定向水平井封堵薄灰残余出水点技术研究与实践

2021-04-09郭庆武

煤炭与化工 2021年2期

郭庆武

（冀中能源峰峰集团有限公司，河北邯郸 056200）

1 概况

峰峰矿区是大水矿区，受煤系基底奥灰含水层及薄层灰岩含水层等影响，区内各矿尤其是老矿井涌水量普遍较大，给矿井排水带来了很大困难，也不利于地下水资源和环境保护。积极开展出水点封堵方面的研究，降低矿井涌水量，具有十分重要的安全及环保意义。过去常用的堵水方法主要有井下施工堵水钻孔、地面施工垂直钻孔等。薄层灰岩含水层出水点因含水层厚度较薄、富水性及岩溶裂隙发育不均一等原因，一直是探查封堵的难点。峰峰矿区牛儿庄矿56603 工作面出水点水量5.7 m3/min，为过去注浆堵水工程未能实现彻底封堵的残余出水点，其确切位置等已无法确定，过去地面施工垂直钻孔探查效率低、准确性及效果差，井下附近出水点附近巷道也早已封闭，已不具备井下施工条件，因此常规堵水方法很难达到堵水效果。定向水平井技术在煤矿地面区域治理工程中的应用为该矿堵水提供了新的思路，以牛儿庄矿56603 工作面大青灰岩残余出水点的封堵为实例，介绍了定向水平井技术在煤系薄层灰岩含水层残余出水点封堵中的研究应用，以期对类似条件的出水点封堵提供借鉴。

2 出水点情况

2.1 突水过程简述

牛儿庄矿56603 工作面位于牛儿庄矿一水平南翼六盘区中部，开采6 号煤，煤厚1.5 m，倾角10°～20°，开采标高-69—-128 m，走向长度610～700 m，倾向长度90～180 m。煤层底板距大青灰岩含水层45 m，大青水位+120 m 左右。构造上，工作面为宽缓背斜构造，运料巷及溜子道分别沿上、下两条断层布置，其中与运料巷相邻的FY1 断层落差4 m 左右，运料巷基本沿断层布置，工作面位于断层上盘，面内地质构造则较为简单。

1993 年6 月工作面回采过程中发生突水，突水水源为煤系薄层大青灰岩水，突水通道为FY1断层，最大突水量达39.8 m3/min，稳定突水量25 m3/min，导致工作面停产。事故发生后，采用地面动水注浆的方案进行堵水，共施工地面钻孔12 个，进尺4 217 m。堵水工程结束后，出水量减小了19.3 m3/min，但仍有5.7 m3/min 的残余水量，导致该工作面长期出水，给矿井的排水及安全生产工作带来了很大困难，矿井每年因该出水点增加的排水费用约365 万元。

2.2 出水点特征

2.2.1 出水水源

突水事故发生后，突水点南北邻近范围内，大青水位下降4.5～5.8 m，奥灰水位未发现任何变化。经水质化验，出水水质为低矿化重碳酸盐水，与该地区大青灰岩水水质一致。堵水钻孔注6 孔在大青灰岩层位注浆结束后，延深至奥灰含水层，奥灰顶部15 m 范围内裂隙发育程度非常微弱，钻进16 m 后才进入奥灰富水地段，钻进27 m 做奥灰水联通试验，190 h 后在与该矿相邻的五矿发现试剂，该矿始终未发现试剂。

通过水位观测、水质化验、连通试验等工作证实，该工作面出水水源为大青灰岩水，奥灰水未参与直接补给。

2.2.2 出水机理

56603 工作面西侧为FY1断层，工作面运料巷曾揭露该断层并沿断层布置，断层落差4 m 左右，走向NNE，倾向NEE，工作面位于断层上盘。断层面向工作面底板方向延伸，并发育至大青灰岩。

初始应力状态下，FY1断层及次生裂隙被泥质充填胶结，断层面不构成导通大青灰岩和工作面的通道，所以工作面运料巷在掘进揭露该断层时并未发生出水现象。随着工作面的推进，围岩应力状态重新分布，底板应力释放，使采空区部分泄压，采壁边缘及上下两巷煤帮侧内部增压，产生的剪应力使底板岩层产生剪切变形和错位。自然状态下，工作面采动造成的底板破坏深度较小，不会导通下伏的大青含水层，所以工作面接近FY1断层前并未发生出水情况。但当工作面接近该断层时，FY1断层逐步成为剪应力最为集中的地段，断层面相对比较薄弱，其上下盘便产生错动，使两盘由胶结状态转化为张开状态，为大青水沿断层面上升提供了通道。由于底板大青灰岩水水头高度远高于工作面标高（高190 m 左右），在矿山压力和底板高承压水的联合作用下，大青灰岩水沿着断层面导升并进入工作面发生突水。随着大青灰岩水对断层裂隙的不断冲刷，原本充填于断层裂隙的物质被水流带走，突水通道进一步扩大，导致突水量不断增加。

2.2.3 残余出水点位置较分散

56603 工作面第一次进行堵水共施工地面钻孔12 个，总进尺4 217 m，注水泥4 893 t，水玻璃552 t，石子 313.86 m3，砂 1 209.2 m3，布条 603 kg，共减少水量19.3 m3/min，残余水量5.7 m3/min，堵水效率77%。由于基本完成了堵水任务，残余出水通道主要为浆液未覆盖到的小型通道，这些通道过水流量小，位置较为分散且难以确定。如果继续施工堵水钻孔，探查治理难度极大，经济上也不合理，因此堵水工程结束。

3 堵水方案的提出

原堵水工程已经证明，如果仍采用地面垂直钻孔对残余出水通道进行探查封堵，探查封堵难度极大。出水点所在采区也早已开采完毕，已不具备施工井下钻孔的条件。

定向水平井技术在煤层底板含水层治理方面得到了广泛的应用，该技术实现了钻孔在目标层位的长距离顺层钻进，提高了对导含水裂隙的探查效率。该矿堵水项目引入该技术对残余出水点实施封堵具有以下优势：①本区地层产状较为稳定，大青灰岩沿断层走向沿断层走向方向连续性较好，有利于钻孔孔沿大青灰岩长距离钻进；②大青导水裂隙以高角度裂隙为主，一般贯穿大青含水层顶底面，且水平方向延展较远，水平孔沿大青灰岩顺层钻进几乎能够揭露钻孔附近所有导水裂隙；③大青灰岩厚度仅5 m 左右，而水平孔的注浆扩散半径一般在30～40 m，远大于大青灰岩厚度，通过注浆能在钻孔周围够形成长距离连续注浆帷幕。可通过利用水平钻孔对断层附近导水裂隙实施探查封堵，对附近大青灰岩进行改造，截断周围向断层的过水通道，可以达到堵水目标。

因此，此次堵水确定采用定向水平井技术对FY1断层周边的导水裂隙进行探查封堵，以实现封堵出水点的目的。

4 堵水方案

4.1 布孔方案

如图1 所示，本次堵水工程布置1 口地面主井注1 井，以大青灰岩含水层为目标层，以FY1断层突水点附近大青灰岩为治理区域，分支水平孔沿与断层走向平行方向布置，断层两侧各布置2 个分支，自东向西分别为注1-1、注1-2、注1-3、注1-4 孔，为保证注浆堵水的封堵效果，水平孔间距适当缩小，取15～20 m。

图1 钻孔布置Fig.1 Borehole layout

4.2 钻孔结构

钻孔采用二开井身结构。一开采用φ311.15 mm 牙轮钻头，进入稳定基岩10 m 后，下入φ244.5 mm 的表层套管；二开采用φ215.9 mmPDC 钻头/三牙轮钻头钻至造斜点后开始定向钻进，进入大青灰岩后完成造斜，下入φ177.8 mm 二级套管；三开采用φ152.4 mm 钻头，开始大青灰岩顺层钻进，并对漏失点进行注浆加固。预计整体工作量为1 470 m，其中直井段130 m，造斜段370 m，水平段969 m，4 个分支工程量分别为注1-1 分支274 m，注1-2 分支231 m，注1-3分支251 m，注1-4 分支213 m。

4.3 注浆方案

水平钻进过程中，采用分段下行式注浆法注浆，即遇漏失则进行注浆，根据漏失量大小确定注浆参数，待注浆压力及泵量达到结束标准后即可停止注浆，然后继续扫孔钻进，直至完成设计进尺。考虑到工作面一侧断层受力比较集中，对底板破坏大，导水通道位于该侧的可能性较高，首先施工作面一侧的M1 分支，如果堵水成功则工程结束，否则继续施工下一分支，直至堵水成功。

5 施工过程

首先施工注1-1 分支，一开用φ311.15 mm 钻进至56.45 m 后进入基岩，下套管φ244.5 mm 石油套管56 m。二开定向钻进至孔深352.17 m 时发生漏失，经堵漏后仍发生漏失，经分析为漏失点位于野青巷道上方，因此未能堵漏成功。随后封固200～352.17 m 孔段，从200 m 处重新侧钻，在该野青巷道上方上提10 m 绕开野青巷道，钻进至450.29 m 进入大青灰岩，下入φ177.8 mm×8.05 mm 石油套管450 m，二开完钻。

水平钻进过程中，注1-1 分支共揭露3 处较大大青灰岩漏失点，位置分别为477.56、649.13、676.92 m，其中477.56m处注水泥40t，砂子7t；648 m处注水泥830t；676.92m处注水泥5790t，该处注浆后井下涌水量减小4m3/min，说明该处应为出水点的主要过水补给通道。钻进至801m完成设计工程量后对全钻孔进行注浆，共注水泥1410 t。注浆后经井下涌水量观测，出水点已无涌水，实现彻底封堵。

由于注1-1 分支完成后已实现出水点的彻底封堵，达到堵水目标，故没有继续施工其他3 个分支。整个工程共完成主孔进尺56 m，造斜孔进尺472 m，1 个分支水平孔进尺351.69 m，共注水泥8 030 t，沙子、料石等骨料约40 t。