地面定向分支孔施工技术在矿区注浆堵水中的应用

王文杰

（安徽省煤田地质局第三勘探队，安徽 宿州 234000）

定向分支钻机技术是一种较新的矿区制造技术，在世界乃至我国都有着广泛的市场和应用。在实际工作中，大多数矿区企业都会选择注浆的处理方法来封堵底板含水层中的淤泥，改造含水层状态。结合土壤中含水层的特性、突水点土壤的流量和温度变化、钻孔能否正常使用等因素，选择合适的注浆浆液和配比，达到堵水的主要目的。定向分支钻进法使钻孔位置的选择更加灵活，优化了注浆堵水的工作方式，提升其工作质量，且有着成本低、操作简单、适应性强的优点。

1 工程概况

2020年，采用容积法计算某矿区突水量为4015m3/h，经取样试验，水源为寒武系灰岩。矿区组织专家论证水处理方案后，顾虑到动态水注浆施工难度相对较大、矿区排水成本高，选择采用静态水注浆，矿区主动放弃排水，矿区被淹。灌浆堵水工程采取截流施工方案，共布置7个钻孔，其中截巷孔4个，堵水孔3个，工期为4月余。

2 工程地质和水文地质条件

简易水文地质观测也是矿区注浆堵水工程的关键性工作之一。详细的数据观测节点归纳如下：起下钻之后、起下钻之前；连续钻井时，每2小时观察一次钻井液液位；钻至目的层时，观测频率改为每次1小时；钻进寒武系系灰岩含水层时，观测频率改为每0.5h观测一次。矿区位于南部松集构造区，为板内构造区。大体情况为东西向向北倾斜的单斜构造，倾角西陡东缓。地层走向68°～85°。趋势338°～355°，倾斜度14°～22°，通常情况大约在20°，区内构造以断裂为主，其次为宽缓起伏，区内多数构造形式为褶皱、断裂和滑动，这个矿区的水文地质类型极为复杂。据记载，矿山历史上曾发生过几次较大的突水事故，如井底发生突水，涌水量1330m3/h，造成井淹，导致2次水平贯通，全线禁停。

3 堵水施工难点

岩中乡站地层主要分布在火山岩组L7灰岩下的-7矿、砂岩和泥岩，距寒武系灰岩顶部24.9m，抗压强度较低。突水发生以前，巷道底鼓、侧裂严重，突水点及导流通道不清，地面立孔施工导流通道不容易暴露。在突水点以上和采空区附近，地面施工中的钻孔往往穿过采空区，将采空区破碎带取下。钻孔穿过采空区时，容易造成钻孔偏位、卡钻、埋钻等事故，给施工带来困难，岩巷突水水源为寒武系灰岩岩溶裂隙水，灰岩岩溶发育异常，流动裂隙难以识别[1]。

4 定向分支孔适宜性

定向多孔钻机施工过程中的分支多孔钻进技术可采用“弯曲螺杆+无磁钻铤+普通钻具+测斜仪+泥浆循环系统+钻机”完成，如图1。定向钻具上的螺杆与螺杆之间采用滑动丝绳连接，能有效地保持钻具的静止。水泥浆泵压力提供的定向动力，可以促进定向钻头的快速旋转，然后通过手动操作定向钻头和仪器来调整定向钻头的方位，使之轻松钻进固定方位[2]。与其它传统的单层直孔法和该施工方法相比，具有以下优点：①既能有效克服施工场地和地层结构复杂的局限性，又具有良好的适用性和适用性；②大大提高了单层多孔材料在建筑工程材料中的利用率，有效地实现了一孔多用，降低了部分工程造价；③提高出水口附近整个含油排水层的出现概率，形成网状地层覆盖出水口附近整个含油排水层，提升整体堵水施工的成效。

图1 分支孔定向钻进立体示意图

5 定向分支孔设计

在本次矿区注水注浆底板桩洞壁封堵及防水加固工程中，共布置定向、倾斜贯通巷道专用注浆底板孔4个。一通一孔多用。巷道掘进成功后，注浆底板水平向下，并通过扩大深度进行加固。每条钻井路线有3个钻孔封堵源头，共7个钻孔。钻孔具体位置框图见钻机总体平面结构布置设计图。为及时检查排除造成突水的暗渠排水管沟和暗渠排洪管沟的裂缝，以保证堵水效果和排水质量[3]。本次设计分支式钻孔的底部分别设有注5、注6、注7三个堵源钻孔，先施工注5孔的3个分支孔，再施工6个分支孔，最后施工注7孔的3个分支孔，以便进一步加固检查。

6 分支孔施工

6.1 施工难点

定向钻进主要采用“弯曲螺杆+无磁钻铤+普通钻具+测斜仪+泥浆循环系统+钻机”的方式，需要拥有一定的倾斜段才能到达目的区。由于上部定向支之间有采空区，预留定向横支上部施工区洞段高度一般只有100m上下。按照原有的施工实践经验，也是在上部施工区的机械设备和施工钻具能相互推动的条件下，在定向支护施工时，上部支护的最大施工倾角不应大于10°，最大定向水平施工方向偏差的施工距离不应小于或大于10m。另外，由于整个钻井工程所需的所有斜段钻井导轨的勘探深度范围均在30m～50m之间，因此只需将导轨斜段钻井位置固定在钻井深度应小于几百米的空旷处即可，使整个钻孔的探孔倾角达到最大深度30m以上，目测施工工程难度较大。

6.2 施工组织与技术处理

在定向分支和多孔定向钻进过程中，由负责定向钻进施工的专业技术人员随时对钻进情况进行检查和监测，以利施工，实现定向钻施工前的现场实时检查和全过程监控[4]。由于现有井下钻具组合刚性大，低速小角度定向钻施工难度大。在工艺细节方面，我们对定向钻的各种工艺技术要求进行了多次优化和重大改进：①在地下地面上，定向钻经纬仪、水准仪等设备可作为辅助定向钻工具，与井下定向钻连接集成，保证井下分支和多孔定向钻的最高精度。②为有效保证定向测斜施工的工作效果，应增加定向测斜点的数量，并将定向测斜点的定向间距由30m逐渐减小到9m。为真正满足定向测斜施工的基本要求，技术人员应每9m进行一次测斜仪定向点检测或测斜，以提高定向测斜施工的工作精度；③密切关注各方向施工支线定向测斜仪的工作效率，及时自动调整钻机的泵压、液压功率和总流量；④随机钻孔实时监控，连续定向纠偏，实时自动监控，各种施工参数自动调整。以5-1牙轮钻头直径深度为例：钻头达到标准设计钻深后，多次复测牙轮钻头终孔倾斜距离：钻进方向为122.5°，最终钻孔角度可达47°，偏斜距离可达37.5m。各方向分支孔的运动方向差和方向偏差完全满足机械设计的标准要求（见表1）。

表1 注浆堵水工程分支孔参照统计表

7 施工效果分析

本次灌浆施工共完成7个钻孔，向含水层内灌注混凝土8750t，采用冷灰岩，共施工7个分支钻孔。5-1～7-3分支孔共注入水泥16265t。施工后，各支洞含水层灌浆量比上年增至180%，特别是6-1分支孔，定向钻深度为519.02m～537.00m时，泄漏量应大于50m3/h。通过研究分析认为，高速出水的主要排水通道是灰岩中的溶蚀缝，当钻孔进入50m～70m冷灰岩段时，溶蚀缝极为发育。6-1支洞共投入水泥1.5万吨、粉煤灰9850吨、促进剂13.5吨、水玻璃19.5吨、食盐17.5吨、三乙醇胺3吨、锯末16.5吨，对污水封闭处理的成功起到了不能缺少的推动作用。目前，检查矿区已顺利完成后续排水工作，并进入巷道回采阶段。出水口剩余流量平均值为0，封堵率可达100%，经实践证明了出水口附近的水流裂隙可以进行有效的封堵，此次实践注浆堵水十分成功[5]。

8 结语

随着定向分支钻进技术的广泛应用，我国矿区开采在许多特殊情况下都能顺利实施。综合注浆堵水工程的现实状况，在现有定向施工技术的基础上，探讨了延中隧道钻灌工程定向支洞技术提高施工精度的措施，以达到大倾角、高水平偏移定向支洞的施工目的。通过定向支盘注浆和堵水加固措施，可提高超注浆堵水工程的施工效果，且在复杂地质环境下，定向支洞技术也有着很强的可执行性及可操作性。定向支洞技术节约了水利建设，降低了水利建设成本，为矿区成功控水提供了强有力的技术支撑，赢得了企业与矿区的高度认可，取得了良好的经济效益，对地面钻探水利工程和地面灌浆工程具有重要意义。当前，此项技术的主要研究方向和重点是机械设备的改进和创新，并积极尝试提高其相关作业的自动化水平，推进定向分支钻进技术的实际应用，提高矿区的生产力。