定向注漿防治水技術研究及應用分析

＊趙雅麗

（晉能控股煤業集團同忻煤礦山西有限公司 山西 037000）

山西某煤礦是一個南北向的單斜結構，受東西向的擠壓壓力，使其產生了疊加的推覆結構，其中包括24個煤層，其中一半為可開采煤層。11、9、6、3煤層是主要開采地煤層。礦區內存在較多的斷層，數量為44條，且正斷層的數量高于逆斷層，斷層的落差主要在20～500m之間。礦區曾出現過多起陷落柱事件，2020年更是出現過一起因底板聯巷與陷落柱相鄰而引發的突水事故。針對礦井防治水的需要，以保障礦井的安全生產為目標，針對煤礦區石炭紀灰巖含水層，進行定向灌漿技術的研究。這對于提高礦井防滅水工作效果具有十分重要的實際意義。

1.定向注漿防治水技術

（1）定向鉆探控制。針對這一問題，本文提出了一種以定向鉆井為基礎的鉆探新技術，也就是“定向鉆孔”。根據工程技術特點，將其分為鉆井設備、定向設備和灌漿設備。定向注漿防治水技術主要由定向鉆探控制技術和定向注漿技術兩部分組成，在進行定向注漿前，首先需要進行定向鉆探施工[1]。根據施工技術，其主要設備如表1所示。

表1 定向注漿防治水技術設備一覽表

設計主鉆孔一個，其鉆孔井身分為直孔段、1#造斜段和2#造斜段。在施工過程中，采用二開式的鉆孔結構，并在鉆孔內施工兩層套管。在0～390m為直孔段，在0～298m范圍內鉆孔直徑Φ350mm，在298～390m范圍內鉆孔直徑Φ311mm，然后分別放入Φ273mm、Φ245mm的套管。1#造斜段在390～916m區間，鉆孔Φ216mm，套管直徑177.8mm。2#造斜段在390～947m區間，鉆孔Φ216mm，套管直徑177.8mm。橫向分支20個，鉆孔Φ152mm，鉆孔位置見圖1。本項目擬采用隨鉆錄井、鉆時錄井和鉆井液錄井，以確保鉆進軌跡符合設計要求，基于MWD的隨鉆錄井技術的實時監控，確保鉆進軌跡偏差在1.5m以內。

（2）鉆孔軌跡。鉆具在鉆進過程中需要實時監控鉆井軌跡避免偏離。一旦發生偏離則會導致施工誤差，所以在對現場工程實際進行深入分析的基礎上，采用無線隨鉆觀測系統對井眼的頂角、傾角進行實時監控，并根據監測的結果對定向裝置的參數進行技術修正，確保井眼軌跡與設計圖相一致。特別要指出的是，在下井時，應事先標定好儀表，校正井口孔口零線，鉆井過程中，每隔15m測量一次數據點。在確定井眼軌跡的過程中，要及時停鉆，保證鉆井液的正常流通。當井眼軌跡與原計劃軌道偏差超過2.5m時，需要對井眼參數進行工藝調整。

（3）錄井。錄井主要有巖屑錄井，隨鉆γ錄井，鉆時錄井和鉆井液錄井。在巖屑錄井過程中，根據鉆屑巖的性質，選用紅砂巖進行鉆鋌試驗，對起始泵和紅鉆的鉆井時間進行記錄，并以此差值作為一個周期，由此求出了從井底到井口所需的時間。將紅磚從放入井眼到達到井眼底部所需的時間計算如公式（1）所示：

其中：t0為紅鉆自下井孔口到下井底所用的時間，s；V1和V2為鉆桿和鉆鋌的內容積，m3；Q為鉆井液排除速度，m3/min；d1和d2為鉆桿和鉆鋌的內徑，m；L1和L2為鉆桿和鉆鋌的長度，m。

隨鉆伽馬測井是利用伽馬探管，利用隨鉆測量系統，以5min/次的鉆井液脈沖形式，實時監測鉆井過程中的伽馬值，并將監測結果實時發送到井上裝置。基于隨鉆γ錄井數據，實現了鉆具的動態調節。在鉆時測井過程中，要按鉆進次數，每隔1m記錄一次，直到鉆完為止。由于采用了定向鉆進模式，其水平鉆進軌跡較長，而且鉆下的巖屑不能被帶出，因此，需要對鉆井液進行優選，除具有較好的潤滑性外，還應具有較好的攜沙能力，而且不應使井眼出現裂隙堵塞的現象，避免后續灌漿過程中不能進行有效的灌漿，因此，選擇了無固相鉆井液體系。

（4）鉆井液。選用適當的鉆井液可以減少鉆具對地層的摩擦，降低鉆頭的溫升，保持井眼的完整性，減少井壁的巖石剝落，是確保鉆井施工的一個重要環節。鉆井液的選用應依據所處地層的巖性來確定，不但要具備良好的潤滑性，還要具備良好的攜帶巖粉能力。根據已有的地質數據，在370～400m的地層中，地層以黃土－黏土－粉砂巖為主，并有部分細砂巖。二開段地層以砂質層、鋁質泥巖為主，其整體厚度在110m左右。

（5）泥漿配置。在鉆孔灌漿過程中，漿液配制的質量是另外一個關鍵因素。因此，選擇合適的鉆井液配方，不但可以確保鉆孔灌漿的質量，而且可以對工程的順利進行起到很大的作用。一開鉆井的泥漿以粗巖石、碎礫石及黏土為主，其主要功能是在灌漿后對井眼構造進行防護，避免坍塌滲漏，其目的是依據井眼的地層巖性，對井眼進行注漿，用降水劑及稀釋劑對鉆井液進行調整。二開鉆井時，泥漿主要的作用對象是粉砂巖和煤層地層，主要防止坍塌，所以在配制鉆井液時，應在鉆井液中添加混凝劑，以提高鉆井液上返性能，實現鉆井的安全性。

（6）注漿治水工藝。通過對鉆孔施工過程中的簡單水文地質條件及漿液配比的需求進行研究，為合理選擇灌漿技術參數奠定基礎。在第一分支方向的水平井段，每隔500m開展一次高水壓測試，其余支管均在中間做一次，但必須在每一分支口結束時完成一次高壓水壓測試。在測試之前，要先用清水對泥漿進行一個45min的循環稀釋，在將其稀釋后的漿液的黏性提高到17～20s后，就可以進行測試，以此來測定其透水性和滲透系數等參數。根據實驗數據來決定注漿液的配比參數、注漿量和注漿進度等。在該過程中，當壓水壓力升至1.4～1.6倍靜水壓力并且在穩定狀態下保持30min后，高壓壓水試驗結束。在對本礦區灌漿層進行注漿滲透測試的基礎上，確定了以55m作為水平鉆孔的間距。灌漿材料選用32.5R的硅酸鹽水泥與pH值為4.5以上水的混合物，其漿液密度為1.3。在此基礎上，結合現場高程和治理范圍內的奧陶系地層最大靜水壓等因素，確保灌漿后出水壓力達到最大靜水壓的1.4～1.6倍。灌漿流程見圖2。

圖2 注漿工藝流程圖

灌漿采用的基本原則是每完成一孔則立即進行灌漿，當出現漏孔時立即補漿，以全孔段灌漿來實現灌漿，其全過程根據灌漿壓力劃分為三個階段：常壓注漿、加壓注漿和高壓注漿。灌漿啟動時，灌漿壓力略高于靜水壓，不僅能確保灌漿效果，而且能減少施工過程中的能源消耗，漿液通過其自身的重力作用將裂縫內的壓力水擠走，從而實現灌漿漿液置換裂縫內的承壓水。在注漿施工過程中，注漿不僅要替代裂縫內的承壓水，而且要堵塞注漿層內的小裂縫。隨著灌漿壓力的增加，漿液會在裂縫中擴散，灌漿過程中出現了“點—線—網—面”的結構。灌漿結束時，應將灌漿壓力提高至1.4～1.6倍于注漿層最大靜水壓，使初期注漿效果趨于穩定，45min后結束灌漿。待全鉆孔無滲漏后，鉆孔結束再做水壓測試，測試完畢后，及時決定灌漿料配比，實施灌漿工作。在滲漏量超過5m3/h，在滲漏區域10m以后的位置進行高壓灌漿，達到灌漿的要求，并通過檢查，才能進行下一個分支孔施工。在鉆孔結束后，將清水注入鉆孔，當鉆孔中沒有顯著的卸壓現象時，維持2h即可結束灌漿。注漿壓力穩定在16.8MPa，通過水壓試驗，其滲透系數僅為0.0030Lu，比規范中的0.01Lu要小很多，說明單孔灌漿已經結束。

2.防治水效果

從鉆進時的巖屑錄井數據，注漿量的變化及隨鉆伽馬的異常值等數據分析，發現了2條順層井S2-1和S2-3中存在2處鉆井液漏失現象，且局部存在明顯的微裂縫。

（1）水平分支鉆孔間距評價。在分叉鉆井中，根據巖屑錄井所見到的水泥點到已經注漿分支的最短距離，利用巖屑錄井數據，確定了高壓水泥漿的擴散半徑。經現場實測，注漿擴散半徑最大可達31.6m，且在55m以內可實現橫向全覆蓋，說明了孔間距的設計是合理、有效的。

（2）地下水位動態分析。在S2-2井的西翼布置了一個觀測井，觀測了地下微破裂含水層的水位。施工過程中，地下水位由-107m快速升高到-49m，顯示了工程前期已有微破裂通道，這一點與地質評估數據一致。自2022年9月灌漿結束以來，地下水位基本保持在較高水平，說明灌漿對含水巖層裂縫的封閉作用顯著，水位不能通過裂縫下降。

（3）井下探查對治理效果驗證評價。針對探查區域存在的順層鉆孔漏失點，在開挖前進行了專項鉆井和高壓水壓試驗的探勘和驗證。在開挖期間，3個底板灰巖校驗井都沒有發現漏水，進行的3次壓水測試孔壓力分別為16.4MPa、16.1MPa和16.2MPa，都超過了16MPa，吸水性幾乎為0，沒有一次失壓。這表明，經過地表高壓灌漿處理的漏失區，其內部的微裂縫得到有效的加固，探測處理效果可靠。

3.結語

根據山西某煤礦現采6煤層的垂直隱蔽結構引起的突水危險，開展了定向灌漿技術的研究，并對該區石炭紀灰巖含水層進行了治理，得出如下結論：

（1）通過對多支定向水平井的成井工藝進行研究，并確定布置方案，采用MWD無線隨鉆技術及定向井眼控制系統，確保鉆探軌跡符合設計要求。在此過程中，開展了巖屑錄井、隨鉆γ錄井、鉆時錄井和鉆井液錄井，對注漿施工效果進行了評估。在常壓、增壓、高壓3種情況下，全孔段注漿的注漿壓力穩定在16.8MPa。

（2）根據鉆柱儀測得的泥漿最大擴散半徑是48.6m，未超出55m的橫向間距，而從監控的水位來看，當灌漿結束后，其水位始終保持在較高的位置，這說明采用定向注漿防水害的方法，可以有效地減少被開采區內的煤層向隱蔽結構引起的突水的危險，確保采煤機的安全、高效。