高 敏

（晉能控股集團挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 朔州 038300）

1 概況

虎龍溝煤業(yè)位于山西朔州，礦區(qū)地層為南北走向單斜構(gòu)造，受到東西向壓應(yīng)力作用，形成上疊式推覆構(gòu)造，共含煤層24 層，可采煤層12 層，主采煤層為11 號、9 號、6 號和3 號煤層。礦井主要以斷裂構(gòu)造為主，共有44 條斷層，其中正斷層數(shù)量多于逆斷層，且斷層落差從20～500 m 不等。井田內(nèi)含奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層，經(jīng)過地質(zhì)資料顯示，正常情況下該含水層不會威脅到目前開采的6號煤層綜采作業(yè)，但存在垂向隱伏構(gòu)造導致突水風險，因此判定該含水層為防水治水主要目標?；垳厦簶I(yè)礦井多次揭露過陷落柱，2019 年還發(fā)生過一次底板聯(lián)巷接近陷落柱而導致的突水淹井事故?；诿旱V防水治水要求，為保證煤礦安全開采，以煤礦石炭系灰?guī)r含水層為治理對象，開展定向注漿治理技術(shù)研究，對提升煤礦防水治水成效有極大現(xiàn)實意義。

2 定向注漿防治水技術(shù)

2.1 定向鉆探控制

定向注漿防治水技術(shù)主要包括定向鉆探控制技術(shù)和定向注漿技術(shù)兩部分，定向注漿前需要先進行定向鉆探施工。作業(yè)設(shè)備儀器按照施工工藝可以分為鉆探設(shè)備、定向設(shè)備和注漿設(shè)備，主要設(shè)備選型見表1[1-2]。

設(shè)計主鉆孔一個，鉆孔井身分為直孔段、1#造斜段和2#造斜段，施工鉆孔結(jié)構(gòu)采用二開式，鉆孔內(nèi)施工兩層套管。直孔段位于0～390 m，其中0～298 m 鉆孔為Φ350 mm，298～390 m 段鉆孔Φ311 mm，后在鉆孔中套入Φ273 mm 和Φ245 mm 的石油套管；1#造斜段深度390～916 m，鉆孔Φ216 mm，套入Φ177.8 m 石油套管；2#造斜段深度390～947 m，鉆孔Φ216 mm，套入Φ177.8 m 石油套管；水平分支鉆孔二十個，鉆孔Φ152 mm，裸孔，鉆孔布置如圖1。為保證探孔軌跡與方案相符，利用MWD 無線隨鉆測井系統(tǒng)實時監(jiān)測，允許軌跡過程誤差不大于1.5 m，分別進行巖屑錄井、隨鉆γ錄井、鉆時錄井、鉆井液錄井工作。

圖1 礦區(qū)定向鉆探鉆孔分布平面示意圖

2.2 鉆孔軌跡

為了防止鉆機在鉆孔過程中出現(xiàn)軌跡偏差，導致未按照設(shè)計方案定向成孔，需要對鉆孔軌跡進行實時監(jiān)測?？紤]到施工工況，選擇無線隨鉆測量系統(tǒng)對鉆孔頂角和方位角監(jiān)測，隨監(jiān)測軌跡結(jié)果技術(shù)調(diào)整定向設(shè)備參數(shù)，保證鉆孔軌跡符合設(shè)計方案。值得注意的是，在向定向孔中放入設(shè)備時，要提前校準儀器，并在井口校對孔口零線，鉆進過程每15 m 測定一個軌跡數(shù)據(jù)點。在測定軌跡時必須要停止鉆孔裝置，并保持鉆井液正常循環(huán)。如果出現(xiàn)鉆孔軌跡偏離設(shè)定方案軌跡2.5 m 以上，需技術(shù)調(diào)整鉆孔參數(shù)。

2.3 錄井

錄井包括巖屑錄井、隨鉆γ錄井、鉆時錄井以及鉆井液錄井幾個方面。其中，巖屑錄井采用實物測定法，結(jié)合鉆井巖屑巖性，選擇紅磚投入到鉆桿內(nèi)，記錄啟動泵時刻與紅鉆鉆出時刻，時間差則為循環(huán)周期，然后計算確定從井底到井口的時間。紅磚從投入鉆孔內(nèi)至到達井底的時間計算公式為：

其中：t0為紅鉆從投入鉆孔內(nèi)至到達井底的時間，s；V1和V2為鉆桿和鉆鋌的內(nèi)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(nèi)徑，m；L1和L2為鉆桿和鉆鋌的長度，m。以下為記錄的過程數(shù)據(jù)：鉆桿內(nèi)徑為97.2 mm，長度為114 m，鉆鋌內(nèi)徑為161.9 mm，長度為9.15 m，鉆井液排除速度為8 m3/min，因此紅鉆從投入鉆孔內(nèi)至到達井底的時間約為7.7 s。

從井底到井口的時間是記錄的循環(huán)周期與紅磚到達井底時間的差值；隨鉆γ錄井則是利用無線隨鉆測量系統(tǒng)的伽瑪探管實時監(jiān)測鉆井中的伽瑪值，每5 min 通過鉆井液脈沖發(fā)射一個數(shù)據(jù)，井上設(shè)備進行接收。根據(jù)隨鉆γ錄井結(jié)果動態(tài)調(diào)整鉆桿軌跡；鉆時錄井結(jié)合鉆進進尺情況，原則上1 m 一個記錄點，至完井；由于采用的是定向鉆孔方案中水平鉆孔路徑較長，鉆下的巖粉不容易被帶出，因此在選擇鉆井液時，不僅要求其潤滑性好，還需其具有較強的巖粉攜帶性能，同時不會將鉆孔的裂隙封堵，導致后續(xù)注漿工序無法有效注漿，基于此選用無固相鉆井液體系。

2.4 鉆井液

使用合適鉆井液能夠降低鉆孔設(shè)備與巖層摩擦作用，降低鉆頭溫度，并維持鉆孔結(jié)構(gòu)完整，降低鉆孔孔壁巖層脫落風險，是保證鉆孔進度的關(guān)鍵因素[3-5]。鉆井液的選擇要根據(jù)鉆孔位置巖性決定，不僅要求其潤滑性好，還需其具有較強的巖粉攜帶性能。地質(zhì)資料顯示，鉆孔一開段巖性主要為黃土、黏土、粉砂巖，局部細砂巖，深度為370～400 m；二開段巖性主要為砂質(zhì)泥巖和鋁質(zhì)泥巖，總體厚度約為110 m。鉆井液具體參數(shù)見表2。

表2 鉆井液參數(shù)匯總表

2.5 泥漿配置

泥漿配置質(zhì)量是鉆探注漿工藝的另一核心要素。正確合理的泥漿配置不僅能夠保證鉆探注漿效果，還是施工效率的直接影響因素。結(jié)合地質(zhì)特點，一開鉆進泥漿主要由粗巖、碎砂礫和黏土構(gòu)成，主要作用是注漿后保護鉆孔結(jié)構(gòu)，防止塌陷和泄漏，根據(jù)鉆孔深度地質(zhì)巖性，以降失水劑和稀釋劑調(diào)節(jié)泥漿水性；二開鉆進泥漿主要對粉砂巖和煤層地層進行注漿，主要以防塌為主，因此泥漿配置要加入絮凝劑提升巖屑上返能力，達到安全鉆進的目的。

2.6 注漿治水工藝

通過定向鉆探施工，對鉆井簡易水文和泥漿配置要求進行分析，為注漿工藝參數(shù)的確定提供了依據(jù)。第一分支定向水平段施工時，每500 m 要進行一次高壓壓水試驗，其他分支則在中段進行一次高壓壓水試驗，但每個分支終孔時一定要進行一次高壓壓水試驗[6-9]。試驗前要使用清水以45 min 為循環(huán)周期循環(huán)稀釋鉆井液，當稀釋漿液黏度達到17～20 s 立即開始試驗，以確定透水率及滲透系數(shù)等參數(shù)，按照試驗數(shù)據(jù)確定注漿液配比參數(shù)、注漿量以及注漿計劃等[10-12]，待壓水壓力達到最大靜水壓力的1.4～1.6 倍，且穩(wěn)壓穩(wěn)流30 min 時高壓壓水試驗結(jié)束。根據(jù)虎龍溝煤業(yè)注漿層位的漿液擴散試驗測定結(jié)果，選擇注漿水平分支鉆孔間距為55 m；注漿材料為32.5R 硅酸鹽水泥和pH 不小于4.5 的自來水混合物，漿液比重為1.3；注漿壓力根據(jù)區(qū)域標高及治理區(qū)域奧灰含水層最大靜水壓力等參數(shù)確定[13-15]，保證漿液加壓后出口壓力為最大靜水壓力的1.4～1.6 倍。注漿工藝流程如圖2。

圖2 注漿工藝流程圖

注漿采取“完成一孔，注漿一孔，隨漏隨注”的原則施工，采用全孔段注漿方式完成注漿，整個過程按照注漿壓力分為三個階段：常壓注漿、加壓注漿和高壓注漿。開始注漿時，注漿壓力只需比靜水壓力稍大即可，既可以保證注漿效果，還能降低作業(yè)能耗，漿液可以利用自身重力將裂隙中的承壓水排出，達到注漿漿液替換裂隙中承壓水的效果。隨著注漿作業(yè)的實施，漿液不僅僅只用來替換裂隙中承壓水，還要將注漿層小裂隙通道進行封堵。注漿壓力增大后，漿液在橫向和縱向擴散，形成點-線-網(wǎng)-面結(jié)構(gòu)[16-17]。在注漿施工后期，漿液壓力要增加到注漿層最大靜水壓力的1.4～1.6 倍，以達到穩(wěn)定前期注漿效果，壓力穩(wěn)定45 min 后完成注漿。當整個孔未出現(xiàn)漏失時，在鉆進結(jié)束進行一次壓水試驗，試驗結(jié)束后立即確定注漿材料配比，進行注漿工作。當鉆孔漏失量大于5 m3/h，過漏失段10 m 后起鉆開展高壓注漿工作，滿足注漿結(jié)束標準且通過驗收后開始鉆進下個分支孔。單孔注漿完成后，要向孔內(nèi)壓清水，孔內(nèi)無明顯卸壓時，保持壓力2 h左右完成注漿。圖3 為S2-1 定向分支順層高壓注漿階段注漿流量和注漿壓力與時間關(guān)系，注漿壓力穩(wěn)定在16.8 MPa，隨后進行了壓水驗證，測得透水率為0.003 0 Lu，遠遠小于標準0.01 Lu，表明單孔注漿完成。

圖3 S2-1 鉆孔高壓注漿階段注漿量及注漿壓力隨時間變化曲線圖

3 防治水效果

根據(jù)距離整個定向鉆孔與注漿過程，分別對定向鉆探施工質(zhì)量和注漿施工質(zhì)量進行評價，其中定向鉆探施工質(zhì)量的評價指標主要有鉆孔的布局、鉆孔方向與深度等軌跡內(nèi)容、錄井內(nèi)容、鉆井液質(zhì)量、鉆孔軌跡調(diào)整參數(shù)范圍、下管固井質(zhì)量和高壓壓水試驗參數(shù)以及高壓注漿工藝參數(shù)等。評價結(jié)果顯示，以上重要指標均符合方案設(shè)計要求。注漿施工質(zhì)量評價指標主要有高壓壓水試驗的壓力、流量、時間、透水率、滲透系數(shù)、壓水結(jié)束標準等相關(guān)指標，高壓注漿的注漿層位、注漿間距、注漿材料、漿液性能、注漿壓力、泵量、注漿結(jié)束標準、注漿方式、注漿量等指標。評價結(jié)果顯示，高壓壓水試驗和高壓注漿工藝參數(shù)均符合方案設(shè)計要求。

根據(jù)鉆探過程中巖屑錄井、注漿量變化和隨鉆γ異常點等數(shù)據(jù)顯示，S2-1、S2-3 兩個定向分支順層鉆孔有兩處鉆井液漏失，局部微裂隙較發(fā)育。

3.1 水平分支鉆孔間距評價

施工時采用分支跳打、跳注方式，在分支鉆探時，通過巖屑錄井數(shù)據(jù)，以巖屑錄井見水泥點至已注漿的分支最小距離作為高壓水泥漿的擴散半徑。根據(jù)施工中實際觀測，漿液的擴散半徑最大為31.6 m，水平分支鉆孔間距55 m 內(nèi)可以實現(xiàn)交叉全覆蓋，表明鉆孔間距設(shè)計合理有效。

3.2 地下水位動態(tài)分析

在S2-2 鉆孔西翼設(shè)置水位觀察孔，用來觀察微裂隙含水層水位變化。根據(jù)監(jiān)測水位數(shù)據(jù)繪制曲線圖4，可以看出施工期間水位迅速從-107 m 上升至-49 m，表明施工前存在微裂隙通道，這與地質(zhì)評價資料結(jié)果相同。在2021 年9 月完成注漿后，水位一直維持在高位，表明注漿施工對含水層裂隙的封堵效果明顯，水位無法通過裂隙回落。

3.3 井下探查對治理效果驗證評價

針對探查治理范圍內(nèi)的分支順層鉆孔漏失處，井下掘進前開展了專門的鉆探及高壓壓水試驗探查、驗證工作。在掘進過程中，三個底板灰?guī)r驗證鉆孔也未發(fā)生出水現(xiàn)象，開展的三次壓水試驗孔口壓力分別為16.4 MPa、16.1 MPa 以及16.2 MPa，均達到16 MPa 以上，吸水率基本為0，均未出現(xiàn)失壓現(xiàn)象。說明漏失段經(jīng)地面高壓注漿加固后微裂隙得到有效加固，探查治理成果可靠。

4 結(jié)語

針對虎龍溝煤業(yè)當前開采6 號煤層存在垂向隱伏構(gòu)造導致突水風險問題，進行定向注漿技術(shù)研究，治理礦區(qū)石炭系灰?guī)r含水層，研究形成以下結(jié)論：

1）研究定向多分支水平井成井技術(shù)，設(shè)計鉆孔布置方案，在鉆孔施工中，運用MWD 無線隨鉆技術(shù)和定向鉆孔控制系統(tǒng)保證探孔軌跡與方案相符，期間進行巖屑錄井、隨鉆γ錄井、鉆時錄井、鉆井液錄井，進行注漿施工評價；采用全孔段注漿方式進行常壓、加壓和高壓注漿，注漿壓力穩(wěn)定在16.8 MPa。

2）通過巖屑錄井顯示漿液擴散半徑最大為48.6 m，沒有超過水平分支鉆孔間距55 m，監(jiān)測水位顯示，在完成注漿后水位一直維持在高位，表明定向注漿防治水技術(shù)的運用能夠?qū)⒐ぷ髅婷簩酉螂[伏構(gòu)造導致的突水風險降低，保證綜采安全高效。