地面定向钻进技术在导水断层治理中的技术研究与应用

王今朝 ，曹 栋

（1.冀中能源股份有限公司 郭二庄矿，河北 邯郸 056300；2.冀中能源邯郸矿业集团，河北 邯郸 056008）

1 概 况

煤矿带压开采煤层中承压水的防治是矿井防治工作的重点。随着煤炭资源日益枯竭，煤层开采由简单逐渐趋于复杂，解放受水害威胁煤层，增加矿井可采储量，成为延续矿井寿命的重要手段。煤矿水害治理地面定向钻进技术是将石油系统先进的水平定向钻进技术运用到煤矿的水害防治中，在奥陶系灰岩中进行水平钻进，突破了传统的“以点带面”的防治水技术，通过水平分支孔随岩层倾角在灰岩内钻进，能够超前探查并治理隐伏地质构造，封堵奥灰水导水通道，截堵水源，堵塞煤层底板导水裂隙，改变局部被注浆加固改造的含水层的富水性，变强含水层为弱含水层或隔水层，实现源头治理。尤其在已知存在导水构造，例如断层、陷落柱、封闭不良钻孔等的治理方面尤为重要，能够做到精准定位、有目的性的治理。

郭二庄矿二坑主采煤层为9 号煤，生产标高在-100 m 以浅，主要受奥灰含水层水害威胁，奥灰含水层为本区最强含水层，近3 a 最高水位+23 m，属于带压开采。29207 工作面位于郭二庄矿二采区南翼下部，为南翼第4 个回采工作面。该面东部为二采南翼深部地区（待采区），北至二采南翼回风上山，南部连接29207 联巷通往-100 大巷，西临原二采南翼29205 回采工作面，回采标高范围-97.6—-44.8 m。

9 号煤层底板主要含水层为奥陶系石灰岩含水层，该含水层顶板上距9 号煤层底板垂距一般14.8～36.04 m，平均隔水层厚度约为26.08 m。对9 号煤层开采有影响的主要是奥灰含水层八段、七段。奥灰八段30 m 左右，白云质角砾状灰岩，富水性弱至中等，顶部发育风化壳时可视为为相对隔水层。奥灰七段66.0～113.0 m，平均约85.0 m，厚层状花斑灰岩和纯灰岩，富水性强，不均一，在平面上有各向异性的特点，沿构造线走向的地下水纵向流动，空间上随着埋深的增加，富水性逐步减弱。目前生产地区即二采区在郭二庄井田奥灰水文地质分区中属于水文地质条件中等区，单位涌水量一般小于1.0 L/s·m，径流及富水性相对较弱。奥灰水位一般在6 月份最低，11 月份最高，年变化幅度枯水年5 m 左右，平水年10～20 m 左右，丰水年20～30 m，总体奥灰水位在下降，目前奥灰水位+14 m，近三年最高水位为 +23 m（2016 年 12 月）。

矿井-100 运输大巷开拓时巷道揭露2 条导水断层，即 F292-2 和 F292-3 断层。F292-2 断层H=15～20 m，∠=40°；F292-3 断层H=5～10 m，∠=40°。-100 大巷在掘进至断层位置时巷道出现涌水，最大涌水量约66.7 m3/h，最小约5 m3/h，平均40 m3/h，说明该断层为导水断层。而这2 条断层预计延伸至29207 工作面以西深部区域。如果29207 工作面直接开采，将会存在奥灰含水层水突水风险。

为保证29207 工作面安全回采，设计采用地面定向钻进技术，对该断层导水裂隙带进行地面注浆改造加固，封堵导水通道，消除底板奥灰含水层突水风险。

2 性质用途及成果的适用范围

该项工程主要分为钻孔施工和注浆，完成对目标层位的注浆改造。钻孔施工如图1 和图2 所示。

图1 钻孔施工立体图Fig.1 Stereogram of drilling

图2 钻孔施工过程Fig.2 Drilling process

郭二庄矿二坑29207 工作面东部为F292-2 和F292-3 断层，由于断层落差较大，煤层底板隔水层厚度较薄，可能存在断层导通奥灰含水层导致底板突水的风险。通过工程实施，可有效封堵裂隙导水通道，减小底板奥灰突水风险，保证作业安全。

该项成果适用于开采煤层附近存在导（含） 水断层、陷落柱等导水构造时，地面定向钻进技术对其进行注浆加固改造，改变其导（含） 水性，从而消除水患，保障矿井正常生产。

3 创新点及解决问题的办法

（1） 施工多分支孔穿过断层交点正中，控制断层发育空间位置，结合钻孔漏失定量分析断层带裂隙发育程度，为注浆孔位及注浆量设计提供依据。

（2） 设计水平孔与断层斜交，交点间距不大于分支孔设计间距，确保水泥浆液沿断层带裂隙充分扩散，保证注浆治理效果。

（3） 地面定向分支孔施工采取顺序施工、依次注浆的原则，即确保单次注浆充分起压，保证浆液扩散范围，同时借助下组分支孔检验注浆治理效果。

（4） 地面注浆比井下注浆压力大，能有效克服奥灰水头压力，有利于提高水泥浆的扩散半径，封堵岩层中的微小导水裂隙，提高岩层隔水性能，保证矿井安全生产。

4 实施情况及实施效果

4.1 施工设计

治理断层共设计5 个分支孔，分别为注1-M8-1 孔、注 1-M8-2 井、注 1-M8-3 井、注1-M8-4、注1-M8-5，具体见表1。分支孔都是在原注1-M8 孔的水平段基础上开始侧钻施工，全部采用φ152.4 mmPDC 钻头/ 三牙轮钻头水平段钻进。钻进层位为奥陶系灰岩顶部25 m，施工设计如图3 所示。

表1 治理断层构造分支孔设计工程量Table 1 Engineering quantity of branch hole design of fault structure

图3 治理断层构造分支孔布置平面Fig.3 The branch hole layout plan of the governing fault structure

4.2 施工情况

注1-M8-1 孔：于2018 年7 月5 日开始施工，2018 年7 月16 日结束；注1-M8-1 井三开水平进尺383.00 m（910.00～1 293.00 m），奥灰封孔共注水泥 165.00 t。

注 1-M8-2 孔：于 2018 年 7 月 20 日开始施工，2018 年8 月16 日结束；注1M8-2 井三开完成水平进尺376.00 m（860.00～1 236.00 m），奥灰注浆及封孔共注水泥2 145.00 t。在钻进过程中遇到2 个漏失点，按先后顺序分别编号为注M8-2-①、注M8-2-②。

注 1-M8-3：于 2018 年 8 月 23 日开始施工，2018 年9 月14 日结束；注1M8-3 井三开完成水平进尺384.0 m（790.00～1 174.00 m），奥灰注浆及封孔共注水泥867.00 t。在钻进过程中遇到1 个漏失点，漏失点在井深1083.95 m，终孔漏失量为20 m3/h，编号为注M8-3-①。

注 1-M8-4：于 2018 年 9 月 17 日开始施工，2018 年9 月27 日结束；注1-M8-4 井三开完成水平进尺368.00 m（750.00～1118.00 m），奥灰注浆封孔共注水泥1 184.00 t。在钻进过程中遇到1 个漏失点，漏失点在井深943.64 m，终孔漏失量为30 m3/h，编号为注M8-4-①。

注 1-M8-5：于 2018 年 9 月 30 日开始施工，2018 年10 月11 日结束；注1-M8-5 井三开完成水平进尺624.00 m（350.00～974.00 m），奥灰注浆及封孔共注水泥197.00 t。

漏失点注浆具体情况见表2。

表2 漏失点注浆统计Table 2 Statistics of leakage point grouting

4.3 注浆效果检验

治理结束后，为了验证F292-2 断层治理效果进行验证工程。

4.3.1 井下验证孔施工

在29207 运巷共设计5 个验证孔检验注浆治理效果，设计位置如图3 所示。验证孔组于2019年 7 月 4 日开始施工，2019 年 7 月 29 日竣工验收，验证孔施工质量全部合格，符合《煤矿带压开采地面区域治理技术管理规范（试行）》，成果见表3。

表3 井下验证孔施工成果Table 3 Underground verification hole construction results

4.3.2 井下综合物探

利用3 种方法对工作面进行井下综合物探，再针对物探异常区及断层施工了验证孔进行验证，结果表明治理效果良好。因此，通过定向钻进结合注浆工程有效地封堵了奥灰顶界面下25 m 层位的岩溶裂隙及断层等（导） 含水构造，避免了奥灰突水威胁，保证安全回采。

4.3.3 回采过程中水文资料收集

29207 工作面已经回采结束，在工作面回采过程中未出现奥灰出水现象，仅存在少量的本溪层位出水，说明了通过地面定向钻进及注浆技术，对原本导水断层成功进行了注浆封堵治理，效果明显。

5 结 语

通过地面定向钻进技术对郭二庄矿二坑29207工作面导水断层的治理，有效加固改造了导水断层构造，封堵裂隙导水通道，提升地面区域治理实际效果，减少采掘过程中奥灰突水的风险，保障采掘作业安全。该项技术可解放受导水断层构造等突水威胁的煤炭资源，提高煤炭回收率，减少资源浪费。方案实施后确保了29207 工作面安全生产。