地面定向水平钻技术在地质异常区探查及治理中的应用*
时间：2023-06-20 18:20:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
詹绍奇，孔皖军，徐燕飞
(1.煤炭开采国家工程技术研究院，安徽 淮南 232001；
2.鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017002；
3.煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽 淮南 232001)
中国是世界最大的煤炭资源生产与消费国[1]，随着煤炭产业的快速发展，煤矿安全事故是制约煤炭资源开采的主要威胁，地质异常体因其富水性对煤矿安全生产存在极大的安全隐患[2]，常见地质异常体包括断层、陷落柱、岩溶等，往往会形成导水构造，近80%的矿井安全事故是由地质异常体诱发[3]，受地质异常体影响导致的煤矿水害事故时有发生[4 -6]。
进行超前探查治理可从根本上排除地质异常体致灾的潜在危险[7]。长久以来对于煤矿地质异常体的治理均是在工作面运输巷道和回风巷的井下完成[8]，随着防治思路转变和稳定组合钻具的定向钻进技术的完善，地面定向钻探技术与地面注浆技术结合在地质异常体探治方面取得了良好的应用[9]。其中地面定向水平钻进是由常规定向钻进发展起来的，在施工中具有跟踪和导向功能，其先垂直钻进(直线段)，后偏斜钻进，形成曲线孔段，再以水平方向沿矿层(如煤层)或目标层钻进[10]，再将一种或几种材料按比例配置成浆液，用压送设备将其压入含水层或软弱松散层中凝固胶结，可以起到堵水或加固作用[11 -12]。
唐家会煤矿隶属于华北型煤田，受奥灰水害威胁严重，地质异常体易形成导水构造，为安全生产增加潜在风险，将地面定向水平钻井与注浆改造技术结合应用于地质异常体治理，可准确进入目标层实施注浆堵水和底板加固工程，从而达到较好的治理效果[13 -14]。
唐家会煤矿位于准格尔煤田中部，总体地形北高南低，最高点海拔标高为+1 356.87 m，最低点海拔标高+1 161.30 m，相对高差最大195.57 m，一般海拔+1 220～+1 300 m，相对高差80 m左右。唐家会煤矿开采华北型石炭 -二叠系煤层，主采6号煤层为带压开采，底板承受奥灰水压力约为1 MPa，煤层与奥灰距离约为35～58 m，由于6号煤层底板奥灰富水性强且断层(构造)发育，6号煤层底板受奥灰水的威胁极大[15 -16]。
在61303工作面运输通过底板顺层定向长钻孔对61304工作面进行超前底板探查工程中，由于61304工作面靠近切眼端的第5组底板顺层长钻孔，发现ZL10-2、ZL10-2-1和ZL10-2-2三孔存在地质及水文地质异常(见表1)，3个孔出水量均大于9下煤砂岩层位中施工钻孔的正常涌水量(一般小于5 m3/h)。分析后认为异常区沟通下伏奥灰水，对61304工作面安全开采威胁极大，后对3个异常钻孔进行封闭，共注水泥49.5 t，注浆压力达9 MPa。
为查明异常区的准确位置，对该区重新进行地面精细三维地震解释工作，发现61304工作面存在地质异常区(编号：Y6)，Y6地质异常区向南延伸到61305工作面内，因此6号煤层后续其余工作面开采亦受奥灰水的威胁，如图1所示。
相邻61303工作面断面钻孔光纤及并行电法多参数综合测试表明，6号煤层底板岩层破坏带深度为15.5 m，位于细砂岩岩层上部，破坏扰动最大深度为32.0 m，位于砂泥岩岩层下部，具体情况如图2所示。“下三带”理论表明，在煤层开采过程中，煤层底板岩层由上到下形成底板导水破坏带、有效隔水层保护带和承压水导升带，根据唐家会煤矿实测，6号煤层底板破坏带h1最大值为16.5 m。
表1 异常钻孔概况
图1 61304工作面Y6异常区范围示意Fig.1 Schematic diagram of Y6 abnormal area in 61304 working face
图2 工作面“下三带”及注浆层位示意Fig.2 Schematic diagram of “lower three zones” and grouting horizon of working face
因6号煤层与奥灰间距35 m以上，测试结果表明工作面回采不会对奥灰层位产生扰动，将治理目标层位定为6号煤层底板奥灰顶界面下10～20 m，可以有效改造奥灰含水层顶界面，阻断奥灰水顶界面导水裂隙等通道，见表2。
表2 61303工作面底板破坏测试结果汇总
3.1 钻孔布设
将61304工作面Y6异常区注浆改造工程分为钻井施工和注浆工程2个方面[17]。
钻井施工：采用地面多分支水平定向水平顺层钻进技术，利用螺杆钻具等井底动力工具与无线随钻测量仪器共同作用[18]，形成孔斜角大于86°，钻进至目标层，使原来在治理区内的无联系溶洞、断裂构造等相互连通，然后通过注浆消除这些异常地质构造，达到目的层区域治理的效果。综合考虑工作面及煤层展布情况、构造特征、钻探施工效能等因素，布设钻孔DY1并进行“地面定向近水平顺层分支钻孔群”施工，揭露6号煤底板奥灰含水层溶隙、裂隙等储水空间和导水通道。施工顺层间距40 m左右的近水平定向分支钻孔，最大限度揭露Y6异常区及奥灰顶部区域储水空间和导水通道，为注浆改造提供有利条件。钻孔设计如图3所示。
图3 钻井平面布置Fig.3 Plane layout of drilling
注浆工程：在钻孔揭露Y6异常区及奥灰顶部溶隙、裂隙带的条件下，通过分段、分序次连续高压注浆对裂隙及导水通道进行封堵，达到有效改造Y6异常区，进而达到保障矿井安全生产和减少矿井涌水量保护地下水资源的目的[19]。
3.2 井身结构
注浆钻井工程DY1孔采用三开井身结构如图4所示。首先开垂直井段，固井下表套后，开采取大角度定向钻进工艺，近水平进入奥灰顶部；
下套管隔绝煤系地层，避免浆液无效流失和较软岩层的塌孔事故；
开各分支顺奥灰顶部下10～20 m钻进，沿钻孔轨迹揭露Y6异常区，探明Y6异常区的发育情况。
图4 井身结构示意Fig.4 Schematic diagram of mine structure
开采用逐级扩孔方式达到设计孔径。首先采用φ244.5 mm的牙轮钻头钻进至230 m，然后采用φ346 mm的牙轮钻头扩孔钻进至230 m后，下入φ273 mm×8.89 mm的表层套管，并固井水泥上返至井口，隔离松散地层。
开采用φ244.5 mm的牙轮/PDC钻头，钻进工程量447.63 m，进入到奥灰风化带以下的完整灰岩中，下入φ193.68 mm×8.33 mm的表层套管，固井水泥上返至井口。
开采用三开孔径φ152 mm PDC钻头/三牙轮钻头，三开水平井的着陆点在奥灰中，按奥灰顶界面以下10～20 m顺层进行水平段钻进，保证钻孔揭露层位始终在奥灰中。
3.3 注浆工程设计
3.3.1 注浆参数
注浆材料：①水泥，采用符合国标(GB175-92)的32.5R普通硅酸盐水泥；
②粉煤灰，采用符合国标(GB1596-91)的Ⅱ级粉煤灰；
③水(本工程注浆用水从邻近的奥灰孔中抽取)。
注意事项：注浆浆液应先稀后稠，注浆孔口终止压力根据区域标高来确定，根据61304工作面奥灰含水层最大静水压力等，综合确定终止压力为注浆地面孔压力6 MPa。泵量达到35 L/min以下且注浆稳压达到设计压力，并稳定20 min以上即可结束单孔注浆，否则继续。注浆浆液通过注浆孔，以全孔段注浆方式泵入，充填到奥灰含水层顶部溶洞的裂隙中。采用由稀到稠的连续注浆方式使混合液通过注浆孔充填到溶洞裂隙中去。
3.3.2 注浆工艺
工程采用孔口封闭静压式全孔段注浆法。在每次注浆前先进行全泵量压水试验，冲洗注浆管路及孔内岩石裂隙。其中，注浆分为以下3个阶段。
常压注浆阶段：在注浆开始阶段，裂隙中只有奥灰水，当注入混合浆液后，由于混合浆液密度大于裂隙中的奥灰水密度，混合浆液利用自重即可进入奥灰裂隙中，起到混合浆液替代奥灰水的作用。
加压注浆阶段：此阶段注浆压力从静水压力逐渐升压的状态下进行，其目的是封堵小裂隙通道，在压力的作用下，使浆液横向、纵向上进一步扩散，增加钻孔注浆的控制范围，由点—线—网—面，最后压实固结，形成一个整体。
高压注浆阶段：后期阶段高压注浆是为了巩固前期注浆效果，由于奥灰水水头压力高，加压注浆阶段混合浆液凝固抗压能力<水头压力，所以在加压注浆阶段后期要注浆调整水泥注入量，并加大注浆压力。根据实验要求，高压注浆阶段注浆孔口压力选择6 MPa，当压力稳定20 min以上后停止注浆，进行扫孔。
唐家会煤矿Y6异常区地面定向水平钻井注浆治理工程实际完成1个主孔、9个分支孔，钻探工程量4 784 m。其中：直孔段230 m，造斜段400 m，水平钻孔钻探工程量4 154 m；
共进行压水试验18次、高压注浆18次，累计注入水泥及粉煤灰浆液19 762 m3，共注入水泥6 434 t，粉煤灰230 t。
钻探取样及注浆结果表明，工程施工区域内奥陶系灰岩岩溶以微裂隙发育为主，且发育不均衡，呈各向异性，未发现明显断层、岩溶陷落柱。通过对分段注浆后后续孔段钻井液消耗量变化趋势的分析，采用纯水泥浆注浆时水泥浆液最小扩散半径为24.57 m，以40 m的分支间距施工，可以实现对异常区的“全覆盖”。添加粉煤灰时水泥浆液扩散半径为9.66～24.28 m，粉煤灰的添加不利于水泥浆液的扩散。
经过计算，10个定向分支水平钻孔在本次工作的Y6异常区基本实现交叉全覆盖，注浆治理覆盖范围面积12.05万m2。通过本次探查与治理工作，对Y6异常区及其影响区域6号煤底板奥灰岩溶裂隙与导水通道进行有效封堵，61304工作面安全通过异常区，有效保障矿井安全生产。
(1)通过对综合录井判层、钻进异常、钻井液消耗量、压水试验、分支注浆量以及施工中未出现卡钻、空推、掉钻等岩溶异常发育现象等成果资料的综合分析，有效查明目标层岩溶异常区的发育情况。
(2)地面定向水平钻井技术能够准确施工至目标层位，对目标层位进行全方位探测和精准治理，为水害区域治理提供可靠的技术和设备保障。
(3)地面定向钻井注浆改造含水层技术具备劳动强度小、周期短、效果优等特点，丰富和完善了水害区域探查及治理技术手段。
猜你喜欢导水定向浆液胰腺实性浆液性囊腺瘤1例中国临床医学影像杂志(2022年5期)2022-07-26脱硫系统用浆液循环泵汽蚀分析水泵技术(2022年2期)2022-06-16榆神府矿区不同导水裂隙发育对地表土壤性质的影响西安科技大学学报(2021年3期)2021-06-17综合探测9105工作面导水裂隙带高度江西煤炭科技(2020年4期)2020-11-16误诊为中心性浆液性脉络膜视网膜病变的孤立性脉络膜血管瘤1例中医眼耳鼻喉杂志(2019年3期)2019-04-13偏序集上的相对定向集及其应用长春师范大学学报(2018年8期)2018-08-17定向越野小学生导刊(2017年13期)2017-06-15基于水管理的前风窗下装饰板系统设计研究汽车科技(2017年3期)2017-06-12定向驯化筛选耐毒酵母食品工业科技(2014年7期)2014-03-11PAX2和Ki67在卵巢浆液性腺癌中的表达及其临床意义长江大学学报(自科版)(2013年33期)2013-03-11
