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《建井技术》论文模板
煤层底板薄层灰岩地面定向孔注浆技术
高 尚1,2，孙晓宇1,2，戴亚男1,2，李鹏洋1,2，梁 敏1,2，李 恒1,2
（1.煤矿深井建设技术国家工程实验室，北京 100013；2.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013）
摘 要：为实现恒源煤矿II634、II635工作面的安全回采，对治理区域地层、地质构造
及水文地质条件做了详细分析，设计了构造发育区煤层底板薄层灰岩超前探查治理方案；并
且以克服注浆施工难点为出发点，研究了地层及构造探查技术和水平孔注浆技术。实际钻探、
注浆及验证效果良好，保证了治理区域巷道顺利掘进和主采煤层的安全回采。
关键词：水平孔注浆；煤层底板含水层；薄层灰岩；钻遇率；构造发育区
中图分类号：TD265.4+7 文献标识码：B 文章编号：1002-6029（2021）04-0000-00
Grouting Technology with Ground Directional Drilling Hole for Thin Limestone
of Seam Floor
GAO Shang1,2,SUN Xiaoyu1,2,DAI Yanan1,2,LI Pengyang1,2,LIANG Min1,2,LI Heng1,2
(1.National Engineering Laboratory for Deep Shaft Construction Technology in Coal Mine,Beijing 100013,China;
2.Beijing China Coal Mine Engineering Company Limited,Beijing 100013,China)
Abstract：In order to realize a safety mining of No.II634 and II635 coal mining faces in Hengyuan Coal Mine, a detail analysis was conducted on strata, geological tectonic and hydrogeological condition in the control area and a design was conducted on a pilot exploration and control plan of the seam floor thin limestone in the tectonic development area. Also to overcome the grouting construction difficulty as the start point,the paper had a study on the strata and tectonic exploration technology and the horizontal hole grouting technology. Good actual drilling and exploration,grouting and verification effect could ensure the successful driving of the gateway in the control area and the safety mining of the main mining seam.
Keywords：horizontal hole grouting;aquifer in seam floor;thin limestone;drilling-encounter ratio;tectonic development area
0 引 言
煤矿水害是仅次于瓦斯事故的重要灾害。随着煤层开采深度的增加，承压水害已成为华北型煤田深部开采的严重安全威胁[1]。淮北煤田属于典型的华北型煤层。
安徽恒源煤矿主采煤层为二叠系山西组6煤，煤层底板承受的太灰含水层组水压为3.9～5.3 MPa，隔水层厚度平均为46 m，对应突水系数为0.08～0.12 MPa/m，远超过《煤矿防治水细则》中规定的构造发育区临界值0.06 MPa/m。为避免煤层底板突水，保证巷道顺利掘进和煤层安全回采，恒源煤矿采用地面定向水平孔区域超前注浆防治水技术，对该矿II634、II635工作面6煤以下的L3灰岩含水层进行探查治理，在巷道开挖之前实施，不占用巷道掘进时间，具有施工速度快、注浆压力高、注浆量大、施工效率高的优点[2-3]，不仅实现了区域煤层底板超前加固，而且提高了施工效率及经济效益。
1 地质概况
1.1 地 层
II63采区中部的II634、II635工作面主采煤层为二叠系山西组6煤，煤层厚度1.50～5.03 m，平均2.95 m。煤层倾角2～26°，平均9.1°；局部因受地质构造影响，倾角可能高达30°以上，属全区稳定型可采煤层，煤层埋深720～800 m。钻孔揭露的地层有奥陶系（O1+2）、石炭系（C2+3）、二叠系（P）、新近系（N）和第四系（Q）；其中新生界厚度为146.80～217.60 m，平均厚度172.02 m。
1.2 地质构造
根据地面三维地震勘探资料，II63采区主要地质构造为褶曲及断层。褶曲构造为温庄向斜，断层40条。其中落差为10～20 m的断层11条，5～10 m的断层8条，3～5 m的断层14条，3 m以下的断点组合断层7条。II634、II635工作面横跨温庄向斜布置，呈“两端高、中间低”的形态，向斜轴部倾角高达约26°，发育落差大于3 m的断层13条，最大落差10 m，地质构造复杂。
1.3 水文地质
该采区主要含水层自上而下，分为5个含水层组，分别为第四系松散层孔隙含水组、下石盒子组裂隙含水组、山西组砂岩裂隙含水组、太原组灰岩岩溶含水组及奥陶系灰岩岩溶含水层。6煤底板直接含水层为太原组灰岩岩溶含水层组，灰岩共计12层，累计厚度约130 m。L1～L4灰岩含水层富水性较强，渗透系数为1.22～43.50 m/d，平均厚度分别为2.0、2.6、5.0、10.0 m，距6煤底板平均距离分别为47.8、55.4、65.0、75.0 m，为6煤回采主要威胁水源。无地质异常体条件下，奥陶系灰岩岩溶含水层与太灰水力联系较弱，基本无互补关系。
2 技术方案
2.1 钻探方案
2.1.1 钻孔布置
II634、II635工作面走向长1 750 m，倾斜宽360 m；结合治理区域的形态、构造发育特点及井下已施工的巷道群分布情况，布置3个主孔。其中，Z1主孔设计布置11个水平孔，Z2主孔设计布置8个水平孔，Z3主孔设计布置9个水平孔，共设计布置28个水平孔；通过直孔段、造斜段的施工，进入L3灰岩含水层，使钻孔在L3灰岩内顺层钻进。根据浆液扩散距离，水平孔间距设计为45～52 m，基本可实现治理区域全覆盖。钻孔平面布置如图1所示，钻孔设计参数见表1
图1 钻孔平面布置
表1 钻孔设计参数
主孔
编号 |
水平孔
个数 |
直孔段
长度/m |
造斜段
长度/m |
水平孔段
长度/m |
单孔最大
孔深/m |
| Z1A |
6 |
200 |
861 |
4 022 |
1 956 |
| Z1B |
5 |
860 |
3 640 |
1 925 |
| Z2 |
8 |
200 |
710 |
6 969 |
1 864 |
| Z3 |
9 |
200 |
823 |
5 137 |
1 750 |
| 合计 |
28 |
600 |
3 254 |
19 768 |
— |
2.1.2 钻孔轨迹
治理区域各主孔的直孔段长度约200 m；经过710～861 m造斜段的施工，形成水平孔，水平孔段长205～936 m。由于治理区域冲积层埋深较浅，冲积层底界至L3灰岩含水层基岩段较厚，为保证钻孔曲率合适，直孔段进入基岩约20 m时，开始造斜，造斜段造斜率为5.54°/30 m，各主孔靶前距260～440 m，钻孔轨迹如图2所示。
图2 钻孔轨迹
2.1.3 钻孔结构
根据治理区域地层特点，地面定向水平孔采用3级孔径、2层套管的三开钻孔结构[4-6]。即一开孔段和二开孔段均需下放套管，一开套管将钻孔与冲积层隔离，二开套管将钻孔与主要含水层及煤层等隔离，以保证钻孔的稳定及注浆效果[7]。三开为裸孔段，沿L3灰岩含水层顺层钻进；并通过注浆加固，改造含水层。钻孔结构如图3所示。
图3 钻孔结构
2.2 注浆方案
为保证注浆效果，治理区域内28个水平孔在L3灰岩含水层内顺层钻进，灰岩钻遇率保持在80%以上，并且钻孔轨迹尽量与主要断层构造带垂直或斜交。超前探查L3灰岩含水层裂隙及隐伏构造，采用分段“探注结合”的施工工艺；利用单液水泥浆，有效封堵L3灰岩含水层溶蚀裂隙、构造裂隙及断层破碎带等导水通道，从而达到区域超前探查治理的目的。注浆要求如下 [8-9]。
（1）注浆能力：注浆站水泥存储能力≥300 t，最大注浆量≥600 t/d。
（2）注浆前提：顺层水平孔无漏失或漏失量较小时，每100 m进行一次压水试验；钻井液漏失量≥15 m3/h，提钻注浆。
（3）注浆方式：孔口封闭静压注浆法。
（4）注浆浆液：单液水泥浆。
（5）结束标准：地面注浆孔孔口终压10～12 MPa，注浆泵量40～60 L/min，稳定时间≥30 min。
3 关键技术
3.1 地层及构造探查技术
3.1.1 L3灰岩含水层探查技术
太原组上部地层主要为L1～L4灰岩含水层及3层砂质泥岩夹层。其中L1～L4灰岩含水层厚度为2.6～10.0 m，砂质泥岩夹层厚度为5.6～7.0 m。灰岩具有厚度薄、层间距小的特点，给判断L3灰岩含水层带来了一定的困扰。首先，在造斜段钻进过程中，准确判断6煤标志层位；其次，在井斜65～75°孔段处，施工1个探查孔，分析L1～L4灰岩含水层埋深、厚度及相互位置关系；最后根据实际揭露的L3灰岩含水层埋深、厚度，优化钻孔轨迹。
3.1.2 薄层灰岩钻率保障技术
为了更好地控制钻孔轨迹，采用SMWD-76S型泥浆脉冲式无线随钻测斜仪（带γ探管，其技术参数见表2）[10]，不仅可以显示钻孔岩层的γ值，而且能随钻进作业，实时监测定向参数，及时调整定向设计方案。自然伽玛探管测井是以岩层的自然放射性为基础，沿水平孔井眼进行测量，并记录伽玛射线强度，通过泥浆信号实时传到地面。钻进过程中，将自然伽玛数据及实时岩粉进行对比分析，提高钻遇岩层判断的准确性；并根据对比分析结果，及时调整钻孔轨迹，保证在目的层钻进。
表2 SMWD-76S型无线随钻测斜仪技术参数
| 项 目 |
示值误差 |
测量范围 |
传输精度 |
示值稳定性 |
| 井斜角/(°) |
±0.1 |
0～180 |
0.03 |
0.02 |
| 方位角（井斜角≥5°）/(°) |
±1.0 |
0～360 |
0.05 |
0.30 |
| 高边工具面角（井斜角≥5°）/(°) |
±1.5 |
0～360 |
1.41 |
0.02 |
| 磁性工具面角（井斜角＜5°）/(°) |
±1.5 |
0～360 |
1.41 |
0.02 |
3.2 水平孔注浆技术
3.2.1 地层可注性分析
II634、II635工作面地面定向水平孔终孔长达1 956 m，水平孔段长达936 m，钻孔揭露的溶蚀裂隙、构造裂隙、断层破碎带及陷落柱等可注性各不相同，为了保证注浆效果，将可注性相近的地层作为一段，进行分段注浆。
（1）揭露溶蚀裂隙及构造裂隙时，采用常规注浆方式即可。
（2）揭露断层破碎带时，首先利用钻孔探查手段，分析断层上盘、下盘具体位置及断层落差；其次根据钻孔实际揭露的断层参数，优化钻孔轨迹，保证水平孔在L3灰岩含水层内，顺层钻进；最后根据孔段注浆量参数，确定是否需要加密次分支孔。如果注浆量大，且压力上升缓慢，则必须加密布置次分支孔，进行注浆，孔间距缩小到20～30 m；次分支孔注浆量仍然较大，压力上升缓慢，则继续加密分支孔，孔间距缩小到10～15 m。
（3）揭露陷落柱时，首先利用物探、钻探手段，分析判断陷落柱长轴、短轴发育情况。其次根据物探、钻探探查结果，加密次分支孔，逐渐缩小孔间距。最后采用间歇注浆方式，进行注浆；必要时可添加水玻璃、三乙醇胺及食盐等添加剂，对浆液性能进行改善[11]。
3.2.2 浆液浓度调整
根据钻井液漏失量及压水试验，确定浆液浓度，浓度调整原则“稀—浓—稀”。根据单液水泥浆性能和煤层底板含水层改造目的，采用水灰比3:1～0.8:1的浆液。溶蚀裂隙、构造裂隙主要采用水灰比为2:1～1:1的浆液。溶洞及断层破碎带主要采用水灰比为1.4:1～0.8:1的浆液。陷落柱主要采用水灰比为1:1 |