基于水平取心的煤層底板注漿加固檢驗方法研究及應用

張彪，王越

（北京大地高科煤層氣工程技術研究院，北京 100040）

基于水平取心的煤層底板注漿加固檢驗方法研究及應用

張彪，王越

（北京大地高科煤層氣工程技術研究院，北京 100040）

地面多分支水平井鉆井煤層底板注漿加固技術的研發(fā)和推廣應用，有效消除了奧灰水災害性突水通道，實現(xiàn)了奧灰水害區(qū)超前帶壓開采。目前一些對加固效果的檢驗方法，雖然可在一定程度上驗證注漿改造效果，但對于加固后阻水能力的評價方面稍顯不足?；诘装遄{加固檢驗需要，研發(fā)了適用性的水平井取心工具，并進行了取心試驗，巖石力學測試結果表明，底板注漿后抗壓能力顯著提高。將本方法與已有方法相互結合，優(yōu)勢互補，可形成較為完整系統(tǒng)的煤層底板注漿加固檢驗技術體系，保障煤礦生產安全。

煤層底板注漿加固；檢驗方法；水平取心；取心工具

0 引言

隨著我國經濟快速發(fā)展和煤炭大量的使用，我國中東部煤礦區(qū)大部分礦井淺部煤炭資源枯竭，開采向深部發(fā)展，部分已超過1000 m。隨著開采深度的增大，煤層底板隔水層承受的水壓逐漸增大，開采的突水可能性逐漸增加。華北型煤田煤層與含水層關系復雜，采煤與巖溶水保護矛盾突出，隨著煤礦開采向下延伸，矛盾將進一步加劇。由于下組煤距離奧陶系灰?guī)r含水層較近，大部分華北型煤田開采下組煤將直接破壞巖溶水含水層，造成底板突水事故。

將地面多分支水平井鉆井技術應用到煤層底板注漿加固施工，極大的消除了奧灰災害性突水通道，實現(xiàn)了奧灰?guī)r溶水害區(qū)域超前治理，保證了下組煤及深部煤炭資源安全帶壓開采[1-3]。為了驗證加固效果，目前常用的方法主要有：單孔壓水試驗、井下鉆探驗證及綜合物探等方法[4]，這些方法能在一定程度上說明注漿改造的效果，而在底板阻水能力評價方面稍顯不足。煤層加固底板阻水能力評價最為直接、最有有效的方法就是通過水平井取心，對已加固底板力學強度進行分析，驗證底板阻水防突能力。

1 水平取心工具研發(fā)

水平取心工藝在油氣勘探領域已發(fā)展30余年，大慶、勝利、遼河及四川油田已研制了較為先進的水平井取心工具。

煤層底板注漿加固取心不同于石油水平井取心：注漿加固鉆井施工設備施工能力較弱，一般很難滿足石油取心施工要求；加固鉆孔施工主要針對的灰?guī)r裂隙、溶蝕發(fā)育帶，鉆井液漏失嚴重，鉆進及取心施工難度大；注漿加固鉆井主要施工對象為裂隙發(fā)育帶和注漿后的加固巖層，注漿前后巖石完整性和力學性質變化大。普通鉆頭在鉆進過程中鉆進速度較慢，且使用壽命較短。在水平段取心，受鉆桿柔韌性和鉆孔對鉆桿磨阻的影響，會造成鉆頭受壓和割心不穩(wěn)定，同時對井眼軌跡影響較大。

為滿足煤層底板水平井鉆井需要，研發(fā)了基于注漿加固施工的水平取心工具（圖1）*，該取心工具特點及主要技術參數(shù)如下。

圖1 取心工具Figure 1 Coring tools

①取心鉆頭。針對鉆取的樣品的特征選擇了高強度金剛石復合片作為切削刃，同時提高鉆進過程中的自扶穩(wěn)定性。胎體抗彎強度高于981.37 MPa，比標準要求提高48.79%～85.16%，抗沖擊韌性達到標準要求的2～3倍，提高了耐磨性、抗沖蝕性、侵劑性和硬度。同時改進了刀翼角度，增加了后排齒、保徑齒和倒劃眼齒。實現(xiàn)了鉆井穩(wěn)定，保徑面積增大，鉆井跳動大大減少，提高了鉆井速度。

②管單動裝置。該裝置是鉆取井內樣本的容納部位。取心裝置在井內水平段時由于重力作用，會躺臥在井壁底，在取心過程中有降斜趨勢，增加了取心難度，為此，在鉆頭和內管之間設計安裝了內管扶正器。該扶正器為一個多列滾珠組合型扶正器，它由主體和多個滾珠組成，主體上加工的多列水槽和滾珠槽。水槽用于通過取心器與外管之間的鉆井液，滾珠槽內鑲嵌多個滾珠用于扶正內管。

③外管扶正接頭。其外徑與鉆頭外徑一致。當取心裝置在水平井段內躺臥狀態(tài)時可防止降斜趨勢。

新型水平井取心裝置在水平井段內躺臥狀態(tài)時，其整體可防止降斜趨勢，內管扶正器支承內管，摩擦力小、轉運靈活穩(wěn)定。由于滾珠與內管之間以點接觸，即使由于鉆井液中的細粒砂子卡住滾珠，也不會影響內管的轉動，克服了滾柱式軸承扶正裝置的缺點。

2 取心及力學性能測試

對注漿孔進行取心，通過巖心巖石力學分析，測定底板抗壓能力，從而評價注漿改造效果。研究選擇峰峰集團九龍礦15445N工作面注1孔進行取心及力學性能測試。自2014年11月開始在每個分支孔注漿施工結束后一個月進行注漿效果驗證取心，對巖心分別取樣，進行抗壓強度測試，取心情況及測試結果見表1。

表1 鉆孔取心測試結果Table 1 Borehole coring tested results

底板加固后水平井取心巖石力學分析結果表明，五個分支15塊巖石抗壓強度為19.1～69.4 MPa，平均34.2 MPa。

3 注漿加固效果評價

峰峰集團九龍礦的水文地質勘查及相關研究結果表明：在底板完整情況下，底板可承受水壓為20 MPa左右，但是在構造、裂隙影響區(qū)域，底板隔水能力將消減為1/3，即其抗壓強度為7 MPa左右，多個鉆孔實際承受水壓接近甚至超過隔水層可承受壓力（表2）。

表2 鉆孔煤層底板破碎帶厚度及阻隔水能力Table 2 Borehole coal floor fracture zone thicknesses and water confining ability

4 結語

通過研發(fā)水平井取心工具，進行注漿加固鉆孔取心，進行阻水性能評價，進一步證實了多分支水平井煤層底板注漿加固技術的有效性和可靠性。此技術可以與已有技術結合，具備以下優(yōu)點：①通過注漿后壓水試驗，對加固區(qū)進行鉆井探測，驗證注漿加固效果。②通過水平井取心，對已加固底板力學強度進行分析，驗證底板阻水防突能力。③對比研究臨近礦井和注漿礦井水水質特點及涌水量變化特征，驗證導水通道封閉效果。將物探、鉆探等技術方法相互結合，優(yōu)勢互補，形成較為完成系統(tǒng)的煤層底板注漿加固檢驗技術體系，驗證加固效果，保證煤礦生產安全。

[1]趙慶彪.奧灰?guī)r溶水害區(qū)域超前治理技術研究及應用[J].煤炭學報，2014，39(1):1112-1117.

[1]趙慶彪.奧灰?guī)r溶水上帶壓開采區(qū)域超前治理防治水技術[J].煤炭科學技術，2014，42(8):1-4.

[3]趙鵬飛，趙章.地面水平分支孔注漿超前治理奧灰底板突水技術[J].煤炭科學技術，2015，43(6):122-125.

[4]李沖.深部礦井奧灰水害防治技術[J].煤礦安全，2016，47(5):101-103.

[5]王玉璽，王曉舟，張洪君，等.大慶油田水平井長段連續(xù)取心技術[J].西部探礦工程，2009，2:67-69.

[6]陳曉林.國內水平井定向取心技術及工具[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2007，9:75-77.

Study and Application of Coal Floor Grouting Reinforcement Testing Method Based on Horizontal Coring

Zhang Biao,Wang Yue
(Beijing Dadi Hightech CBM Engineering Technology and Research Institute,Beijing 100040)

Popularization and application of the surface multilateral horizontal well coal floor grouting reinforcement technology has effectively eliminated hazardous water bursting channel of Ordovician limestone water with realizing advancing compensated mining of hazardous area.Although available reinforcement effect testing methods can verify grouting reconstruction effect to a certain extent,it is slightly inadequate on the assessment of water-resisting ability after reinforcement.Based on the need of floor grouting reinforcement testing,suitable horizontal well coring tools have been researched and developed,and coring test has been carried out.Rock mechanical testing results have shown that the compressive strength obviously enhanced after floor grouting.Combining this method with existing ones complements each other's advantages,which can form relatively complete floor grouting reinforcement testing technology system and guarantee coalmine production safety.

coal floor grouting reinforcement;testing method;horizontal coring;coring tool

TD745；P634.4+.3

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.01.12

1674-1803(2017)01-0057-02

北京市科委重大科技成果轉化落地培育項目（Z141100003514016）資助

張彪（1984—），男，安徽蕭縣人，工程師，從事非常規(guī)油氣勘查、礦山地質災害評價治理等工作。

2016-08-08

責任編輯：樊小舟

*：申請并獲得國家專利（編號：ZL 2015 2 0309822.8）煤層底板注漿加固后，巖心巖石力學試驗結果表明，加固后巖石抗壓強度顯著增強，平均抗壓強度34.2 MPa，超過奧陶系含水層水頭壓力，說明注漿加固效果明顯。