鞏建雨

（中國煤炭地質(zhì)總局第四水文地質(zhì)隊(duì)，河北邯鄲056001）

1 概述

礦井水害一直是華北巖溶地區(qū)煤礦安全生產(chǎn)面臨的主要問題之一，曾發(fā)生過多次突水和淹井事故，給國家造成了重大經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響。該區(qū)大部分煤礦是開采時(shí)間較長的老礦，淺部煤層已開采殆盡，面臨向深部延伸的問題，隨著開采深度的加大，底板隔水層將承受承壓奧灰含水層的水壓增大，導(dǎo)致奧灰水害問題更加突出[1]，因此，如何預(yù)防奧灰突水，實(shí)現(xiàn)安全帶壓開采深部煤層將是該區(qū)主要防治水問題。

2 區(qū)域治理工藝

趙慶彪[2-4]等提出的區(qū)域治理是一項(xiàng)新的防治水技術(shù)，該技術(shù)解決了安全帶壓開采深部煤層的防治水問題。它依采區(qū)及采區(qū)以上區(qū)域或受地質(zhì)構(gòu)造分割相對孤立的水文地質(zhì)塊段為注漿單元，大位移水平及近水平羽狀分支注漿井為依托，在地面注漿為手段的底板加固區(qū)域治理工藝，該技術(shù)正處在大力推廣階段。其與在采區(qū)工作面底板注漿改造、注漿加固優(yōu)缺點(diǎn)對比如表1所示。

表1 采區(qū)底板注漿改造、注漿加固與區(qū)域治理優(yōu)缺點(diǎn)對比表

3 注漿井設(shè)計(jì)

區(qū)域治理必須依大位移水平及近水平羽狀分支注漿井為依托，結(jié)合施工區(qū)域治理項(xiàng)目，僅對水平及近水平羽狀分支注漿井的設(shè)計(jì)、施工及特點(diǎn)工藝進(jìn)行淺述[5]。

3.1 鉆遇地層

施工區(qū)范圍內(nèi)各時(shí)代地層由老到新有：奧陶系中統(tǒng)、石炭系上統(tǒng)、二疊系、三疊系、第三系及第四系。

3.2 工程量設(shè)計(jì)

1個(gè)定向主井，鉆探進(jìn)尺為820m；水文地質(zhì)條件探查治理井5個(gè)，其中水平分支井4個(gè)，鉆探進(jìn)尺為5400m；構(gòu)造探查井一個(gè)，鉆探進(jìn)尺為550m，計(jì)劃鉆探工程量6770m，另外，預(yù)計(jì)需要注水泥20000t（見表2、表3）。注漿孔工期安排177d，其中：鉆孔施工，按日進(jìn)50m計(jì)算為110d；注漿按日注漿300t為67d。

表2 探查治理鉆井工程量一覽表

表3 探查治理鉆井工程量一覽表

3.3 鉆井軌跡平面布置

鉆井軌跡平面布置見圖1。

圖1 鉆井軌跡平面布置圖

3.4 井身結(jié)構(gòu)

（1）主井結(jié)構(gòu)：一開井徑為?394mm，鉆至入基巖5m,下入?377mm×7mm井口管，水泥固井；二開井徑為?311mm，鉆至（580m）造斜點(diǎn)以上50～70m的穩(wěn)定巖層,下入?244.5mm×8.94mm，水泥固井；

（2）定向分支井結(jié)構(gòu)：三開井徑為?215.9mm，鉆至入奧灰（目的層）4～5m，下入?177.8mm×8.05mm，水泥返高150～200m；四開井徑為?152mm，入窗點(diǎn)為進(jìn)入奧灰30m，沿奧灰七段頂部順層鉆至完井，裸眼。

3.5 井身剖面圖

井身剖面見圖2。

圖2 井身剖面圖

3.6 質(zhì)量要求

（1）鉆孔軌跡與設(shè)計(jì)軌跡誤差不超過5m，關(guān)鍵落點(diǎn)誤差不超過1.5m。

（2）水平分支孔注漿后掃孔軌跡與原軌跡偏差不超20m。

（3）做好簡易水文觀測記錄工作。（4）遇到陷落柱，要做取芯驗(yàn)證。

（5）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：終壓為受注含水層水壓的1.5倍以上，單孔吸漿量小于35L/min。測得單位吸水率q不得大于0.05L/min·m·m，穩(wěn)定30min以上。

3.7 投入施工設(shè)備

投入施工設(shè)備見表4。

4 注漿井施工

4.1 施工順序

分支井（若有次分支井，則以次分支井組為單元）施工順序有按順序施工；有間隔跳打施工；有先中間，后兩邊；有先兩邊，后中間等方法，優(yōu)選間隔跳打施工，后施工井能驗(yàn)證前井的注漿情況，具體采用哪種方法，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況而定。該項(xiàng)目采用順序施工，依次為6-4、6-3、6-2、6-1、6-5。

4.2 固井及割拔管

技術(shù)套管為通天管，下深根據(jù)所加固的目的層而定，若是大青灰?guī)r一般下在灰?guī)r頂，若是奧陶系灰?guī)r八段、七段，一般下在入奧陶系灰?guī)r八段4～5m。固井時(shí)對造斜段底部150～200m注漿固井，注入前置液前注入特殊的泥漿，使用特殊的泥漿充滿未封閉水泥漿段的套管環(huán)空間隙，固井完畢后，井口技術(shù)套管與井口管的環(huán)狀間隙用鋼板焊接封閉，避免落物掉入環(huán)狀間隙，確保拔管時(shí)將套管順利拔出。

表4 施工設(shè)備

拔管時(shí)，將液壓水力割刀在下到水泥返高以上30～50m(檢測固井質(zhì)量時(shí)可以準(zhǔn)確檢測出水泥的返高)處切割起出套管；如果套管割開后，不能將套管拔出，則將切割點(diǎn)上提100m，再次切割起拔；如果再次切割起拔不出，只能將切割點(diǎn)上提至直井段切割，下一分支井造斜施工時(shí)，上提造斜點(diǎn)。施工中該項(xiàng)目的分支井均能一次成功起拔。

4.3 目的層控制

三開進(jìn)入直徑段、造斜段和水平段均采用MWD無線隨鉆測井系統(tǒng)配合伽馬地質(zhì)導(dǎo)向加螺桿定向鉆具控制鉆井軌跡，目的層又采用了以下手段進(jìn)行判斷。

4.3.1 巖粉判斷

進(jìn)入奧灰層位，主要通過巖粉顏色大致判定是在奧灰7段還是8段（7段是純白色，8段是灰白色），有時(shí)實(shí)鉆巖粉顏色也不容易區(qū)分（7段和8段的混合物）。奧灰8段平均厚度20m，目標(biāo)層位奧灰頂面以下30m左右，即判定進(jìn)入奧灰7段的深度。

4.3.2 等高線控制

充分利用已掘的采煤工作面，推斷比較準(zhǔn)確的等高線容易控制進(jìn)入奧灰的深度。

4.3.3 伽馬驗(yàn)證

奧灰地層中伽馬值為8～12，鋁土泥巖為100+，利用伽馬值對地層進(jìn)行對比驗(yàn)證。

4.4 注漿

水平鉆進(jìn)過程中遇漏失量超過5m3/h，按預(yù)定方案實(shí)施注漿，注漿壓力須達(dá)到設(shè)計(jì)的終壓，鉆進(jìn)→漏失→注漿→（或掃水泥再次注漿）→鉆進(jìn)，循環(huán)往復(fù)，直至鉆至設(shè)計(jì)孔深。

4.5 分支井、次分支井的孔間距

分支井、次分支井的孔間距的確定，是依據(jù)注漿漿液的擴(kuò)散半徑、鉆遇的漏層及是否遇到漏層等確定，不同的礦區(qū)漿液的擴(kuò)散半徑不一樣，峰峰煤田注漿的經(jīng)驗(yàn)，鉆孔的擴(kuò)散半徑為20m，即相鄰鉆孔的距離不超過40m[6]，實(shí)踐中孔間距為40～80m。

4.6 施工情況

該項(xiàng)目施工情況如表5所示。

注漿施工6口；遇見陷落柱1個(gè)；斷層1條；漏水點(diǎn)16個(gè)；注水泥3722t；補(bǔ)驗(yàn)證注漿次分支井2個(gè)；完成工程量7160m。

5 特點(diǎn)

經(jīng)過區(qū)域治理注漿井的施工，是具定向技術(shù)、注漿堵水技術(shù)于一身，同時(shí)，又具有其自身的施工特點(diǎn)，個(gè)人認(rèn)為注漿井具有自身的施工特點(diǎn)如下：

（1）分支多：注漿井根據(jù)區(qū)域治理面積的大小和受地面施工場地的限制，分支井較多，一般在5個(gè)分支以上，有的在分支井中再進(jìn)行次分支井施工，分支與次分支的總和可達(dá)20個(gè)以上（見圖3）。

（2）施工工期長且不能有效預(yù)計(jì)：由于施工的分支井多和施工過程中鉆遇的漏層有裂隙、斷層、陷落柱，遇漏則注漿，且注漿必須達(dá)到設(shè)計(jì)的注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，而注漿工期又不能可靠的預(yù)計(jì)，故施工工期長且不能有效預(yù)計(jì)，工期一般在6個(gè)月以上，有的長達(dá)一年以上，故在區(qū)域治理前，要考慮巷道掘進(jìn)、采區(qū)及采區(qū)工作面的開采時(shí)間，留足富裕的時(shí)間間隔。

表5 項(xiàng)目施工情況表

圖3 鉆孔平面布置圖

（3）設(shè)備選型大：由于水平段的深度一般在500～1000m不等，有的甚至超過1000m，起下鉆的摩阻較大，直井及造斜段的深度一般在500～1000m，整個(gè)鉆井的深度不超過2000m，但選擇鉆機(jī)的施工能力一般是為4000m（RT-40）或更大（RT-45）。

（4）一分支井一割拔套管：一個(gè)分支井注漿完畢后，為施工下一眼分支井，須下入割刀，將套管從固井段以上割斷，起拔出套管，依次類推，直至施工最后一眼分支井，是該井施工成敗的關(guān)鍵工序。在水平段分支井上進(jìn)行再分支的次分支井，水泥漿封閉后，直接定向，無需將分支井套管拔出。

（5）易變更：由于施工過程中鉆遇的漏層有裂隙、斷層、陷落柱等存在未知的不確定性，施工中往往發(fā)生工程變更，如遇見陷落柱往往增加次分支孔，以驗(yàn)證陷落柱的范圍和驗(yàn)證注漿效果。

[1]趙鐵錘.華北地區(qū)奧灰水綜合防治技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

[2]趙慶彪.煤礦巖溶水環(huán)境安全保護(hù)保護(hù)開采技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42（1）：14-17.

[3]趙慶彪.邢臺礦區(qū)煤礦開采新技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

[4]趙慶彪.高承壓水上煤層安全開采指導(dǎo)原則及技術(shù)對策[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41（9）：83-86.

[5]鞏建雨，李曄，等.某煤礦底板加固工程階段總結(jié)報(bào)告[R].中國煤炭地質(zhì)總局第四水文地質(zhì)隊(duì).

[6]周永柱.峰峰煤田五礦東翼區(qū)下組煤開采水文地質(zhì)可行性研究[D].2010.