孔皖軍，白 明

（鄂爾多斯市華興能源有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017000）

0 引 言

定向鉆進技術(shù)是指從地面垂直開孔，以一定角度在目標層位灰?guī)r中施工定向分支鉆探孔探查垂直隱伏構(gòu)造并進行注漿改造的一項新的水害探查治理技術(shù)。定向分支鉆孔，就是在地面鉆鑿直孔，在適當?shù)纳疃冗M行定向造斜施工，在一定深度形成軌跡受控水平定向水平（近水平）孔，在水平孔一側(cè)或兩側(cè)實施帶狀若干分支孔。與煤礦傳統(tǒng)井下探查孔相比，具有控制面積大、軌跡受控精度高、施工設(shè)備能力大、施工安全程度高、不受場地環(huán)境影響、可進行超前探查等優(yōu)點。

斷層突水主要有兩種，一是導(dǎo)水斷層突水，采掘揭露斷層時發(fā)生突水；二是非導(dǎo)水斷層在礦山壓力作用下，由非導(dǎo)水狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)水狀態(tài)，形成突水通道，導(dǎo)致突水。斷層上、下盤在采動影響下發(fā)生相互錯動的過程稱為斷層活化，實質(zhì)就是開采盤沿斷層面產(chǎn)生剪切變形，斷層帶產(chǎn)生新的裂隙。非導(dǎo)水斷層通過活化，破壞了斷層帶中的膠結(jié)物，增大了斷層帶巖體的滲透性；上、下盤變?yōu)椤皵嚅_”狀態(tài)，為突水通道的形成提供了有利條件。

1 治理背景

2018年，唐家會煤礦61201工作面正在回采，61208工作面未掘，由于61208為下一個回采工作面，為保證生產(chǎn)，需要在61208東側(cè)掘進一條西翼膠帶機巷，該巷道位于礦井一盤區(qū)西翼，南起61201運輸順槽，北至礦井邊界保護煤柱線，西鄰61201、61207、61208工作面，東臨6煤回風(fēng)大巷。

唐家會礦主采煤層為石炭-二疊系6號煤，該煤層距離該煤層下部的奧陶紀灰?guī)r層約為40～60 m，煤層底板承受奧灰水壓力約為1.5 MPa，底板奧灰水對該礦井安全生產(chǎn)有著重大威脅。據(jù)已有的三維地震解釋結(jié)果以及礦井生產(chǎn)過程中61201工作面、6煤回風(fēng)大巷及風(fēng)副北聯(lián)巷等掘進過程中實際揭露的地層資料可知，此西翼膠帶機巷在掘進期間可能揭露有4條正斷層，即F201-H1、Ff3、F201-H2、DF2-1，如圖1、圖2所示。此4條正斷層傾角約為60°～80°，最大落差12.4 m，最小落差1.8 m，平均落差6.3 m，這些斷層同屬DF2斷層組。風(fēng)副北聯(lián)巷揭露DF2斷層時，出水量達500 m3/h，說明該斷層為導(dǎo)水斷層。為保障翼膠帶機巷安全掘進，決定對該巷道中的斷層進行注漿加固治理。

圖1 膠帶機巷與DF2斷層相切的平面位置示意Fig.1 Position of belt roadway and DF2 fault

圖2 膠帶機巷與DF2斷層相切的剖面位置示意Fig.2 Section of belt roadway and DF2 fault

2 治理設(shè)計

2.1 鉆孔設(shè)計

為確保井下一盤區(qū)西翼膠帶機巷安全通過DF2斷層，從地面設(shè)計2個定向鉆孔F1和F2，如圖3、圖4所示，利用定向鉆孔對DF2斷層的灰?guī)r根部進行斷層治理。定向鉆孔F1目標層位為奧灰層下10～20 m，旨在先對膠帶機巷正下方的DF2斷層組的灰?guī)r進行注漿封堵。定向鉆孔F2的目標層位為奧灰層正上方的9下煤底板砂巖，設(shè)計的F2的主要意圖在于兩點，一是由于F2是后于F1施工，故F2在施工的過程中可以檢查F1的施工效果，并可以對其進行效果評價；二是對9下煤底板的斷層進行注漿封堵，保障DF2斷層組的治理效果。在地面定向鉆施工完成之后，在巷道掘進過程中再次設(shè)計多個井下斷層探查孔，用于對此次地面定向孔導(dǎo)水斷層治理以及底板加固的效果評價。

圖3 鉆孔設(shè)計平面示意Fig.3 Borehole design plane

圖4 鉆孔設(shè)計剖面示意Fig.4 Borehole design section

2.2 注漿設(shè)計

由于唐家會煤礦現(xiàn)有注漿站能力小，為滿足注漿需要，在礦工業(yè)廣場鉆場邊新建臨時注漿站對此次設(shè)計的1號孔進行注漿。注漿水泥采用PO32.5硅酸鹽水泥，造漿用水水質(zhì)須滿足SO42-含量<2 700 mg/L、pH>4。此次超前治理注漿采用孔口封閉靜壓前進式分段注漿法。注漿前先進行壓水，注漿中若吃漿量大，可用稠漿進行注漿或采用間歇式注漿法；若吃漿量小，可用稀漿進行注漿。單回次注漿起壓等凝后，要進行掃孔再注漿，若能吃漿還需繼續(xù)注漿，然后再掃孔，直至掃孔不吃漿然后繼續(xù)向前鉆進，如此循環(huán)式前進。注漿順序采用插花式跳孔施工方法，先注兩邊孔，再注中間孔，然后再在已注漿孔之間穿插注漿。后序鉆孔注漿時可對前序鉆孔的注漿效果進行檢查。

本次注漿地面孔口壓力設(shè)計為6 MPa。注漿終止時設(shè)計地面泵量不大于60 L/min，穩(wěn)定時間設(shè)計不小于15 min。

2.3 地面鉆孔施工與測試系統(tǒng)安裝

鉆探設(shè)備為1臺石油ZJ30鉆機及其配套裝，注漿設(shè)備為5臺3NBB-390注漿泵，使注漿站的最大注漿能力達到2 808 m3/d。

3 施工情況

3.1 鉆探施工

鉆孔一開為直孔段，孔徑311 mm，鉆至石千峰組約20 m處新鮮基巖，孔深約170 m，下入170 m長φ244.5 mm×8.94 mm一開套管。鉆孔二開為導(dǎo)斜段，孔徑215.9 mm，孔深原則上進入到奧灰風(fēng)化帶以下完整灰?guī)r中，奧灰風(fēng)化帶以上9煤以下堅硬完整的巖層中，下入φ177.8 mm×8.04 mm套管。1號孔二開套管長度669 m。

F1孔于2018年11月22日開始施工三開裸孔段，至2019年1月7日結(jié)束。三開裸孔段共完成鉆探6回次，三開累計進尺390.96 m，孔深925.96 m。F2孔于2019年1月9日開始施工三開裸孔段，至2019年1月11日結(jié)束。三開裸孔段共完成鉆探1回次，三開累計進尺274.5 m，孔深930.5 m。

F1鉆孔6回次施工如圖5所示。

圖5 F1分支鉆孔施工Fig.5 F1 branch drilling construction

在設(shè)計F1分支孔軌跡時，預(yù)計鉆遇斷層時巖性為奧灰，進入奧灰下10～20 m，在F1的6回次鉆探中，第一回次和第二回次在孔深為724 m、731 m出現(xiàn)鉆井液大量漏失，根據(jù)圖5可知，此漏失位置為剛進入奧灰層位，然而卻并非在DF2-1和F201-H2斷層的位置，故推斷此處可能奧灰層位巖溶裂隙發(fā)育，鉆井液沿巖溶裂隙漏失；第三、第四、第五回次鉆井液大量漏失的位置剛好在DF2-1斷層附件，符合預(yù)期；第六回次鉆井液大量漏失位置處于F201-H2斷層附近，同樣符合預(yù)期。F2鉆孔施工如圖6所示。

圖6 F2分支鉆孔施工Fig.6 F2 branch drilling construction

F2分支孔的設(shè)計及實際軌跡均在9下煤底板砂巖中鉆進，鉆遇斷層時巖性也為砂巖，整體鉆進效率最高，鉆探1回次即至終孔位置，且也未出現(xiàn)掉塊、埋鉆等異常情況。主要有兩方面原因，一方面主要與鉆遇斷層時巖性有關(guān)，砂巖自身較為致密、堅硬，返出巖粉細小，顆粒感明顯，易隨鉆井沖洗液沖出，不易包裹鉆頭，因此鉆進效率高；另一方面F2分支孔受F1分支孔注漿影響，F(xiàn)1分支孔注漿時，部分進入斷層帶的漿液與斷層帶內(nèi)部充填物膠結(jié)、凝固、硬化，避免其他分支孔鉆遇斷層時出現(xiàn)掉塊、塌孔、埋鉆現(xiàn)象。

3.2 注漿施工

F1鉆孔三開裸孔段共完成注漿6回次，均采用混合漿注漿，累計注入水泥7 097 t，注入粉煤灰5 911.77 t，考慮到鉆孔與巷道和采空區(qū)距離較近，注漿壓力4～6 MPa。6回次注漿量統(tǒng)計如圖7所示?？梢钥闯?，第四回次和第五回次的注漿量遠遠多于其余4個，而第四回次和第五回次的終孔位置為DF2-1斷層附近，表明DF2-1斷層較為發(fā)育，并且?guī)r溶裂隙可能也較為發(fā)育。

圖7 F1鉆孔6回次注漿統(tǒng)計Fig.7 Grouting statistics of F1 drilling hole in 6 passes

三開裸孔段共完成注漿1回次，采用混合漿注漿，累計注入水泥89.55 t，注入粉煤灰114.27 t。注漿壓力均7 MPa。

4 斷層治理揭露驗證情況

F1、F2分支孔施工結(jié)束后，在掘進過程中井下施工9個前探孔，分別為4-1#、4-2#、4-3#、4-4#、4-5#、4-6#、4-7#、4-8#、4-9#，用于探查該處斷層治理后出水情況，如圖8、圖9所示。

圖8 井下前探孔施工剖面示意圖Fig.8 Construction section of the front borehole

圖9 井下前探孔施工平面示意Fig.9 Construction plane of the front borehole

從前探孔的布置來看，僅4-1#鉆孔終孔層位在主采煤層6煤底板，其余8個前探孔均在所治理的9下煤底板中。

4-1#孔為前探孔中水量及注漿量比較小的孔，主要原因是該孔平面位置上位于F1分支孔正上方，F(xiàn)1分支孔注漿對其也有一定影響；同時該孔層位屬本批次前探孔層位最高的孔，位于6煤底板，該層自身富水性差，單位涌水量小；最后該孔僅揭露F201斷層，未揭露DF2-1斷層，該孔出水僅受底板含水層及F201斷層影響。該孔在揭露斷層后出水，水量較少為2 m3/h，隨著進入含水層長度逐漸延伸，水量有所提升，但整體不大，終孔時水量較之前減少，說明該區(qū)域鉆孔出水以含水層靜儲量為主，F(xiàn)1分支孔基本封堵住該區(qū)域斷層導(dǎo)水通道，治理效果較好。

4-2#孔平面位置位于巷道西側(cè)，與F2分支孔處于同一側(cè)，前期鉆探揭露F201斷層時，水量均較小，為1.6 m3/h，當鉆孔進入DF2-1影響范圍內(nèi)時，水量突增至24 m3/h，預(yù)計4-2#孔中50.05 t注漿量主要受注段為該水量突增區(qū)域，即揭露的DF2-1斷層段。而4-2#孔揭露DF2-1斷層位置與F2分支孔揭露斷層位置距離為23 m，因?qū)υ摽孜催M行疏放，不排除F2分支孔注漿未能沿斷層帶擴散20 m以上范圍的情況。

4-3#孔平面位置位于巷道東側(cè)，與F1分支孔距離最遠，該側(cè)未施工斷層治理鉆孔。4-3#孔開孔后，水量不大，僅4.6 m3/h，當鉆遇斷層后，水量突升至27.2 m3/h，終孔水量為27.5 m3/h，預(yù)計該孔82.1 t注漿量主要受注段為該孔水量突增點即揭露F210斷層位置。同時該突變點與F1分支孔平面位置距離為23 m，但仍不能排除F1分支孔注漿未能沿斷層帶擴散20 m以上范圍的情況。

4-4#孔平面位置位于巷道東側(cè)，與F1分支孔距離較近。該孔在鉆遇F201斷層時水量未出現(xiàn)明顯變化，而是隨著鉆孔在含水層中延伸，水量逐步增大，判斷該鉆孔出水為揭露9下煤底板砂巖裂隙出水，非斷層出水。

4-5#孔平面位置位于巷道東側(cè)，與F1分支孔距離較遠。該孔在鉆遇F201斷層時水量未出現(xiàn)明顯變化，而是隨著鉆孔在含水層中延伸，水量逐步增大，但水量較4-4#孔小，判斷該鉆孔出水為揭露9下煤底板砂巖裂隙出水，且前期4-4#已對該區(qū)域水進行了疏放，非斷層出水。

井下鉆孔最大出水量和注漿統(tǒng)計如圖10所示。總體而言，井下斷層探查孔鉆遇DF2斷層后出水量明顯小于F201斷層，主要原因是地面斷層治理孔是自東向西治理斷層，即斷層治理孔先揭露DF2斷層后，揭露F201斷層，在注漿治理過程中，大量漿液先進入DF2斷層，后進入F201斷層，且進入DF2斷層的注漿量會明顯多于進入F201斷層的注漿量，導(dǎo)致井下前探孔水量存在差異，因此后續(xù)對斷層組進行治理時應(yīng)在前遇斷層治理達標后再治理后遇斷層，以實現(xiàn)斷層組的預(yù)期治理效果。

圖10 井下鉆孔最大出水量和注漿統(tǒng)計Fig.10 Maximum borehole water output and grouting statistics

5 結(jié) 語

在此次地面定向靶向治理導(dǎo)水斷層技術(shù)實踐中，為確保井下一盤區(qū)西翼膠帶機巷安全通過DF2斷層，設(shè)計2個地面定向長鉆孔F1、F2，對DF2斷層組進行治理，并在膠帶機巷掘進的過程中使用井下前探孔的方法對斷層治理的結(jié)果進行探查。從井下前探孔的探查結(jié)果可以看出，地面定向長鉆孔在對DF2斷層進行注漿治理時，斷層附近泥漿擴散具有不均一性，這表明該9下煤底板導(dǎo)水裂隙或孔隙的分布具有各向異性。通過這項工程實踐可以得出，井下前探孔對于地面定向長鉆孔進行斷層治理至關(guān)重要，井下前探孔不僅可以對該斷層治理效果進行評價分析，還可以對該斷層治理中不足的地方進行二次加固，是保障井下安全生產(chǎn)的重要手段。在膠帶機巷掘進過程中通過DF2斷層時，揭露斷層無水，斷層帶中有水泥結(jié)塊，表明斷層帶被水泥漿充填加固徹底，治理效果較好。