定向水平分支孔在断层地面注浆加固治理工程的应用

定向水平分支孔在断层地面注浆加固治理工程的应用

李川

中勘资源勘探科技股份有限公司 安徽淮北 235000

摘 要随着煤田开发难度的增加，利用地面定向水平分支孔解决煤田开发当中的一些难题已成为煤田开发的重要课题。近年来定向水平分支孔技术在煤田的应用和推广，已成为煤田开发当中地面治理工程的主要技术手段。定向水平分支孔在煤矿灰岩含水层改造工程，陷落柱探查工程、断层地面治理工程等方面得到了广泛应用。因煤田开发的需要，部分大巷需要穿过一些断层破碎带等复杂地质结构体内，定向水平分支孔地面预注浆加固治理工程技术有效解决这一难题。

关键词 定向钻进；水平分支；轨迹控制；侧钻；注浆

0引言

在煤田防治水领域当中的灰岩含水层改造工程^[1]、陷落柱探查工程以及断层地面注浆加固治理工程当中，定向水平分支孔得到了广泛的应用，且取得了良好的效果。本文以淮北矿业集团A煤矿BF2断层为例，介绍了煤矿主体大巷过断层时预注浆加固治理工程应用情况。在治理加固后断层带掘进预设巷道，既可提高掘进速度又可提高巷道质量增加服务年限。

1地面定向水平分支孔在断层地面治理工程的应用

1.1治理思路

大巷过断层破碎带既影响掘进效率，又给安全带来很大风险。为解决大巷过断层破碎带这一问题，引用定向水平分支孔技术对断层破碎带进行地面预注浆加固治理，在断层带附近形成一个具有水泥封堵填充的灰、岩结合体，将破碎松散带加固形成具有整体性稳定性较好的人工地质改造体。

A煤矿七采区主体巷道过BF2断层地面定向治理工程设计1组定向水平分支孔，分支沿设计巷道钻进，建立地面和断层破碎带的联通通道后，在以巷道为中心轴线的范围内注浆充填加固形成稳定结合体。（地面注浆治理工程原理图见图1）。

图1 定向水平分支孔断层治理示意图

1.2定向水平分支孔技术

1.2.1定向软件

使用定向专业软件，使用误差计算模型，行业权威轨迹计算方法等手段实现定向轨迹专业设计，轨迹控制的动态监控。施工当中借助该软件实时对比设计和实钻轨迹，实现了轨迹可视化的目的，大大提高了钻孔的精度，提高了施工效率。

1.2.2无线随钻定向技术

使用无线随钻测斜仪器（见图2）及螺杆钻具（见图3）实现导向钻进，钻孔设计轨迹及实钻轨迹对比分析，通过导向钻进实现钻孔轨迹沿着设计轨迹跟进。泥浆脉冲式无线随钻测斜仪，对钻孔孔身参数进行测量，井下探管测量相关信息通过泥浆脉冲直接传送到地面^[2]。

图2 无线随钻测斜仪器

图3 带有弯角可定向造斜螺杆钻具

1.2.3套管开窗及水平分支技术

利用1个孔组治理3个巷道，其中2个分支使用裸眼侧钻水平分支技术可以满足轨迹控制要求，其中1个分支由于在空间上扭方位较多，利用原钻孔结构无法覆盖治理区域，因此使用套管开窗技术从二开套管低口某一深度侧钻，完成区域注浆治理工程任务。裸眼水平分支侧钻技术使用定向导向钻具，应用分支孔悬空侧钻技术完成了分支侧钻施工工序；利用专业液压坐封式斜向器，有线定向技术，套管磨铣技术完成套管开窗侧钻工程施工。

1.2.4陀螺复测轨迹校核技术

对已钻轨迹使用光纤陀螺仪器校正MWD数据，降低钻孔轨迹误差，提高井下巷道揭露钻孔轨迹的概率提高注浆加固治理效果。

1.2.5钻头选型

配备牙轮钻头和PDC两种类型的钻头，根据实钻情况合理选择钻头。牙轮钻头破岩石机理为冲击破岩（图4），PDC钻头破岩机理为剪切破岩（图5）。大部分岩石剪切破岩效率高于冲击破碎。因此在深层定向段可优选使用PDC钻头以增加钻效。

图4 牙轮钻头破岩机理 图5 PDC钻头破岩机理

1.2.6提高轨迹精度的因素

影响定向孔轨迹精度主要有2方面的误差。第一是系统误差，包含测量仪器误差、人员操作误差、参考方位误差，不居中误差等误差；第二是测量误差，包含测量模型误差，测点间距计算误差，计算方法存在的误差。提高钻孔轨迹精度，增加定向水平分支在井下巷道揭露的概率。

1.3钻孔结构设计

钻孔自地面至井下设计巷道，建立一个地面和巷道的通道，既实现1个孔组完全覆盖预设治理范围。钻孔结构采用三开井身结构设计，一开表土层钻进，一开套管下至稳定基岩界面下20m；二开钻进至8煤层底，下入二开通天套管；三开分支钻进，完全覆盖整个断层带内划定的注浆治理区域。

2地面治理工程设计

2.1项目概况

A煤矿七采区主体巷道位于矿井东部，将揭穿BF2（H=70～170m）断层，该断层带及影响范围内岩层破碎，掘进施工和支护难度高，矿压对巷道破坏较大。为超前治理断层构造破碎带，使用定向水平分支孔对断层进行地面注浆加固治理。

2.2钻探设计

设计1组地面S1定向孔组，包含3个分支（在治理区域段沿预设未掘巷道钻进）。治理范围内三条巷道平行布置，间距为40m，平面上断层加固段长为200m。S1-1分支治理区域内顺回风巷钻进，设计轨迹见表1；S1-2分支治理区域内顺运输巷钻进，设计钻孔轨迹见表2；S1-3分支治理区域内顺轨道巷钻进，设计钻孔轨迹见表3。S1孔组设计平面图见图6。

表1 S1-1设计轨迹参数

表2 S1-2设计轨迹参数

表3 S1-3设计轨迹参数

图6 地面钻孔布置平面图

2.3钻孔结构

一开：0～300m，Φ311mm孔径，下Φ244.5×8.94mm石油套管（N80），管外水泥浆固结止水；

二开：300～745.21（8煤底板下5m），下Φ177.8×8.05mm石油套管(N80)，管外水泥浆固结止水；

三开：分支钻进，注浆加固断层。

2.4注浆设计

采用P.O.32.5水泥。采用孔口密闭止浆、静压分序分段下行式注浆法。从治理段按单位注浆段长依次分段钻进、注浆，按50m为单位注浆段长，单巷道治理区域分四段注浆。对受注层采用水泥单液浆注浆，浆液比重由小到大（1.2～1.5g/cm³之间调整）。终压孔口压力不低于15MPa，泵量不大于40L/min，稳压不少于30min。

3 A煤矿的施工应用

应用数值模拟技术，定向井轨迹控制技术^[3]、使用定向井软件等技术手段指导钻进提高钻探轨迹精度。

3.1钻孔施工

一开施工：钻具组合为311mm钻头+203mm钻铤+178mm钻铤+89mm加重钻杆+89mm钻杆，一开钻进至300m，使用陀螺测量一开段钻孔轨迹后下一开244.5*8.94mm套管，固管。

二开施工：钻具组合为216mm钻头+172mm螺杆钻具（弯角1.5°）+172mm定向接头+172mm无磁钻铤+172mm钻铤*2根+89mm加重钻杆* +89mm钻杆，自440m定向造斜钻进至745.21m（8煤底），下入二开177.8*8.05mm套管。

三开施工：钻具组合为152mm钻头+120mm螺杆钻具（弯角1.5°）+120mm定向接头+120mm无磁钻铤+120mm钻铤+89mm加重钻杆+89mm钻杆，三开先施工S1-3分支（轨道巷）、S1-2分支（运输巷）、S1-1分支（回风巷）

3.1.1 S1-3分支钻探注浆治理情况

S1-3分支自745.21m侧钻，终孔深度1120m，共计分4段注浆，共计完成钻探工程量374.49m，注水泥4551t。S1-3施工情况统计见表4。

表4 S1-3分支钻探注浆情况统计表

3.1.2 S1-2分支钻探注浆治理情况

S1-2分支自745.21m侧钻，终孔深度1110m，共计分4段注浆，共计完成钻探工程量364.79m，注水泥2063t。S1-2施工情况统计见表5。

表5 S1-2分支钻探注浆情况统计表

3.1.3 S1-1分支钻探注浆治理情况

S1-1分支自511m开始使用液压坐封式斜向器开窗侧钻，开窗组合：148mm斜向器+120mm定向接头+120mm无磁钻铤+120mm钻铤+89mm钻杆，使用陀螺确定斜面方向后打压25Mpa斜向器坐封，起钻更换磨铣开窗组合；磨铣组合为：157mm铣锥+120mm钻铤+89mm加重钻杆+89mm钻杆，开窗后下入定向钻具开始侧钻S1-1分支。S1-1分支自511m侧钻，终孔深1100m，共计分4段注浆，共计完成钻探工程量589m，注水泥4000t。S1-1施工情况统计见表6。

表6 S1-2分支钻探注浆情况统计表

3.1.4 分支钻进剖面图

根据治理区域平面图和设计钻孔轨迹，沿钻孔方向绘制出关键地层及断层带剖面图；实钻轨迹和实钻地层情况同设计对比实现，有效指导工程施工。S1孔组共计完成钻探工程量2073.49m；注水泥10614t，S1孔组3个分支钻孔剖面图见图7。

图7 已钻分支钻孔剖面图

3.3施工小结

定向分水平分支孔地面治理工程取得显著效果，实现了巷道的快速掘进，且加固岩体稳定性较好。在井下掘进预设未掘巷道时，部分段见到钻孔轨迹，部分段未见钻孔轨迹，因此，定向水平分支孔钻孔轨迹精度方面需要深入研究，提高钻孔轨迹精度，提高地面治理工程治理效果。

4结论及认识

（1）地面定向水平分支孔在煤矿断层地面治理工程中取得了显著的效果，实现了1个孔组分序次分段加固治理的工程目的；

（2） 定向水平分支孔为煤矿主体大巷过断层带提供了一种有效的地面预治理技术手段；

（3）引用石油钻井技术解决了煤田地面钻探工程项目当中存在的难题，定向水平孔钻孔轨迹精度需要深入研究，提高轨迹精度是提高治理效果的一项重要研究课题。

（4）随着技术的发展和成本的降低，定向分支水平段使用螺杆钻具实效较低时水平段使用石油钻井旋转导向是一种发展趋势。

参考文献

[1]王宇航, 张结如, 石志远, 等 地面定向钻孔在治理煤层底板断层带突水中的应用[J]. 中州煤炭, 2017, 39(3):77-81.

[2]石志远. 地面顺层钻进在煤层底板高压岩溶水害区域超前治理中的应用[J]. 煤矿安全, 2016.v.46;No.494(S1):81-84+89.

[3]吕贵州．定向井的井身轨迹控制[J]．陕西煤炭，2010，29(1)：85-86.

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