礦井底板注漿改造鉆孔偏斜規律研究與對策

馬振海

（永煤公司陳四樓煤礦，河南 商丘 476600）

陳四樓煤礦目前主要水害影響因素為太原組上段灰巖承壓含水層，現采用底板注漿改造技術對灰巖含水層進行加固，注漿封堵導水裂隙，將薄層灰巖含水層改造成隔水層或弱含水層，增加有效隔水層厚度及煤層底板抗壓強度，切斷太原組上段灰巖含水層與煤層之間的水力聯系[1]。底板注漿改造工程設計期間，重點布置鉆孔對構造發育區、物探富水異常區等地點進行探查和注漿改造，后期根據鉆孔出水情況針對性進行加密布孔，從設計方案上做到了灰巖層位平面空間布置和垂向空間探查全覆蓋，但礦井南翼進行大量鉆探、注漿后，仍不同程度受到太原組上段灰巖水影響，注漿改造效果與預期存在一定差異，說明鉆孔軌跡與預計產生的偏差較大，因此需對鉆孔軌跡變化影響因素及控制方法進行研究，減小鉆孔實鉆軌跡與設計之間的偏差，確保底板注漿改造效果。

目前礦井探放水設備采用ZDY3200S 型煤礦用全液壓坑道鉆機，該鉆機具有扭矩大、鉆進效率高的特點。但從歷史鉆孔實測軌跡資料分析，鉆孔實鉆軌跡與設計存在較大偏差，局部區域實際探查效果與設計存在差異，一定程度上影響了底板注漿改造效果。目前，有關專家學者把研究重點放在鉆孔軌跡偏斜規律、軌跡糾偏及偏斜誤差的相關研究當中[2-3]，針對鉆孔軌跡變化采取的技術控制研究較少，不能有效杜絕鉆孔施工過程中產生的偏差。

結合以往研究，圍繞井下定向鉆孔軌跡變化規律、近水平定向鉆進孔斜力、煤田地質勘探鉆孔防斜工藝分析成果[4-6]，考慮井下防治水施工工藝局限性，單一的引用行業內部研究結果指導陳四樓煤礦進行鉆孔軌跡控制可行性較差。本文在井下底板注漿鉆孔實測偏斜數據的基礎上，通過對比施工中鉆具配套組合偏斜及鉆孔穿層巖性變化產生的偏斜，探索出一條切實可行的防偏斜施工技術方案。

1 注漿改造鉆孔前期測斜偏斜分析

陳四樓煤礦配套初期施工工藝選用直徑73 mm、單根長1 m圓鉆桿，開孔采用直徑140 mm鉆頭、單根長0.6 m 導正器；鉆進期間鉆頭直徑92 mm，正常鉆進期間未使用隨鉆導正器。針對施工期間鉆孔出水層位受鉆孔偏斜影響不能達到預計目的，且從補加驗證鉆孔施工情況分析，受鉆孔偏斜影響同樣不能達到驗證效果。

隨著鉆孔測斜技術的引入，礦井統一的鉆探設備、統一的施工工藝，借助鉆孔測斜分析便于鉆孔偏斜分析。對鉆孔初步測斜結果比對，在2802 工作面、21008 工作面、21011 工作面、21701 工作面、21702 工作面、21703 工作面陸續進行了鉆孔實鉆軌跡測定工作，共測定17 個鉆孔，根據選取的這17 個鉆孔測斜數據樣本為例進行分析。通過測斜結果對比，直觀發現鉆孔偏斜結果。鉆孔測斜結果見表1。

表1 分析樣本數據表

經過測斜數據分析，鉆孔從開孔至終孔段鉆孔偏斜呈現逐漸遞增趨勢，套管（孔口管）開孔末端與開孔設計傾角相比平均偏斜11.5°，終孔位置傾角與設計平均偏斜24.8°，產生偏斜規律顯著、整體偏斜量大；整體鉆孔方位無固定偏斜方向，方位角變化范圍約2.2°～34°，平均10.5°。經對比分析，鉆孔方位受地球磁偏角及施工誤差影響偏斜無規律，鉆孔傾角產生偏斜明顯、偏斜規律明顯，一定程度上不能滿足設計施工要求，施工終孔層位普遍比設計總控層位深度大，遠超過目的層位。

根據測斜結果直觀分析，結合施工現場實際施工情況，可能產生偏斜原因為以下幾種：一是開孔段偏斜。鉆孔開孔段偏斜平均達11.5°，開孔孔深平均在30 m 左右，偏斜較大，導正器效果較差，終孔孔徑為92 mm，開孔直徑較大，影響扶正效果。二是鉆進期間系統壓力較高。對施工期間巖性硬度及遇水軟化程度缺乏基礎認識，不能及時調整系統壓力，導致鉆進穿層期間因巖層巖性變化易發生偏斜。三是施工工藝需要進一步改進。在正常鉆進期間未使用導正器，鉆孔施工期間糾偏效果較差，鉆桿與鉆機之間的配置需進一步摸索和探討。

2 底板注漿改造鉆孔前期偏斜規律探討

2.1 煤層底板巖性對鉆進影響分析

陳四樓煤礦主采煤層為二2 煤層，自二2 煤層底板至太原組上段灰巖層位整體上可以分為山西組下段厚層中細粒砂巖、山西組下段黑色泥巖、太原組上段灰巖三種巖性組合，大量鉆孔資料及礦井采掘活動期間實際觀測資料證明山西組下段巖性結構較穩定。太原組上段灰巖（L11～L8）是二2 煤底板主要間接充水含水層，間夾灰黑色泥巖、砂質泥巖、粉細砂巖。

鉆孔開孔位置位于煤層直接底深灰色泥巖中，基本底為淺灰色中細砂巖，成分以石英、長石為主，平均厚度20.04 m。該段鉆孔偏斜程度較大，重要因素是由于開孔層位為深灰色泥巖，巖石硬度相對較小，開孔期間直徑140 mm 導正器質量較重，受重力作用，在鉆孔初段就已經發生了偏斜。這一點在后期鉆孔下入套管期間的難易程度就可以體現，鉆孔成孔后下入套管困難，需要反復掃孔，充分印證了該分析結果。

根據前期實測鉆孔軌跡成果資料分析，開孔段偏斜較高，偏斜段巖性整體以泥巖為主，實測的17個鉆孔軌跡中，套管傾角范圍內傾角偏斜量占比整個鉆孔傾角偏斜量約0.28～0.83，平均0.49，這說明鉆孔在開孔期間的孔斜情況對整個鉆孔的偏斜程度有很大的影響。

鉆孔施工至太原組上段灰巖層位后，巖石硬度比中細粒砂巖、黑色泥巖均大，巖石硬度發生變化后，一定程度上阻隔了前期的孔斜趨勢，鉆孔偏斜幅度大幅減小。雖然鉆孔偏斜幅度大幅減小，但鉆孔傾角較設計已經發生了較大變化，導致了鉆孔實際終孔位置垂深較設計大幅增加。部分鉆孔在不同巖性特征下鉆孔傾角變化情況如表2。

表2 不同巖性特征下鉆孔傾角變化情況 （°）/10 m

2.2 鉆進方式的影響

對比分析發現，相同條件下，同一工作面，基于同樣的底板巖性特征下使用同種鉆具組合方式，不同的人員操作，鉆孔整體的偏斜趨勢一樣，但是偏斜程度卻有較大差異，這種差異主要是由于操作人員司鉆水平及工期影響所致。鉆孔鉆進期間鉆速較高、系統壓力過大，容易產生偏斜，尤其是開孔成孔階段，淺層成孔已存在偏斜，對于整個鉆孔的偏斜影響更為明顯。受鉆具自重及鉆頭旋轉的作用，在整個鉆孔施工過程中，不調整系統壓力，穿層巖性變化導致不同巖層鉆進速度不均一，產生偏斜值更大，在不使用導正器的情況下偏斜更為嚴重。

3 鉆孔軌跡偏斜糾偏演化

經分析影響鉆孔軌跡偏斜的多重因素，受實際地質條件影響客觀因素難以避免。在實際施工過程中，從現場施工條件、鉆桿選型和施工工藝等方面采取工程手段克服鉆孔施工期間巖性變化影響。在鉆孔鉆進期間，通過鉆具的優化組合減少鉆孔偏斜，提高施工精度，從而使底板注漿改造鉆孔達到施工目的。

3.1 鉆桿配合單個導正器鉆孔實鉆軌跡分析

3.1.1 螺紋鉆桿配合單個導正器鉆孔實鉆軌跡分析

經過分析鉆孔偏斜因素，在鉆孔正常施工區間采用導正器，更換鉆桿規格，利用長度1.5 m 的Φ73 mm 螺紋鉆桿，有利于返粉，減少因巖性變化造成鉆孔偏斜的影響。該施工組合方式，在2515工作面、2803 工作面進行了試驗，以2515 工作面X5-3 孔實測軌跡為例，如圖1。

圖1 2515 下順槽X5-3 孔鉆孔軌跡側視圖

經分析，使用螺紋鉆桿配合導正器，與以往圓鉆桿施工工藝相比，鉆孔開孔及淺層段偏斜誤差較小，隨著鉆進深度的增加施工傾角逐漸向上偏斜，與預計施工效果存在一定偏差。從施工情況分析，螺紋鉆桿施工克服了鉆桿自重的影響，受鉆桿旋轉影響，越接近較硬的灰巖層位產生偏斜越大，不宜在深孔段使用。

3.1.2 圓鉆桿配合單個導正器鉆孔實鉆軌跡分析

在2515 工作面采用單個圓鉆桿配合導正器施工，并進一步縮小開孔段直徑，采用Φ133 mm 鉆頭進行開孔施工，以樣本2515 工作面S4-6 孔、X4-4 孔、X2-8 孔為例，實測鉆孔軌跡如表3 所示。

表3 X2-8、S4-6、X4-4 孔實測鉆孔軌跡成果表

經測斜分析，通過這種鉆具組合方式，套管內鉆孔傾角偏斜程度較以往大幅減小，變量值減小7.8°，終孔傾角變量值減小3.6°，終孔深度與設計之間差值減小6.8 m，鉆孔偏斜有一定改善，但效果仍不能達到預期施工目的。

3.2 優化鉆具組合復合施工工藝

結合螺紋鉆孔、圓鉆桿施工期間偏斜規律，考慮孔徑影響、巖石硬度等多方面因素，探索采用復合配置方式：

開孔鉆具組合：一級孔口管開孔Φ73 mm 鉆桿+Φ133 mm 導正器+Φ133 mm 鉆頭，二級孔口管開孔Φ73 mm 鉆桿+2 節Φ113 mm 導正器+Φ113 mm 鉆頭。

鉆進鉆具組合：Φ73 mm 鉆桿+Φ89 mm 導正器+Φ89 mm 鉆頭。

過孔口管至揭露含水層前施工段：使用螺紋鉆桿配合導正器，其余施工段采用圓鉆桿施工。

在優化鉆具組合的基礎上，施工期間合理控制鉆機操作期間的系統壓力，保持勻速度鉆進，消除巖性變化產生的偏斜影響，可進一步提高施工精度。

采用復合鉆組合方式，充分利用了螺紋鉆桿施工向上偏斜的特點、導正器糾偏作用，鉆孔防偏斜保直鉆進有了很大提高。以2804 工作面S11-2 孔、X8-4 孔、X5-6 孔、X3-1 孔、X1-2 孔、X1-7 孔、X9-1 孔施工期間測斜軌跡為例，鉆孔偏斜得到明顯的控制，見表4。樣本X8-4 孔、X5-6 孔鉆孔實測軌跡側視圖見圖2。

圖2 X84 孔、X5-6 孔實測軌跡側視圖

表4 2804 工作面樣本鉆孔實測鉆孔軌跡成果表

經分析對比表1，通過鉆具優化組合，套管內鉆孔傾角偏斜程度較以往大幅減小，變量值平均1.85°，終孔傾角變量值平均4.25°，終孔深度與設計之間差值平均5.04 m，提高了施工精度，保證了底板注漿改造效果。

4 結論

1）通過分析礦井底板注漿鉆孔偏斜影響因素和鉆孔偏斜特點，進行鉆孔鉆具組合優化、合理控制鉆機系統壓力，有效克服了巖性變化、施工條件的影響，提高了鉆孔施工精度。

2）在將來的底板注漿改造工程施工期間，應持續引進定向技術和地面區域治理，減少施工誤差，進一步提高底板注漿改造效果。

3）施工期間供水條件、施工傾角、鉆機操作人員業務素質對施工鉆孔存在一定影響，應采取相應的改進措施，可進一步提高施工精度。