基于水平取心的煤层底板注浆加固检验方法研究及应用

张彪，王越

（北京大地高科煤层气工程技术研究院，北京 100040）

基于水平取心的煤层底板注浆加固检验方法研究及应用

张彪，王越

（北京大地高科煤层气工程技术研究院，北京 100040）

地面多分支水平井钻井煤层底板注浆加固技术的研发和推广应用，有效消除了奥灰水灾害性突水通道，实现了奥灰水害区超前带压开采。目前一些对加固效果的检验方法，虽然可在一定程度上验证注浆改造效果，但对于加固后阻水能力的评价方面稍显不足。基于底板注浆加固检验需要，研发了适用性的水平井取心工具，并进行了取心试验，岩石力学测试结果表明，底板注浆后抗压能力显著提高。将本方法与已有方法相互结合，优势互补，可形成较为完整系统的煤层底板注浆加固检验技术体系，保障煤矿生产安全。

煤层底板注浆加固；检验方法；水平取心；取心工具

0 引言

随着我国经济快速发展和煤炭大量的使用，我国中东部煤矿区大部分矿井浅部煤炭资源枯竭，开采向深部发展，部分已超过1000 m。随着开采深度的增大，煤层底板隔水层承受的水压逐渐增大，开采的突水可能性逐渐增加。华北型煤田煤层与含水层关系复杂，采煤与岩溶水保护矛盾突出，随着煤矿开采向下延伸，矛盾将进一步加剧。由于下组煤距离奥陶系灰岩含水层较近，大部分华北型煤田开采下组煤将直接破坏岩溶水含水层，造成底板突水事故。

将地面多分支水平井钻井技术应用到煤层底板注浆加固施工，极大的消除了奥灰灾害性突水通道，实现了奥灰岩溶水害区域超前治理，保证了下组煤及深部煤炭资源安全带压开采[1-3]。为了验证加固效果，目前常用的方法主要有：单孔压水试验、井下钻探验证及综合物探等方法[4]，这些方法能在一定程度上说明注浆改造的效果，而在底板阻水能力评价方面稍显不足。煤层加固底板阻水能力评价最为直接、最有有效的方法就是通过水平井取心，对已加固底板力学强度进行分析，验证底板阻水防突能力。

1 水平取心工具研发

水平取心工艺在油气勘探领域已发展30余年，大庆、胜利、辽河及四川油田已研制了较为先进的水平井取心工具。

煤层底板注浆加固取心不同于石油水平井取心：注浆加固钻井施工设备施工能力较弱，一般很难满足石油取心施工要求；加固钻孔施工主要针对的灰岩裂隙、溶蚀发育带，钻井液漏失严重，钻进及取心施工难度大；注浆加固钻井主要施工对象为裂隙发育带和注浆后的加固岩层，注浆前后岩石完整性和力学性质变化大。普通钻头在钻进过程中钻进速度较慢，且使用寿命较短。在水平段取心，受钻杆柔韧性和钻孔对钻杆磨阻的影响，会造成钻头受压和割心不稳定，同时对井眼轨迹影响较大。

为满足煤层底板水平井钻井需要，研发了基于注浆加固施工的水平取心工具（图1）*，该取心工具特点及主要技术参数如下。

图1 取心工具Figure 1 Coring tools

①取心钻头。针对钻取的样品的特征选择了高强度金刚石复合片作为切削刃，同时提高钻进过程中的自扶稳定性。胎体抗弯强度高于981.37 MPa，比标准要求提高48.79%～85.16%，抗冲击韧性达到标准要求的2～3倍，提高了耐磨性、抗冲蚀性、侵剂性和硬度。同时改进了刀翼角度，增加了后排齿、保径齿和倒划眼齿。实现了钻井稳定，保径面积增大，钻井跳动大大减少，提高了钻井速度。

②管单动装置。该装置是钻取井内样本的容纳部位。取心装置在井内水平段时由于重力作用，会躺卧在井壁底，在取心过程中有降斜趋势，增加了取心难度，为此，在钻头和内管之间设计安装了内管扶正器。该扶正器为一个多列滚珠组合型扶正器，它由主体和多个滚珠组成，主体上加工的多列水槽和滚珠槽。水槽用于通过取心器与外管之间的钻井液，滚珠槽内镶嵌多个滚珠用于扶正内管。

③外管扶正接头。其外径与钻头外径一致。当取心装置在水平井段内躺卧状态时可防止降斜趋势。

新型水平井取心装置在水平井段内躺卧状态时，其整体可防止降斜趋势，内管扶正器支承内管，摩擦力小、转运灵活稳定。由于滚珠与内管之间以点接触，即使由于钻井液中的细粒砂子卡住滚珠，也不会影响内管的转动，克服了滚柱式轴承扶正装置的缺点。

2 取心及力学性能测试

对注浆孔进行取心，通过岩心岩石力学分析，测定底板抗压能力，从而评价注浆改造效果。研究选择峰峰集团九龙矿15445N工作面注1孔进行取心及力学性能测试。自2014年11月开始在每个分支孔注浆施工结束后一个月进行注浆效果验证取心，对岩心分别取样，进行抗压强度测试，取心情况及测试结果见表1。

表1 钻孔取心测试结果Table 1 Borehole coring tested results

底板加固后水平井取心岩石力学分析结果表明，五个分支15块岩石抗压强度为19.1～69.4 MPa，平均34.2 MPa。

3 注浆加固效果评价

峰峰集团九龙矿的水文地质勘查及相关研究结果表明：在底板完整情况下，底板可承受水压为20 MPa左右，但是在构造、裂隙影响区域，底板隔水能力将消减为1/3，即其抗压强度为7 MPa左右，多个钻孔实际承受水压接近甚至超过隔水层可承受压力（表2）。

表2 钻孔煤层底板破碎带厚度及阻隔水能力Table 2 Borehole coal floor fracture zone thicknesses and water confining ability

4 结语

通过研发水平井取心工具，进行注浆加固钻孔取心，进行阻水性能评价，进一步证实了多分支水平井煤层底板注浆加固技术的有效性和可靠性。此技术可以与已有技术结合，具备以下优点：①通过注浆后压水试验，对加固区进行钻井探测，验证注浆加固效果。②通过水平井取心，对已加固底板力学强度进行分析，验证底板阻水防突能力。③对比研究临近矿井和注浆矿井水水质特点及涌水量变化特征，验证导水通道封闭效果。将物探、钻探等技术方法相互结合，优势互补，形成较为完成系统的煤层底板注浆加固检验技术体系，验证加固效果，保证煤矿生产安全。

[1]赵庆彪.奥灰岩溶水害区域超前治理技术研究及应用[J].煤炭学报，2014，39(1):1112-1117.

[1]赵庆彪.奥灰岩溶水上带压开采区域超前治理防治水技术[J].煤炭科学技术，2014，42(8):1-4.

[3]赵鹏飞，赵章.地面水平分支孔注浆超前治理奥灰底板突水技术[J].煤炭科学技术，2015，43(6):122-125.

[4]李冲.深部矿井奥灰水害防治技术[J].煤矿安全，2016，47(5):101-103.

[5]王玉玺，王晓舟，张洪君，等.大庆油田水平井长段连续取心技术[J].西部探矿工程，2009，2:67-69.

[6]陈晓林.国内水平井定向取心技术及工具[J].探矿工程(岩土钻掘工程)，2007，9:75-77.

Study and Application of Coal Floor Grouting Reinforcement Testing Method Based on Horizontal Coring

Zhang Biao,Wang Yue
(Beijing Dadi Hightech CBM Engineering Technology and Research Institute,Beijing 100040)

Popularization and application of the surface multilateral horizontal well coal floor grouting reinforcement technology has effectively eliminated hazardous water bursting channel of Ordovician limestone water with realizing advancing compensated mining of hazardous area.Although available reinforcement effect testing methods can verify grouting reconstruction effect to a certain extent,it is slightly inadequate on the assessment of water-resisting ability after reinforcement.Based on the need of floor grouting reinforcement testing,suitable horizontal well coring tools have been researched and developed,and coring test has been carried out.Rock mechanical testing results have shown that the compressive strength obviously enhanced after floor grouting.Combining this method with existing ones complements each other's advantages,which can form relatively complete floor grouting reinforcement testing technology system and guarantee coalmine production safety.

coal floor grouting reinforcement;testing method;horizontal coring;coring tool

TD745；P634.4+.3

A

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.01.12

1674-1803(2017)01-0057-02

北京市科委重大科技成果转化落地培育项目（Z141100003514016）资助

张彪（1984—），男，安徽萧县人，工程师，从事非常规油气勘查、矿山地质灾害评价治理等工作。

2016-08-08

责任编辑：樊小舟

*：申请并获得国家专利（编号：ZL 2015 2 0309822.8）煤层底板注浆加固后，岩心岩石力学试验结果表明，加固后岩石抗压强度显著增强，平均抗压强度34.2 MPa，超过奥陶系含水层水头压力，说明注浆加固效果明显。