)大于臨界突水系數(shù)Ts≤0.06 MPa/m，工作面存在較大突水危險(xiǎn)性。

圖1 18011 工作面煤層頂?shù)装鍘r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(jié)構(gòu)及鉆孔設(shè)計(jì)

為解決18011 工作面開采過(guò)程中發(fā)生突水事故威脅問(wèn)題，運(yùn)用地面多分支定向鉆探技術(shù)，對(duì)工作面二1 煤層底板直接含水層L8灰?guī)r的富水情況和工作面內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況詳細(xì)探查，采取底板注漿加固技術(shù)對(duì)煤層底板巖層加固，增加二1 煤層底部與L8灰?guī)r含水層間各巖層的完整性和抗壓強(qiáng)度，降低底板突水危險(xiǎn)性，保障工作面安全開采。

2.1 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

定向鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則是將煤層底板下方L8灰?guī)r含水層作為鉆孔終孔的目的層，鉆進(jìn)過(guò)程中依次穿過(guò)第四系新近系巨厚沖積層、二疊系砂質(zhì)泥巖層、石炭系L9灰?guī)r層，最后鉆孔以近水平的形式進(jìn)入到L8灰?guī)r含水層內(nèi)。結(jié)合18011 工作面煤層底層結(jié)構(gòu)特征，鉆孔結(jié)構(gòu)按照兩級(jí)套管配合三級(jí)孔徑結(jié)構(gòu)的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。定向鉆孔具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 18011 工作面定向鉆孔結(jié)構(gòu)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(shí)其鉆孔軌跡主要受鉆孔穿越的地層煤巖層特點(diǎn)、鉆機(jī)鉆進(jìn)施工方式、鉆具鉆進(jìn)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?yōu)?0°～90°進(jìn)入到L8灰?guī)r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(guī)格為φ244.5 mm×8.94 mm，套管下入到穩(wěn)定基巖內(nèi)大于15 m，注入單液水泥漿進(jìn)行封固套管。鉆進(jìn)施工時(shí)使用φ215.9 mm 牙輪鉆頭配φ178 mm 鉆鋌和φ89 mm鉆桿進(jìn)行開孔施工，擴(kuò)孔時(shí)使用φ350 mm 牙輪鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔施工。

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

（3） 順層分支段（三開）：在該段施工時(shí)，裸孔沿L8灰?guī)r順層進(jìn)行探查鉆進(jìn)，孔徑為152 mm。鉆進(jìn)時(shí)使用φ152.4 mmPDC 鉆頭配合φ127 mm 鉆鋌和φ89 mm 鉆桿進(jìn)行施工。

2.3 鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)18011 工作面水文地質(zhì)資料和煤層地質(zhì)條件，工作面需要進(jìn)行底板突水探查治理的范圍長(zhǎng)960 m，寬340 m，為確保探查治理區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工作面全覆蓋，同時(shí)考慮降低探查治理成本投入，設(shè)計(jì)向工作面施工地面多分支定向鉆孔，根據(jù)鉆探裝備、工作面地質(zhì)條件及現(xiàn)場(chǎng)情況，設(shè)計(jì)施工3 個(gè)主孔，并在各個(gè)主孔內(nèi)設(shè)計(jì)4 個(gè)順層分支鉆孔，分支鉆孔水平間距為50 m、方位角設(shè)計(jì)為152°，井斜85°。鉆孔布置設(shè)計(jì)圖如圖3 所示，為便于鉆孔施工，以2 號(hào)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(hào)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(shè)計(jì)

3.1 配漿材料及分段鉆井液設(shè)計(jì)

根據(jù)鉆孔穿越地層的特點(diǎn)及鉆孔結(jié)構(gòu)條件，鉆孔開始在沖積層中鉆進(jìn)時(shí)，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(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)過(guò)程中容易出現(xiàn)鉆孔塌孔、泥土包裹鉆頭等現(xiàn)象。在薄層基巖中進(jìn)行造斜鉆進(jìn)施工時(shí)，因基巖段的巖層主要由砂巖和砂質(zhì)泥巖互層組成，而在順層分支段進(jìn)行鉆進(jìn)施工時(shí)，因鉆孔沿著灰?guī)r順層進(jìn)行長(zhǎng)距離鉆進(jìn)施工，以上情況均要求鉆井液具有極高的流變、抑制和潤(rùn)滑性能[7-8]。為減小定向鉆孔施工過(guò)程中對(duì)自然環(huán)境的破壞影響，設(shè)計(jì)選用“綠色”材料（表1） 來(lái)對(duì)鉆井液性能進(jìn)行優(yōu)化改善，同時(shí)對(duì)鉆井液進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，具體配方見(jiàn)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(shè)計(jì)配方Table 2 Design formula of segmented drilling fluid

3.2 鉆井液維護(hù)管理

（1） 加強(qiáng)日常性能監(jiān)測(cè)。在使用鉆井液過(guò)程中，強(qiáng)化日常的監(jiān)測(cè)，一般情況下需每間隔2 h 對(duì)鉆井液檢測(cè)1 次，當(dāng)調(diào)整泥漿時(shí)，需根據(jù)調(diào)整情況及時(shí)增加鉆井液的檢測(cè)次數(shù)。

（2） 安排業(yè)務(wù)熟練地專職人員管理鉆井液，當(dāng)出現(xiàn)鉆井液性能突變時(shí)，專職人員能夠及時(shí)查找分析突變?cè)虿⒉扇♂槍?duì)性的處置方案。

（3） 鉆井液凈化處理。采用三級(jí)凈化工藝對(duì)鉆井液進(jìn)行凈化處理，減少有害物質(zhì)含量，確保鉆井液性能穩(wěn)定。

4 應(yīng)用效果分析

在對(duì)18011 工作面底板區(qū)域范圍內(nèi)的水害進(jìn)行探查治理過(guò)程中，通過(guò)采用地面多分支定向鉆探技術(shù)配合“綠色”鉆井液技術(shù)，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(gè)一開主鉆孔、12 個(gè)二開鉆孔和順層分支鉆孔的施工，共計(jì)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(guò)程中，各孔段均未發(fā)生塌孔、卡鉆、縮孔等現(xiàn)象，該鉆探工作的順利完成，為18011 工作面煤層底板區(qū)域水害治理奠定良好的基礎(chǔ)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(jié) 論

（1） 對(duì)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(shù)配合“綠色”鉆井液技術(shù)對(duì)煤層底板進(jìn)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(guò)程中發(fā)生突水危險(xiǎn)性系數(shù)，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(shè)計(jì)施工方式，能夠?qū)⒐ぷ髅婷簩拥装迨芩ν{的區(qū)域范圍進(jìn)行全部覆蓋，同時(shí)能有效減少無(wú)效孔區(qū)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(shè)計(jì)選取“綠色”鉆井液配方并實(shí)行分段鉆井液施工，可解決鉆探施工過(guò)程中因地層條件復(fù)雜易出現(xiàn)鉆具卡阻、鉆孔塌孔、鉆探施工難度大等問(wèn)題，降低鉆探施工對(duì)周圍環(huán)境破壞影響。