水平分支孔定向钻探技术及其在煤矿水害防治中的应用——以东庞煤矿ZKxx3孔钻探施工为例

叶兰肃,马卫东，王雷浩,南 方

(1.河北省地矿局第七地质大队，河北 廊坊 065201；2.河北省地矿局第九地质大队，河北 邢台 054000；3.武汉大学资源与环境科学学院，湖北 武汉 430070)

0 引言

东庞煤矿属隐伏煤田，其工程地质、水文地质条件比较复杂。矿区内断层、褶皱发育，尤其是隐伏导水构造(特别是导水陷落柱)的存在，以及井田范围内存在的30 个封闭不良或封孔资料不清的钻孔，成为开采2#煤层的潜在威胁，严重制约了煤矿的安全开采。原有的井下钻探注浆治理及地面传统的单孔注浆治理，已不能满足安全生产的需要。目前关于煤层顶、底板含水层防治，前人已开展了大量的研究工作。李晓龙等[1]、金鑫等[2]针对煤层底板奥灰水治理方案，开展了定向长钻孔适应性研究；林玉祥等[3]、吴玉华等[4]针对承压含水层开展实践治理；郑士田[5]针对两淮煤田煤层底板含水层开展了超前预测技术研究；王永全[6]对我国矿井水防控等问题进行了梳理分析，并提出矿井水防治技术方向和利用。基于前人研究实践工作基础，笔者针对东庞矿区2#煤层底板承压水害，利用水平分支孔定向钻进及高压注浆技术，超前改造煤层底板奥陶灰岩含水层，增加煤层底板隔水厚度及强度，以防治水害的发生，为2#煤层的安全开采奠定了基础。

1 矿区概况

1.1 矿区地质概况

东庞煤矿位于河北省内丘县大孟村镇吴村以西500 m。矿区地表均被第四系松散沉积物所掩盖，仅在井田西部边缘有基岩出露。其位于新华夏系第二沉降带与新华夏系第三隆起带的过渡地带，受我国东部中新生代多次构造运动的影响，尤其是受到新华夏系的强烈改造，矿区中部断裂带构造发育，以断层为主；北部波曲区断层和褶皱都很发育；南部单斜区陷落柱最为发育。在勘探深度范围内，揭露的矿区地层由老至新依次为：太古界赞皇群、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、第三系、第四系地层。第四系为黄土层；二叠系为砾石层、细砂岩、泥岩、页岩；石炭系分为本溪组和太原组，地层厚度91.22～186.75 m，平均厚度147.51 m，岩性以灰、深灰色粉砂岩和灰、浅灰色细粒至中粒砂岩为主，局部分布有粗粒砂岩或含砾粗粒砂岩。奥陶系包括峰峰组和上马家沟组，奥陶系灰岩主要以蓝灰及浅灰厚层状灰岩、白云质角砾岩、花斑灰岩为主。采空区岩石成分复杂主要为细砂岩、砂质泥岩；煤层与含水层之间主要岩性为铝土泥岩、泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩、灰岩以及破碎带等隔水层。矿区含水地层结构见图1。

1.2 含水层及水害特点

东庞煤矿处于百泉水文地质单元的西北边界地段，含水层分为孔隙、裂隙、岩溶裂隙含水岩组三种基本类型。奥灰含水层为强含水层，含水丰富，在导水构造影响下，成为上覆各含水层的潜在补给源和矿井的间接充水水源，2003 年4月2903工作面掘进过程中揭露编号为X7的隐伏陷落柱时，发生奥灰特大突水事故，瞬时最大突水量达到7.0×104m3/h。开采2#煤层，受采掘破坏或影响的含水层为顶板砂岩裂隙承压含水层、野青灰岩岩溶裂隙承压含水层、第四系底部砂砾层含水层，均以静储量为主，矿井最大涌水量 466 m3/h，平均324 m3/h，对煤矿的安全开采存在较大隐患，防治水害工程艰巨。

2 钻探技术实施背景与项目概况

2.1 钻探技术实施背景

在前期的采掘活动中，东庞煤矿因多次水患影响煤矿正常的开采。矿井进入-480 m生产水平后，2#煤层底板奥陶灰岩含水层水压逐渐增大。近几年来，对东庞矿北井9400采区2#煤层奥灰含水层区域实施底板注浆改造加固。

但是随着采掘深度的不断加深，煤层底板奥灰岩水压不断增大，底板注浆加固治理效果逐渐变差，常规的煤层底板注浆加固技术，已无法满足该区域水害防治的需求。经深入分析研究，主要原因是钻孔轨迹不可控，注浆孔终点偏差太多，存在注浆盲区，钻探工作量加大，施工人员劳动强度高[7]，现有的地面及井下注浆系统不能满足大容量高压注浆的要求等[8]，只有采用创新水害防治方法，选择更先进的水害防治技术，才能彻底消除2#煤层底板的奥灰含水层突水威胁。

2.2 技术原理与特点

水平分支孔定向钻探技术在煤矿水害防治中的运用，是将地面定向钻探技术与地面注浆技术有机结合，实现煤矿奥灰含水层区域水害超前注浆治理。地面定向钻探施工包括钻进直孔段、造斜孔段及水平分支孔段。本次在东庞矿北井9400采区2#煤层奥灰含水层区域钻进，在水平分支孔进行高压注浆封堵，通过8个分支孔的“探注结合”施工，有效封堵2#煤层底板奥陶灰岩含水层区域中的断层、陷落柱等构造导水通道和富水层段，在煤层底板形成一个整体梳状的水泥止水板，以消除煤层底板高压突水威胁。

该定向钻进技术可准确探测煤层工作面的构造及煤层底板倾向、走向及标高情况[9]，属于精准定向钻进技术[10]。采用复合定向钻进方式实现复合碎岩[11]和“有滑有转”间歇造斜[12]，大幅度降低施工时的摩擦阻力，提高钻进效率。与常规水害防治技术相比，水平分支孔定向钻探技术有以下突出特点:

(1)实现随钻测斜，能有效控制钻孔轨迹满足钻孔设计要求；

(2)实现了“探注探治”结合，多个水平分支孔形成梳状大面积封堵层，实现煤矿水害的主动预防与治理[13]，能够高效防治煤层底板突水事故的发生；

(3)降低钻探工作量和工人劳动强度，提高经济和环保效益。

2.3 项目概况

对东庞矿北井9400采区奥灰含水层区域注浆改造一期工程ZKxx3孔钻探工程进行设计与施工。

(1)主要工程任务

主孔与水平分支孔，总进尺6 028 m；注浆前的洗井及注浆后扫孔；地层异常等特殊情况，需负责取岩(煤)屑、取水样等工作。

(2)工程目的

注浆充填奥陶系灰岩上部溶隙和裂隙，封堵断层等构造薄弱区段。

(3)工程工期

ZKxx3孔场地平整及设备进场，工期15天；主孔及其分支孔纯钻探工期150天。

3 水平分支孔定向钻探设计

3.1 钻孔深度

主孔直孔段200 m，造斜孔段360 m，自2#煤层底板以下20 m开始造斜，进入奥灰顶界面以下25 m进行水平分支孔施工。

3.2 钻孔数量与布置

(1)钻孔数量：1个主孔、8个水平分支孔。

(2)主孔布置在探查层位倾向的上方，分支孔沿地层倾向布置。

(3)水平分支孔呈梳状分布，与裂隙、导水构造等发育方向呈垂直或斜交，空间位置选择在奥陶系灰岩以下25 m左右。钻孔布置结构示意图见图2。

图2 钻孔布置示意图Fig.2 Drill hole layout

4 水平分支孔定向钻探施工

4.1 施工设备

根据钻孔设计深度、现有设备、施工经验和钻进方法等，施工主要设备包括地面电脑处理系统及TSJ2000钻机、3NB500型泥浆泵、3D5/40型供水高压泵、无线随钻测斜仪(DMWD-C1)、方位伽马探管、单弯螺杆马达(1.5°、1.25°)、钻杆及无磁钻铤、水力振荡器及制浆注浆设备等。施工中优选使用PDC钻头，其适宜煤矿复杂地层条件，寿命长、岩性适应性广、便于实现定向造斜钻进[14]。

4.2 钻孔结构及钻具组合

钻孔为四开结构，采用三级技术套管护壁措施，每级下入套管后，用水泥做永久性固管，通过图3、表1和表2，能直观看到ZKxx3主孔施工地层及钻孔轨迹、钻孔结构及钻具组合数据。

表1 钻孔结构数据一览表Table 1 List of drill hole structure data

表2 钻具组合一览表Table 2 Drilling rig assembly

图3 定向钻探施工示意图Fig.3 Construction sketch of directional

4.3 技术关键

造斜、测斜及定向控制调整是水平分支孔定向钻进技术的关键。直孔段及造斜孔段关键点控制坐标差≤0.5 m；水平偏差和垂直偏差均≤1.5 m。钻孔着陆点前钻孔轨迹参数见表3。

表3 ZKxx3-着陆点前钻孔轨迹数据一览表Table 3 ZKxx3-list of borehole trajectory data before landing

(1)造斜

螺杆钻具以2 m/min的速度均匀送入孔内，禁止用转盘拧扣，避免马达倒转的发生。造斜点选择在稳定岩层(灰岩、砂岩)中，以避开硬、脆、碎岩层及矿化层不间断连续一次完成[15]。按设计要求将工具面向角固定在某一方向进行定向施工，随时调整工具面向角实现钻孔轨迹调整[16]。造斜孔段曲率半径为180 m左右，最大造斜率控制在8°/30 m。

(2)测斜

为提高钻孔定向精度，施工过程的定向和测斜采用泥浆脉冲式无线随钻测斜仪，泥浆脉冲发生器将井下探管测得的数据发送到地面，经计算机系统采集处理后，得到实时的钻孔轨迹参数。使用该类型测斜仪不但提高测斜定向精度，而且能根据测定参数，及时调整定向钻进的施工方案。依据监测实现钻孔轨迹实时监控、随时可控可调，能同时改变钻孔倾角和方位角。测斜时为避免磁场干扰，在孔底马达和随钻测斜仪之间连无磁钻杆。在钻头处装备了孔斜传感器，能随时将地层电阻率、伽马射线、转速等参数及时以冲洗液脉冲方式传到地面[17]。

(3)定向控制调整

根据测量参数及时调整定向钻进的施工方案。发现工具面向角反转泵压升高，及时顺时针旋转调整工具面向角，防止松扣。停泵测量时，会造成反扭角改变，要对孔底马达反扭角进行定量计算或根据钻孔实际状况进行预测。工具面向角对倾角变化和方位控制的影响比较大，若工具面向角B=0°或B=180°时其效应是全力造斜上仰或全力降斜，若工具面向角B=90°，为全力增方位，B=270°，为全力降方位[18]。主孔及水平分支孔全角变化率保持在30～35/100 m；控制实际钻孔轨迹与设计钻孔轨迹误差≤1.5 m。

4.4 水平分支孔施工

开水平分支孔位于奥陶灰岩顶界面以下25 m稳定岩层，轻压慢进，避免提拉钻具，开水平分支孔钻进2～3 m之后，立即调整工具面向角使钻孔轨迹沿设计轨迹继续延伸；每个水平分支孔完成后做压水实验，满足地层吸水率要求后进行全孔注浆，凝固3天后检查注浆效果。然后按照水平分支孔施工、注浆顺序完成后续分支水平分支孔的钻探与配合注浆工作。

为检验数值计算结果的可靠性，将两处地表GPS监测点的计算位移与实测位移进行对比分析(见图12和图13)，可得以下基本认识：

(1)水平分支孔分支方法。采用悬空侧钻分支法，当钻具下至预开分支点钻出新的水平分支孔，相同深度的测斜数据不同，则表明开水平分支孔成功。

(2)水平分支孔施工顺序与水平分支孔间距。施工顺序从最远端钻孔开始钻进，注浆依次完成。水平分支孔间距控制在±50 m。

4.5 钻进参数

无论是垂直钻进，还是水平钻进，钻压、转速、泵量等参数是控制钻孔质量和效率的重要因素，应结合地层特点、孔深和孔径以及钻具重量灵活选择[19]，钻进参数见表4。

表4 钻进参数一览表Table 4 Drilling parameters

4.6 冲洗液

直孔段冲洗液以清水为主。水平分支孔采用无固相泥浆冲洗液，以生物聚合物、纤维素衍生物、合成聚合物以及弱凝胶作为增黏剂，配合使用改性淀粉、聚阴离子纤维素(PAC)、磺化酚醛树脂(SMP)等提高其降滤失性，用加重剂和盐调整密度，添加防塌抑制剂、润滑剂等使冲洗液具有良好的润滑性、抑制性和携砂性。冲洗液密度1.01 g/cm3，漏斗黏度20～22 s，表观黏度8 ηa,动塑比0.33 Pa/mPa·s,润滑系数0.08。

采用泥浆罐、搅拌器、振动筛、除泥(砂)器、除泥器等三级以上固控系统，对含沙量、泥饼等性能进行严格控制。

4.7 主要技术措施

(1)套管固定

用425水泥浆做全孔固定套管，水泥浆密度为1.85 g/cm3，水泥浆滤失量≤50 mL。注浆凝固72 h后，扫孔至套管外0.5 m，严格按规程做注水试验，观测8 h，水位下降不超过10 mm/h。

2#煤层存在采空区，有上部地层坍塌致使埋钻的危险，在钻进至2#煤层采空区下20 m后，洗井、扫孔，把冲洗液彻底替换完后下入套管，在采空区顶部位置的套管外部加分隔器。从钻杆内正注水泥浆上返进入环状间隙至采空区，正注结束后再进行反注，从环空间隙进行注浆，待水泥浆注入到分隔器位置后结束固井。

(3)水平分支孔减阻

为减少长距离水平分支孔钻具拖底摩擦阻力，创新采用水力振荡技术，在距离钻头180 m处安设一个水力振荡器，使用中保持其工作时间不超过120 h，实践证明振荡器能减少拖底摩擦阻力30%～40%,提高了钻进效率。

(4) 精确注浆

注浆采用自动化程度高、劳动强度低、污染小[20]的注浆车系统(图4)精确造浆及实时注浆监控技术，该技术可达到1.5 m3/min的注浆能力，最高压力达 38 MPa，实现了浆液实时准确控制。

图4 注浆车系统组成示意图Fig.4 Schematic diagram of grouting vehicle system

5 应用实例

ZKxx3孔实际完成工作量：直孔段215 m，造斜孔段327 m，水平分支孔8个，完成总进尺6 028 m。通过定向钻探施工超前注浆充填奥陶系灰岩上部溶隙和裂隙，封堵断层等构造薄弱区段,对煤矿安全生产提供了强有力的技术支撑。

近3年来，在邯郸、邢台、淮南、山西等地承接地面多水平分支孔工程项目11个，完成钻探进尺约 81 400 m，其中主/斜孔段钻探进尺19 400 m，水平分支孔钻探进尺61 000 m，水平分支孔最长达 1 641 m(单孔延深3 060 m)，孔斜最大达105°，方位变化量最大达330°。邢东矿区域，通过对2.3 km2受水害威胁的区域实施治理，保证7.746 8×106t煤炭资源实施安全开采。

6 结论

(1)实践证明，随钻定向钻进，可随时掌握钻具方向，根据实际情况及时分析孔内情况及时调整，钻孔轨迹易达到设计要求成功率高。

(2)螺杆钻进在保证钻孔安全的情况下使用流变性好的泥浆，使用除砂器，及时清理泥浆循环系统，降低含砂量。

(3)形成了适应于东庞矿区奥陶灰岩含水层区域中的断层、陷落柱等构造导水通道和富水层段，煤层底板定向钻进技术，为类似煤矿防治水害定向钻孔的顺利施工提供了技术指导。

(4)多分支水平孔定向钻进技术注浆压力高、流量高、连续性强，大幅度提高了矿井防治水工作效率和防治效果，降低了井下钻探注浆施工存在的安全隐患。通过该钻孔的施工，积累了丰富的施工经验，创造了较好的经济效益和环保效益。