程甄(安徽省煤田地質(zhì)局第三勘探隊，安徽 宿州 234100)

0 引言

煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中仍然占據(jù)主要地位，煤炭的開采需求一直居高不下，煤炭的開采深度也在不斷增加，而灰?guī)r水害對礦井的危害也日益增長。根據(jù)淮南潘二煤礦的生產(chǎn)接替規(guī)劃，需要解放部分A 組煤資源儲量來保障礦井生產(chǎn)需要。隨著A 組煤的開采，煤層底板的隔水層厚度也在不斷減小，加之開采時對地層的擾動破壞，極易發(fā)生突水事故，嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)。為保障工作面的安全開采，需要對采區(qū)底板進行探查治理?，F(xiàn)階段針對灰?guī)r水害采用多分支水平井注漿技術(shù)對采區(qū)底板進行改造成為了灰?guī)r水害治理的重要手段之一[1-2]。

1 地質(zhì)概況

淮南潘二煤礦位于安徽省淮南市潘集區(qū)境內(nèi)，本次探查治理區(qū)位于西四采區(qū)陶王背斜南翼，地層整體走向西北60～70°，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造相對復(fù)雜，斷層發(fā)育，受斷層影響其附近煤層其結(jié)構(gòu)與厚度也存在異常變化。根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)勘探資料以及巷道的實際數(shù)據(jù)進行綜合分析，D5 孔組治理區(qū)域內(nèi)存在長度超過1 000 m 斷層共七條，分別為F252、XF206、DF59、F521、DF116、DF115、Fh。

治理區(qū)域A 組煤的直接充水含水層主要為3煤頂板煤系砂巖裂隙含水層組和1 煤底板灰?guī)r巖溶裂隙含水層組。1 煤底板至C31層灰?guī)r頂板厚度為11.80～22.62 m，正常情況下，太灰與A 組煤不存在水力聯(lián)系，而與奧灰存在一定的水力聯(lián)系。在對A 組煤進行采掘的過程中會導(dǎo)致巖層之間的水動力平衡被破壞，使太灰水直接從1 煤底板進入巷道。根據(jù)“5.25”突水事故證明，在非正常條件下，底板灰?guī)r存在隱伏垂向?qū)畼?gòu)造，一旦破壞和影響到隱伏垂向?qū)畼?gòu)造，奧灰的巖溶含水層將會成為礦井直接充水的主要水源[3]。

2 地面區(qū)域治理方案

為完成井下安全開采的目的，需要對灰?guī)r水害進行超前治理，以往使用的底板注漿改造技術(shù)局限性較大，需要采、探、治相結(jié)合，會造成施工周期的延長，治理深度和面積都難以滿足持續(xù)采煤的需求，受井下環(huán)境影響，不僅施工難度大，還具有一定的風(fēng)險性[4]。本次治理采用多分支水平井注漿技術(shù)，就很好的避免了以上問題。根據(jù)治理區(qū)域的水文地質(zhì)情況選擇合適的施工層位，從地面施工一個水平孔作為主孔，再從主孔施工分支孔輻射至整個治理區(qū)域，對治理區(qū)域水平方向進行全面探查，揭露可能存在的導(dǎo)水構(gòu)造并通過注漿來進行改造，使A 組煤達(dá)到安全的開采環(huán)境。

2.1 施工目的層

目的層的選取是地面區(qū)域治理的關(guān)鍵，既決定了地面區(qū)域治理的效果，又關(guān)乎地面區(qū)域治理進度及成本。根據(jù)以往施工總結(jié)經(jīng)驗，淮南地區(qū)影響地面區(qū)域治理目的層位選擇的決定性因素是突水系數(shù)要求，是確保煤礦井下安全開采的必要條件。其他因素如：含水層水力聯(lián)系和水動力條件影響地面區(qū)域治理進度；導(dǎo)水構(gòu)造關(guān)系地面區(qū)域治理成本與效果；灰?guī)r間距影響注漿后的隔水性能，這些因素對地面區(qū)域治理的施工和治理效果也起到重要作用。

淮南潘二礦地面治理區(qū)域的水文地質(zhì)條件，綜合考慮突水系數(shù)要求、水動力條件、含水層水力聯(lián)系、導(dǎo)水結(jié)構(gòu)、灰?guī)r間距等(表1)影響因素分析，選擇C39作為地面區(qū)域治理較為合適。

表1 目的層選擇簡表

2.2 鉆探施工

兩淮煤田水害防治多分支水平孔一般采用三開式井身結(jié)構(gòu)：

(1)一開段，0～340.00 m，孔徑φ350 mm，至基巖面以下30 m 左右的穩(wěn)定地層(孔深以實際揭露為準(zhǔn))，下入φ273×8.89 mm J55 石油套管，不低于P.O42.5型水泥固井，隔離第四系、表土地層。

(2)二開段，340.00～860.02 m，孔徑φ244.5 mm，鉆進至目標(biāo)層(1 煤底板80 m 深度或太原組C39 灰?guī)r)，接近順層，下入φ193.7×8.33 mm N80 石油套管；不低于P.O42.5 型水泥固井。

(3)三開順層裸孔段，孔徑φ152.4 mm，沿1 煤底板80 m 深度跟深鉆進或沿太原組C39 順層鉆進至設(shè)計終孔深度。

在完成主孔的鉆探與注漿施工后，在主孔合適位置處進行側(cè)鉆施工，將多分支水平井孔組以羽狀分布對治理區(qū)域進行全面覆蓋，最大程度揭露治理區(qū)域的導(dǎo)水構(gòu)造。根據(jù)《安徽省煤礦防治水和水資源化利用管理辦法》規(guī)定“地面順層定向鉆孔間距根據(jù)注漿擴散半徑合理確定，未考察注漿擴散半徑的孔間距不大于60 米”[5]。在保證鉆孔偏差不大于2 m 的前提下，鉆孔間距定為55 m。

2.3 注漿施工

通過鉆探對目的層進行探查，揭露目的層存在的導(dǎo)水通道和儲水空間，再通過注漿對揭露的導(dǎo)水通道和儲水空間進行封堵填充，從而將1 煤與灰?guī)r之間的垂向?qū)ǖ肋M行填充加固，避免A 組煤開采過程中灰?guī)r水涌入巷道，保障礦井的安全生產(chǎn)[6]。

注漿材料主要為水泥，采用M32.5 水泥。漿液比重和配比：漿液比重1.20～1.60 g/cm3。漿液以1.20 g/cm3起注，起注2～4 h 后調(diào)整漿液比重至1.29 g/cm3，正常注漿以漿液比重1.29 g/cm3結(jié)束。如果出現(xiàn)漏失量較大的孔段，可以適當(dāng)增加泥漿比重，要求泥漿比重最大不能超過 1.60 g/cm3。正常情況下，注漿終壓應(yīng)不小于鉆孔水平段所在位置奧灰含水層靜水壓力的1.5 倍，維持30 min，排量不大于60 L/min，吸水率不大于0.01 L/(min·m·m)；當(dāng)鉆進過程中發(fā)生沖洗液漏失大于3 m3/h 時，需要起鉆進行注漿加固后，再向前鉆進。

3 施工難點

由于淮南潘二煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育，煤層受斷層切割破壞嚴(yán)重，同時地面水平孔現(xiàn)場布置受地面建筑等因素的限制，導(dǎo)致地面水平孔施工過程中存在非常多的技術(shù)難點。為解決施工過程中存在的問題，從多方面出發(fā)研究分析問題產(chǎn)生的原因從而提出更好的解決方法。

3.1 鉆進難度大

施工水平段最長為1 350 m，隨著鉆進孔深的段增加，鉆具水平段與孔內(nèi)接觸面積也成比例增加，使得鉆進過程中受到的摩阻和扭矩不斷增高，導(dǎo)致鉆壓全部作用在鉆具上，未能傳遞到鉆頭處。并且由于施工地理位置影響，導(dǎo)致部分分支孔需要逆地層走勢鉆進。隨著鉆壓和扭矩的不斷增加，扭矩和壓力無法釋放，會嚴(yán)重?fù)p傷鉆具，甚至破壞孔壁造成埋鉆和憋泵。

3.2 順層難度大

綜合考慮突水系數(shù)要求、水動力條件、含水層水力聯(lián)系、導(dǎo)水結(jié)構(gòu)、灰?guī)r間距等因素將治理層位選擇為C39灰?guī)r，C39平均厚度1.69 m，治理區(qū)域內(nèi)褶皺及斷層構(gòu)造較多，順層難度很大。C39頂板巖性以多為砂泥巖互層，C39底板板巖性以砂質(zhì)泥巖為主，夾薄煤層，這種層位的鉆孔孔壁不穩(wěn)定，易埋鉆卡鉆。

3.3 易形成巖屑床

鉆具在水平段受重力作用下靠近下井壁，使的鉆井液上返過程中在鉆具上下兩側(cè)產(chǎn)生流速差，甚至下側(cè)流速有可能為零，使得巖屑更易出現(xiàn)沉積，難以清理，并導(dǎo)致巖屑床的產(chǎn)生[7]。隨著水平距離的增加，鉆孔軌跡上下起伏情況更嚴(yán)重，巖屑在起斜段也更易形成巖屑床。巖屑床無法清理會逐漸加厚，從而影響使鉆具摩阻增大，影響施工進度，還會造成卡鉆事故。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 無芯鉆進跟層技術(shù)

本工程鉆進方法為無芯鉆進，在長距離順層鉆進的過程中，需要同時對鉆進過程中遇到的地質(zhì)異常情況進行判斷分析，便于查明1 煤底板可能存在斷層裂隙或陷落柱等地質(zhì)異常體。雖然目前定向技術(shù)已經(jīng)日漸成熟，但通過射線傳遞反饋信號存在滯后效應(yīng)，不利于及時發(fā)現(xiàn)異常情況。為保障鉆孔在目的層位內(nèi)順層鉆進以及異常情況判斷，采用“無線隨鉆測量、隨鉆伽馬測井、巖屑錄井、鉆時錄井、鉆井液錄井相結(jié)合”的綜合井控工藝[8]，將既得數(shù)據(jù)與以往數(shù)據(jù)快速對比分析，結(jié)合探查區(qū)域地質(zhì)信息，對鉆孔軌跡進行及時調(diào)整。

4.2 鉆具組合

根據(jù)理論研究及現(xiàn)場施工經(jīng)驗，結(jié)合所鉆遇地層及定向施工需要，水平分支段前期采用φ152.4 mmPDC鉆頭+ φ121 mm 單彎螺桿+ φ121 mm 定向短接+ φ121 mm無磁鉆鋌(MWD+Gamma)×1 根+ φ89 mm 鉆桿串。后期由于鉆具為平躺在井眼中，受重力作用和地層走勢的影響，鉆具下部緊貼孔壁，摩擦阻力與扭矩大，直井段自重不易傳遞到鉆頭，通過在直井段加加重鉆桿串來增加鉆具自重，提高水平段克服托壓的能力。

在鉆進過程中加重鉆桿串下到造斜段時其自身加重作用減小，通過短起調(diào)整鉆具位置，將加重鉆具調(diào)整回直井段。并且在短起過程中循環(huán)鉆井液，對孔內(nèi)堆積的巖屑進行清理，防止出現(xiàn)巖屑堆積形成巖屑床。

4.3 優(yōu)化鉆井液體系

水平段目的層為灰?guī)r地層，較為穩(wěn)定，但是由于水平段較長，巖屑移動距離較長，需要鉆井液有很好的攜巖能力，為降低長水平段鉆具扭矩還需要適當(dāng)增加其潤滑性能，同時為防止鉆井液堵塞裂隙導(dǎo)致注漿效果差，因此選擇使用無固相鉆井液體系。配方如下0.3%～0.6% 抗鹽共聚物(GTQ)+0.1%～0.2% 包被劑+1%～2% 無熒光潤滑劑(GULB)。在鉆進過程中需要對泥漿性能進行維護，使用振動篩、除泥器等設(shè)備做好固相清理工作。并適當(dāng)添加潤滑劑、抑制劑等使鉆井液保持良好的潤滑性、抑制性和攜砂性[9]。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

以D5-10 分支孔為例，水平段采用巖屑錄井、伽瑪數(shù)據(jù)、鉆時錄井聯(lián)合判層，采用無線隨鉆測量系統(tǒng)監(jiān)測鉆孔軌跡，跟層率達(dá)89%，平面上最大偏差1.32 m。根據(jù)鉆時錄井、巖屑錄井、簡易水文觀測探查及注漿成果分析，該分支孔探查范圍內(nèi)無明顯垂向?qū)ǖ肋B通奧陶系灰?guī)r，無陷落柱等異常導(dǎo)水構(gòu)造。

對該分支進行分段注漿，注漿前進行壓水實驗，分段壓水吸水率：0.002 23～0.000 554 L/(min·m·m)；注漿結(jié)束泵量60 L/min，穩(wěn)壓30 min，注漿終壓11.31～12.3 MPa，符合設(shè)計要求；注漿后吸水率0.000 38～0.000 176 L/(min·m·m)。注漿質(zhì)量合格。

6 結(jié)語

通過對潘二礦西四采區(qū)A 組煤地面區(qū)域治理工程研究分析，針對該地區(qū)地質(zhì)概況總結(jié)了施工難點以及應(yīng)對措施，為后續(xù)西四采區(qū)的地面區(qū)域治理工程提供參考借鑒。施工過程中由于水平段較長加之地層走勢原因，出現(xiàn)托壓現(xiàn)象，導(dǎo)致進尺緩慢甚至無進尺，嚴(yán)重影響工程的持續(xù)進行，通過調(diào)整鉆具組合，控制泥漿參數(shù)恢復(fù)進尺，保證了施工的正常進行。而受淮南地質(zhì)概況影響導(dǎo)致的順層難度大，在施工過程中采用的“無芯鉆進隨鉆測量、伽馬測井、巖屑錄井、鉆時錄井、鉆井液錄井、簡易水文觀測相結(jié)合”的綜合井控，使得順層率達(dá)到了設(shè)計要求。