定向分支钻探注浆技术在煤矿防治水中的应用

王强

（国家能源集团新疆能源公司 红沙泉露天煤矿，新疆 乌鲁木齐 830011）

0 引 言

煤层底板突水事故是煤矿井下开采过程中常见灾害之一，特别是对水文地质条件复杂、井下涌水量大的矿井，底板突水问题严重威胁着矿井安全开采[1-2]。因此，在煤矿井下开采过程中，必须提前采取有效的防治水措施来确保矿井安全开采。近年来，随着煤矿井下开采深度不断增加，防治水难度也在不断增大。针对深部井下开采治理底板突水难度大问题，以焦作煤业集团赵固一矿18011 工作面为工程背景，提出地面多分支定向钻探注浆技术，该技术充分发挥地面钻探具有的施工方便、钻探速度快效率高、定向精准、探查治理范围大等优势及底板注浆加固提高底板隔水层厚度和强度作用。能够有效降低煤层底板突水系数，提高防治水效果[3-6]。同时在钻探过程中，选择“绿色”钻井液材料进行施工，降低钻井液对环境的破坏影响，对推动矿井防治水工作具有重要意义。

1 工程概况

赵固一矿隶属于焦作煤业集团赵固（新乡） 能源有限责任公司，设计生产能力为240 万t/a，主采二1 煤层。18011 工作面位于矿井-525 m 水平，地面标高+87.1—+85.4 m，井下标高-556.3—-485.3 m。工作面设计走向长1 175 m，倾斜长210 m，工作面煤层赋存较为稳定，厚度为5.5～6.2 m，平均厚度约5.8 m，煤层倾角2°～12°，平均倾角为8°。工作面煤层顶底板岩性综合柱状图如图1 所示。工作面水文地质条件复杂，其直接含水层为太原组上段L8灰岩，岩层厚度为8.1～8.9 m，隔水层厚度为32.2～34.0 m，水压为5.6～6.3 MPa，突水系数为0.174～0.185 MPa/m，远大于临界突水系数Ts≤0.06 MPa/m，工作面存在较大突水危险性。

图1 18011 工作面煤层顶底板岩性综合柱状图Fig.1 Comprehensive log diagram of coal floor and roof in No.18011 Face

2 地面多分支定向钻孔结构及钻孔设计

为解决18011 工作面开采过程中发生突水事故威胁问题，运用地面多分支定向钻探技术，对工作面二1 煤层底板直接含水层L8灰岩的富水情况和工作面内部地质构造发育情况详细探查，采取底板注浆加固技术对煤层底板岩层加固，增加二1 煤层底部与L8灰岩含水层间各岩层的完整性和抗压强度，降低底板突水危险性，保障工作面安全开采。

2.1 钻孔结构设计

定向钻孔结构设计原则是将煤层底板下方L8灰岩含水层作为钻孔终孔的目的层，钻进过程中依次穿过第四系新近系巨厚冲积层、二叠系砂质泥岩层、石炭系L9灰岩层，最后钻孔以近水平的形式进入到L8灰岩含水层内。结合18011 工作面煤层底层结构特征，钻孔结构按照两级套管配合三级孔径结构的形式进行设计施工。定向钻孔具体设计结构如图2 所示。

图2 18011 工作面定向钻孔结构示意Fig.2 Directional drilling structure of No.18011 Face

2.2 钻孔轨迹

施工地面定向钻孔时其钻孔轨迹主要受钻孔穿越的地层煤岩层特点、钻机钻进施工方式、钻具钻进造斜能力等因素影响。18011 工作面定向钻孔主要分三段施工，分别为直孔段（一开）、造斜（二开） 和顺层分支段（三开）。钻孔井斜角度由最初的0 最后变为80°～90°进入到L8灰岩段。

（1） 直孔段（一开）：0～180 m 为直孔段，孔径为350 mm，使用的套管规格为φ244.5 mm×8.94 mm，套管下入到稳定基岩内大于15 m，注入单液水泥浆进行封固套管。钻进施工时使用φ215.9 mm 牙轮钻头配φ178 mm 钻铤和φ89 mm钻杆进行开孔施工，扩孔时使用φ350 mm 牙轮钻头进行扩孔施工。

（2） 造斜段（二开）：钻进施工从180 m 向里开始进行造斜，钻孔施工孔径为216 mm，使用的套管规格为φ177.8 mm×8.05 mm，套管需下入到L8灰岩上部，采用单液水泥浆进行封固套管。钻进施工时使用φ215.9 mm 牙轮钻头配φ178 mm 钻铤和φ89 mm 钻杆进行造斜施工。

（3） 顺层分支段（三开）：在该段施工时，裸孔沿L8灰岩顺层进行探查钻进，孔径为152 mm。钻进时使用φ152.4 mmPDC 钻头配合φ127 mm 钻铤和φ89 mm 钻杆进行施工。

2.3 钻孔设计

根据18011 工作面水文地质资料和煤层地质条件，工作面需要进行底板突水探查治理的范围长960 m，宽340 m，为确保探查治理区域能够实现对工作面全覆盖，同时考虑降低探查治理成本投入，设计向工作面施工地面多分支定向钻孔，根据钻探装备、工作面地质条件及现场情况，设计施工3 个主孔，并在各个主孔内设计4 个顺层分支钻孔，分支钻孔水平间距为50 m、方位角设计为152°，井斜85°。钻孔布置设计图如图3 所示，为便于钻孔施工，以2 号主孔为例绘制出其主孔及分支孔三维立体示意图如图4 所示。

图3 18011 工作面地面定向钻孔平面布置示意Fig.3 Layout of surface directional drilling in No.18011 Face

图4 18011 工作面2 号定向钻孔及分支孔三维立体示意Fig.4 No.2 directional drilling and branch hole 3D stereo in No.18011 Face

3 “绿色”钻井液设计

3.1 配浆材料及分段钻井液设计

根据钻孔穿越地层的特点及钻孔结构条件，钻孔开始在冲积层中钻进时，因冲积层主要由黄土、黏土及薄层砾石组成，其岩性较软，在进行钻进作业过程中容易出现钻孔塌孔、泥土包裹钻头等现象。在薄层基岩中进行造斜钻进施工时，因基岩段的岩层主要由砂岩和砂质泥岩互层组成，而在顺层分支段进行钻进施工时，因钻孔沿着灰岩顺层进行长距离钻进施工，以上情况均要求钻井液具有极高的流变、抑制和润滑性能[7-8]。为减小定向钻孔施工过程中对自然环境的破坏影响，设计选用“绿色”材料（表1） 来对钻井液性能进行优化改善，同时对钻井液进行分段设计，具体配方见表2。

表1 “绿色”钻井液处理剂材料及功能Table 1 Materials and functions of'green'drilling fluid treatment agent

表2 分段钻井液设计配方Table 2 Design formula of segmented drilling fluid

3.2 钻井液维护管理

（1） 加强日常性能监测。在使用钻井液过程中，强化日常的监测，一般情况下需每间隔2 h 对钻井液检测1 次，当调整泥浆时，需根据调整情况及时增加钻井液的检测次数。

（2） 安排业务熟练地专职人员管理钻井液，当出现钻井液性能突变时，专职人员能够及时查找分析突变原因并采取针对性的处置方案。

（3） 钻井液净化处理。采用三级净化工艺对钻井液进行净化处理，减少有害物质含量，确保钻井液性能稳定。

4 应用效果分析

在对18011 工作面底板区域范围内的水害进行探查治理过程中，通过采用地面多分支定向钻探技术配合“绿色”钻井液技术，克服巨厚冲积层薄基岩煤层底板条件下钻探施工难题，完成3 个一开主钻孔、12 个二开钻孔和顺层分支钻孔的施工，共计完成钻探工程量18365.37 m，各钻孔分段钻探工程量完成情况如表3 所示。在钻探施工过程中，各孔段均未发生塌孔、卡钻、缩孔等现象，该钻探工作的顺利完成，为18011 工作面煤层底板区域水害治理奠定良好的基础条件。

表3 工作面分段钻探工程量完成情况Table 3 The completion of sectional drilling engineering in working face

5 结 论

（1） 对于存在高承压底板富含水层工作面开采前，采用地面多分支定向钻探注浆技术配合“绿色”钻井液技术对煤层底板进行治理，能够有效提高工作面煤层底板岩层状况，降低工作面开采过程中发生突水危险性系数，保障工作面安全回采。

（2） 地面多分支定向钻孔采用主孔与顺层分支钻孔相配合的设计施工方式，能够将工作面煤层底板受水害威胁的区域范围进行全部覆盖，同时能有效减少无效孔区段的钻探工程量，提高了钻探效率，降低了钻孔施工成本。

（3） 合理设计选取“绿色”钻井液配方并实行分段钻井液施工，可解决钻探施工过程中因地层条件复杂易出现钻具卡阻、钻孔塌孔、钻探施工难度大等问题，降低钻探施工对周围环境破坏影响。