井下多分支钻孔治理导水断层技术研究与应用.pdf

第46 卷第8 期2023年8 月专题矿井水害探测与防控井下多分支钻孔治理导水断层技术研究与应用煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.8Aug.2023肖骞，王博，刘卫卫（中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西西安7 1 0 0 7 7）摘要：针对唐家会矿井下存在的DF201导水断层影响6 1 2 0 2 工作面回风顺槽安全掘进的问题，为查明断层导水情况，消除突水威胁，合理布置该工作面，采用定向钻进技术对DF201断层进行探查治理，累计施工底板定向钻孔1 1 个，总进尺2 5 44m，证实该断层导通底板奥灰水。通过钻孔注浆工艺封堵导水断层及裂隙，累计注入水泥43 1.8 5 t，断层附近的总出水量减小为约1 0 m/h，有效降低了断层突水风险，为巷道安全掘进提供了有利保障。关键词：导水断层；定向钻进技术；奥灰水；钻孔注浆中图分类号：TD74Research and application of undergroundmulti-branch drilling technology for waterconducting fault controlXiao Qian,Wang Bo,LiuWeiwei(China Coal Technology and Engineering Xian Research Institute(Group)Co.,Ltd.,Xian 710077,China)Abstract:Aiming at the problem that the DF201 water conducting fault in Tangjiahui Mine affected the safe excavation ofthe return air roadway of No.61202 Face,in order to find out the water conducting condition of the fault,eliminate the threatof water outburst,and reasonably arrange the working face,the directional drilling technology was used to explore andcontrol the DF201 fault.A total of 11 directional drilling holes were drilled in the floor,with a total footage of 2 544 m,which confirmed that the fault conducted the Ordovician limestone water in the floor.Through the drilling grouting process,the water conducting faults and cracks were sealed,and 431.85 t of cement was injected cumulatively.The total wateroutflow near the fault was reduced to about 10 m3/h,which effectively reduced the risk of water outburst from the fault andprovided a favorable guarantee for the safe excavation of the roadway.Key words:water conducting fault;directional drilling technology;Ordovician limestone water;drilling grouting文献标识码：B文章编号：2 0 9 5-5 9 7 9（2 0 2 3）0 8-0 0 7 1-0 3唐家会井田位于鄂尔多斯盆地东北缘的准格尔1概况煤田东孔兑普查区西南部，构造位于华北地台北煤矿井下定向钻进技术目前已广泛应用于矿井缘，属山西地台背斜与鄂尔多斯地台向斜的过渡地质保障领域，为煤矿安全生产、矿井高效运行提带。北接阴山褶皱带，西临鄂尔多斯地台，为一西供了有力支撑。唐家会煤矿受水害威胁严重，水文倾单斜构造，一般倾角小于1 0。区内未见次级地质条件复杂，断层发育且多为导水正断层。受褶皱与岩浆活动，但断层较为发育。DF201断层影响，6 1 2 0 2 工作面回风顺槽掘进过程井田内钻孔揭露的含煤地层主要为太原组山中巷道顶底板出水较大，为保障巷道顺利掘进，利西组，岩性组合以砂岩、泥岩、煤层为主，夹少量用定向钻进技术结合钻孔注浆工艺治理断层，探查石灰岩。井田内含可采煤层5 层，分别为6、9 上、断层出水情况并封堵导水通道，消除安全隐患。9下、4、5 煤，其中太原组6 煤为全区稳定的主采责任编辑：张彤1D0I:10.19286/ki.cci.2023.08.017作者简介：肖骞（1 9 9 1 一），男，陕西西乡人，工程师。引用格式：肖骞，王博，刘卫卫.井下多分支钻孔治理导水断层技术研究与应用 J.煤炭与化工，2 0 2 3，46（8）：7 1-7 5.712023年第8 期煤层，平均厚度约1 7 m，6 煤上有丰富的砂岩水，下受奥灰水害威胁，底板隔水层厚度6 0 7 5 m，较为发育的正断层与张裂隙容易形成导水通道，威胁矿井安全。2定向钻进技术定向钻进技术是指利用钻孔自然弯曲规律或采用专用工具使钻孔轨迹按设计要求钻进至预定目标的一种钻探方法，具有长距离、精度高、钻孔轨迹可控等优势。煤矿井下定向钻进技术多采用带有1.2 5 弯角的螺杆马达进行定向钻进。钻孔施工过程中，保持钻杆不回转，螺杆马达在高压水的作用下驱动钻头转动切削岩石，采用随钻测量仪器实时测量钻孔参数，钻进过程中通过不断调整孔底螺杆马达的工具面向角，控制钻孔的倾角和方位角，使钻孔沿着设定轨迹在目标层位中延伸，达到定向钻进的目的。3DF201断层水害防治方案3.1DF201断层特征及危害唐家会井田内断层发育，严重制约矿井安全高效运行。DF201断层为正断层，贯穿6 1 2 0 2 工作面并与之斜交，断层走向NE，倾向SE，倾角7 3，工作面内平均落差1 2.8 m，断层附近岩层破碎，断层与裂隙破坏了6 煤底板隔水层的完整性，巷道掘进过程中断层附近顶板淋水较大，底板多处涌水。唐家会煤矿同时受顶板砂岩水害和底板奥灰水害威胁，顶板砂岩水可以通过顶板定向长钻孔等进行提前疏放，并取得了较好的应用效果；而奥灰水的水位标高通常高于6 煤底板平均标高，区域内承压，压力一般为0.5 1 MPa，并不断有地面水源补给，因而在断层及裂隙发育区存在发生水害事故可能。3.2DF201断层治理多分支钻孔设计针对6 1 2 0 2 工作面回风顺槽掘进过程中受DF201断层影响而导致出水较大的问题，为全面探查断层导水特性，消除断层隐患，掩护巷道安全掘进，采用定向钻进技术施工井下多分支钻孔对开钻次序钻头尺寸/mm套管尺寸/mm一开153二开983.3钻孔注浆工艺设计断层治理钻孔出水量较大，应对施工完毕的钻72煤炭与化工DF201断层出水情况进行探查，结合钻孔注浆，封堵出水通道。根据DF201断层走向特征，依托工作面内现有钻场布置钻孔，减少钻场开拓成本，节约工期。DF201断层治理钻孔施工位置选择在6 1 2 0 2 工作面运输顺槽2 号钻场，共设计2 组钻孔，包含1 个主孔，1 0 个分支孔，主孔设计开孔倾角-1 9，开孔方位3 47。第一组钻孔施工层位选择为6 煤底板砂岩，距6煤底板平均40 m，其中F1-5号孔为主孔，F1-4、F1-3、F1-2、F1-1、F1 号孔为分支孔，平面上由西向东呈扇形依次布置，靶区平均间距约25m；第二组钻孔施工层位沿6 煤底板逐渐向下，终孔层位选择为奥陶系灰岩顶界面，FH1-4号孔、FH1-3号孔、FH1-2号孔、FH1-1号孔、FH1号孔均为分支孔，平面上穿插布置在第一组钻孔之间，两组钻孔覆盖了6 1 2 0 2 回风顺槽底板断层影响区域。为保证钻具安全，所有施工钻孔穿越断层30m左右即终孔。DF201断层治理定向钻孔设计如图 1 所示。钻孔平面示意图F1-5-FH1-4F1-4FH1-3Fi1-2AFHX11-1FH1F1钻孔削面示意图6煤6 1 2 0 2 周风顺箱8009煤9煤750-系列设计FH系列设计图1 DDF201断层治理定向钻孔设计Fig.1 Design of directional drilling for DF201 fault control钻孔采用二级孔身结构，一级孔身结构目的为下套管，安装控水闸阀等，因底板存在泥岩、9 上煤、9 下煤等不稳定软弱层，127mm套管需下至9下煤底板砂岩层内，并满足耐压要求。二级孔身结构为定向孔段，目的是通过钻孔弯曲对断层及附近出水情况进行探查，孔身结构参数见表1。表1 钻孔孔身结构Table 1 Drilling hole structure钻进方式127(过9 下煤)回转+定向裸眼定向+回转第46 卷4工zOZ1961202工作面A-A1剖面图6煤9煤9煤DF2-3:1722731-12.8mFo灰岩固管要求水泥固管，孔口注浆压力达9 MPa；耐压试验不低于9MPa且无压降持续3 0 min孔进行注浆，施工过程中采用“施工一孔注一孔”的方法，防止孔内出水量过大造成次生水害事故。A161202运检服租50肖骞等：井下多分支钻孔治理导水断层技术研究与应用（1）注浆前观测钻孔涌水量、水压和水温，并进行孔内放水，以排出孔内岩屑。（2）每次注浆前，对孔内进行压水，目的是检查封孔质量、疏通注浆管路、扩张岩石裂隙，保证注浆效果。（3）注浆施工采用地面注浆系统向孔内注单液水泥浆，井下辅助采用泥浆泵(或气动注浆泵)向孔内压浆，采用P.0.42.5硅酸盐水泥，水灰比3:1 1:1。矿区水文地质条件复杂，奥灰水承压，应严格按照水文地质孔规定进行注浆作业，地面注浆压力达6 MPa后立即切换为井下注浆，终压达9 MPa，稳压3 0 min无渗透或压降，注浆结束，设计注浆扩散半径为7.5 m。钻孔施工及注浆拟采用的工艺流程如图2 所示。钻场修建设备安装调试确定倾角和方位角主钻孔施工下套管及安装孔口装置上定向钻进钻孔测量方位、倾角是否偏高设计轨迹TN钻进至设计孔深注浆封孔扫孔至第i个分支点调整工具面向钻进至第1 个分支i10YN提钻终孔注浆封孔图2 钻孔及注浆施工工艺流程Fig.2 Drilling and grouting construction process4方施工情况及分析4.1钻孔施工钻孔施工采用中煤科工集团西安研究院2023年第8 期ZDY6000LD（B）履带式全液压坑道钻机，配套使用设备及机具包括3 NB-320/8-30往复式泥浆泵、98mm钻头、73mm螺杆马达（1.2 5 弯角）、76mm无磁钻杆、73mm中心通缆钻杆、随钻测量探管、防爆计算机、73mm回转钻杆及73mm内螺旋回转钻杆。根据设计要求，先施工F1-5号主孔，套管段施工采用回转钻进加定向钻进的施工工艺，其钻具组合为：开孔98mmPDC钻头+73mm回转钻杆，钻进至6 煤底板；再更换为98mmPDC钻头+73mm孔底马达+73mm下无磁钻杆+随钻测量仪器+76mm上无磁钻杆+73mm通缆钻杆串，钻进孔深8 1 m至9 下煤底板；扩孔98mm/153mmPDC扩孔钻头+73mm回转钻杆，扩至孔深8 1 m；孔口管下深127mm孔口管78.5m，注浆封孔，周围无渗透浆；耐压试验达到9 MPa，稳压3 0 min。岩层段施工采用定向钻进加回转钻进的施工工艺，其钻具组合为98mmPDC钻头+73mm孔底马达+73mm下无磁钻杆+随钻测量仪器+76mm上无磁钻杆+73mm通缆钻杆串。钻进至断层位置附近，孔内出水量增大，塌孔严重，返出较大岩块，为保障孔内钻具安全，增强排渣效果，提高成孔效率，穿越断层前将钻孔倾调整工具面向角角、方位角调整至合适角度，并更换钻具组合为Y98mmPDC钻头+73mm内螺旋回转钻杆，钻进至终孔。而后依次施工剩余1 0 个分支孔，施工顺序为第一组F1-4号孔、F1-3号孔、F1-2号孔、F1-1号孔、F1号孔；第二组FH1-4号孔、FH1-3号孔、FH1-2号孔、FH1-1号孔、FH1号孔。分支孔施工所用钻具组合与上述岩层孔段及穿越断层孔段施工使用钻具组合一致。i=i+1为保证断层治理钻孔顺利施工，防止地层破碎影响成孔率，要求单回次钻进结束后及时划眼冲Y孔，并适当提高冲孔频次，确保岩粉及岩块及时排出；控制进尺速度，防止孔内岩粉聚集过多导致压力过大或造成孔内事故；如遇孔内塌孔严重无法通过，可采用注浆侯凝后再扫孔的方式，以增强孔壁稳定性。采用上述工艺，共施工断层治理钻孔1 1 个，钻探施工累计用时6 2 d，完成钻孔进尺2 5 44m，平均日进尺41.0 3 m/d，施工过程中未发生孔内事故，钻孔实钻参数见表2。732023年第8 期4.2注浆施工单个钻孔施工完成后，采用上述注浆工艺对钻孔进行注单液水泥浆，以地面注浆为主，井下注浆为辅，注浆压力达到设计要求且侯凝2 4h后孔口无渗漏水现象为合格，钻孔注浆情况见表3。表3 断层治理钻孔注浆统计Table 3 Statistics of grouting in fault control drilling hole孔号F1-5F1-4F1-3F1-2F1-1F1FH1-4FH1-3FH1-2FH1-1FH1孔终孔号层位F1-5底板砂岩74煤炭与化工表2 钻孔实钻参数Table 2 Actual drilling parameters孔号终孔倾角/（）F1-52.5F1-42.7F1-33.3F1-22.6F1-12.3F13.2FH1-4-2.6FH1-3-3.5FH1-2-6FH1-1-5.5FH1-4合计终孔层位地面注浆底板砂岩井下注浆地面注浆底板砂岩井下注浆地面注浆底板砂岩井下注浆地面注浆22.5底板砂岩井下注浆地面注浆111.6底板砂岩井下注浆0.25地面注浆8底板砂岩井下注浆0.55地面注浆37.15奥灰顶界面井下注浆0.75奥灰顶界面地面注浆157.4井下注浆0.3地面注浆16.5奥灰顶界面井下注浆0.15地面注浆24.5奥灰顶界面井下注浆奥灰顶界面地面注浆井下注浆0.25表4断层治理钻孔水文参数统计Table 4 Statistics of hydrologic parameters of fault control drilling hole终孔水量出水点平均CL-含量/(mh-l)个数10.87第46 卷终孔方位/（）扫孔m进尺/m孔深/m21.932712.1102359.596347.990335.181325.38114.6812.581351.381341.981332.381855统计结果显示，两组断层治理钻孔累计注浆431.85t，最大单孔注浆量为1 5 7.4t；其中砂岩孔注浆总量为1 7 4.5 t，奥灰顶界面钻孔注浆总量为257.35t，且奥灰孔的单孔注浆量一般大于砂岩孔。4.3施工效果分析施工过程中，各钻孔均不同程度出水，且每个钻孔存在多个出水点，钻孔涌水量随钻孔施工深度注浆量/增加而增加。为探查断层出水情况，施工期间加强7钻孔水文条件观测，并对出水点取样化验。钻孔水0.2文观测情况见表4。16表4中可知，底板砂岩孔的平均终孔水量为0.428.73m/h，奥灰孔的平均终孔水量为5 9.8 4m/h；7.5底板砂岩孔的平均CL-含量为5 7 8.1 0 g/mL，奥灰0.2孔的平均CL-含量为5 7 0.7 3 g/mL。尽管两组钻孔0.3的终孔水量相差较大，但二者的CL-含量较为相当，都远大于同一盘区砂岩水CL-平均含量1 2 3.1 2g/mL，这表明上述钻孔出水均以底板奥灰水为主，DF201断层完全切穿6 煤底板，与奥陶系灰岩联通，断层及周围发育的裂隙使得底板砂岩中赋存着丰富的奥灰水，威胁矿井安全。针对DF201断层及6 煤底板存在的断层及裂隙，采用注浆封堵的方式对6 煤底板进行改造，在后期6 1 2 0 2 工作面回风顺槽掘进过断层期间，顶板仅存在局部淋水现象，底板出水点涌水量显著减0.1小，为巷道的安全掘进提供了有力保障。6 1 2 0 2 回21风顺槽断层附近的总出水量约为1 0 m/h，表明定向钻孔在导水断层治理中发挥了关键作用。孔终孔/(g?mL-)号573.96FH1-43272133152163122133032223032223032373182283092223032223032223032544终孔水量出水点平均CL-含量层位/(mh-l)奥灰顶界面79.2个数/(gmL-)7566.92肖骞等：井下多分支钻孔治理导水断层技术研究与应用续表孔终孔号层位F1-4底板砂岩F1-3底板砂岩F1-2底板砂岩F1-1底板砂岩F1底板砂岩平均5 结 论（1）采用上述稳定钻具组合，在导水断层治理钻孔施工过程中，有效的避免了孔内事故的发生，提高了成孔率和施工效率。（2）该工程共施工1 1 个底板定向钻孔，结合钻孔水文资料观测，证实了DF201断层出水的水源以奥灰水为主，并查明了出水点位置及涌水量大小。（3）采用钻孔注浆工艺对导水断层进行注浆，封堵断层及附近存在的裂隙，有效降低了底板突水风险，改善了掘进迎头施工环境，为巷道掘进提供了安全保障。参考文献：1 姚宁平，张杰，李乔乔.煤矿井下近水平定向钻技术研究与应用 J.煤炭科学技术，2 0 1 1，3 9（1 0）：5 3-5 7.2王庆.定向钻进技术在煤矿保护层开采卸压瓦斯抽采中的应用 J.能源与环保，2 0 2 1，43（5）：2 4-2 8.3张建国，陶云奇，李喜员，等.定向钻进技术在煤与瓦斯突出矿井中的试验研究 J.能源与环保，2 0 2 1，43（6）：9-14.【4 张军.矿井长钻孔随钻轨迹测量技术研究 J.能源与环2023年第8 期终孔水量出水点平均CL-含量/(mh-l)个数21.6621.6547347.5623.9628.7356孔/(gmL-1)号584.39FH1-3582.42FH1-2580.88FH1-1587.78FH1559.17578.10终孔层位奥灰顶界面奥灰顶界面奥灰顶界面奥灰顶界面保，2 0 1 9，41（2)：6 7-7 2.5张甲迪，郝世俊，郑玉柱，等.定向钻进技术在Fd13断层探测中的应用 J.煤矿安全，2 0 1 8，49（2）：1 2 8-1 3 1.6刘徐三.煤矿井下大直径定向钻进技术在水力压裂中的应用 J.煤炭工程，2 0 2 0，5 2（5）：5 8-6 2.7石松林.内蒙古准格尔煤田晚古生代煤系富铝矿物特征及成因 D.北京：中国矿业大学（北京)，2 0 1 4.8 程爱民，孔皖军.定向钻进技术在唐家会矿水害防治中的应用 J.煤炭与化工，2 0 1 9，42（5）：5 6-5 9.9石智军，田宏亮，田东庄，等.煤矿井下随钻测量定向钻进使用手册 M.北京：地质出版社，2 0 1 2.10 石智军，许超，李泉新，等.随钻测量定向钻进技术在煤矿井下地质勘探中的应用 J.煤矿安全，2 0 1 4，45（1 2）：137-140.11刘卫卫，彭旭，王庆，等.煤层顶板砂岩水定向钻孔预疏放效果检验 J探矿工程（岩土钻掘工程），2 0 1 7，44(6):62-64,68.12石智军，董书宁，姚宁平，等.煤矿井下近水平随钻测量定向钻进技术与装备 J.煤炭科学技术，2 0 1 3，41（3）：1-6.13 女姚宁平，张杰，李泉新，等.煤矿井下定向钻孔轨迹设计与控制技术 J.煤炭科学技术，2 0 1 3，41（3）：7-11,46.14 禾程爱民，孔皖军，吴寒.井下惟幕注浆技术在导水断层治理中的应用 J.煤炭与化工，2 0 1 9，42（6）：5 7-6 0.终孔水量出水点平均CL-含量/(mh-l)个数47879847647659.847/(g*mL-1)564.60584.82562.70574.62/570.73（上接第3 4页）（2）在分析深浅孔注浆加固原理的基础上，提出了深、浅孔差异性注浆参数。先低压浅孔注浆，再高压深孔注浆；注浆材料选择上，浅孔应优先选择凝固时间短的材料，并调高浆液浓度，提升胶结效果，深孔优先考虑渗透性，同时降低浆液浓度，增强可注性。（3）通过深浅孔注浆加固，在采动扰动下，深部巷道围岩总变形量明显减小，巷道变形量逐步减缓直至最终稳定，顶板及两帮下沉情况显著改善。深浅孔注浆将深浅部破碎围岩胶结成统一稳定的整体，有效地控制了围岩变形速度，使围岩强度得到明显强化。参考文献：1何满朝，谢和平，彭苏萍，等.深部开采岩体力学研究 J岩石力学与工程学报，2 0 0 5，2 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