Discussion on the Application of Directional Branch Hole in Extra Large Hydrodynamic
Grouting and Water Blocking Project
江波 JIANG Bo
（淮北矿业集团公司通防地测部，淮北 235000）
（General Inspection Department of Huaibei Mining Group Corporation，Huaibei 235000，China）
摘要：煤矿采区地质存在水量高、压力大等特点时，采矿过程中极易出现突水事故。一般涉及到特殊水文地质条件，会采取动水注浆堵水工程对含水层进行治理。本文主要分析定向分支钻孔在特大动水注浆堵水工程中的应用，结合具体案例，分析定向分支钻孔的技术要点和应用方案，提高特大动水注浆堵水工程施工有效性，确保煤矿生产安全。
Abstract: When the geological conditions of coal mining areas are characterized by high water volume and high pressure, water inrush accidents are highly prone to occur in the mining process. Generally, it involves special hydrogeological conditions, and the aquifer will be treated by the hydrodynamic grouting and water blocking project. This paper mainly analyzes the application of directional branch hole in the special hydrodynamic grouting and water blocking project. Combining with specific cases, it analyzes the technical points and application schemes of directional branch hole, and improves the construction efficiency of the special hydrodynamic grouting and water blocking project to ensure the coal mine production safety.
关键词：定向分支钻孔；特大动水；注浆堵水
Key words: directional branch hole；extra large dynamic water；grouting and water blocking
中图分类号：TD745 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）24-0208-02
0 引言
定向分支钻孔技术是一项较新的煤矿生产技术，在世界范围内均有广泛的应用。实际工作中，大部分煤矿生产选择底板含水层注浆堵水的方式，对含水层条件进行改造。该方法结合含水层特性、突水点的水量变动情况及钻孔可使用情况等，选取适当的注浆材料及配比进行灌注，进而达到堵水的目的。定向分支钻孔使钻孔的选取更为灵活，优化注浆堵水工作质量，具备造价低、施工简单、适用性强等优势。
1 工程案例背景简介
某煤矿年产量在89万t，煤矿矿井面积约为5.6km2。煤矿所处位置为平原地区，平均海拔在+60～+70m，地表呈现3.2%左右的坡度，当地不存在较大的自然水系以及水利工程。地层构造主要为奥陶系、二叠系和石炭系等。其中，3煤为该煤矿的主要采煤层，此次发生突水事故生在该采煤层，事故工作面地处矿井右翼，走向长度为1578m，倾向长度为135m。发生突水事故之前，该工作面已完成距离880m。
此次突水事故的水源为煤层底板的奥灰含水层，其厚度在610m，与底板相距160m，富水性极强，水分通过断层、裂缝等构造突入矿井。突水事故发生过程中，突水水量表现出明显的上升趋势，最开始监测到突水量为60m3/h，过程中最大突水量已高达12000m3/h，工作面被淹。
煤矿决定采用定向分支钻孔，对此次特大动水注浆堵水工程进行处理，历时91d，完成钻孔作业共计12个，钻进深度7800m，使用水泥7.2万t，堵水效果显著，遂决定对此次事故中使用的技术及经验进行总结。
2 定向分支钻孔在特大动水注浆堵水工程中的应用
2.1 定向分支钻孔技术要点
2.1.1 钻孔结构设计
结合矿井突水事故作业面的实际情况，设计钻孔的钻进深度和垂深，采用水泥材料制作固管。本工程选用型号为P.O.42.5的水泥材料进行固井，完成注浆作业3d之后，进行扫孔直至距离孔底0.5m处，依照相应的规范开展注水试验，连续试验8h以上，过程中对水位进行实时观测。试验合格的标准时，每小时发生液面下降的高度在10mm之内。若未达到改变准，要求重新进行注浆，再次注水检测。
2.1.2 钻孔轨迹控制
影响定向分支钻孔轨迹的主要因素是斜直孔及造斜段，要求将点坐标差控制在2m范围之内。另外，水平孔的点轨迹水平误差和垂直误差均不能超过2m。以上误差并不绝对，在不影响钻孔安全的前提下，可根据现场实际情况调整误差标准[1]。
2.1.3 数据记录要求
第一，对岩屑数据的记录。在煤矿的松散层不涉及打捞砂样的操作，实时观测岩面的变化，当接近奥灰含水层时，每米的作业量要求打捞砂样1次，对砂样进行检测。整合最终获取的岩屑记录数据，对地层特点进行初步分析。第二，钻孔时的数据记录。从基岩段开始，每米选取1个记录点，直至作业完毕。实时记录钻孔过程中是否出现突变，保证煤层可被第一时间被发现，并对煤层的厚度、深度等参数进行准确的预估。操作中尽可能确保参数稳定，使其可真实、可靠的反应矿井底层信息。定期检测井深，要求每完成单眼钻孔操作或者起钻时，对井深进行重新校对，要求将误差控制在0.1m之内。整个矿井中，被漏取的钻点不应高于0.5%，尤其在目的层，应杜绝漏取问题的发生。第三，对钻井液的记录。钻井液的全面观测每8h进行1次，要求覆盖钻井液的全部性能参数。一般性能，例如钻井液的密度、粘合度等，通常每2h测量1次。确保获取参数的连续性，详细进行记录。
2.1.4 简易水文地质观测
简易水文地质观测也是特大动水注浆堵水工程的主要工作之一，具体的观测节点总结如下：起钻后、下钻前；连续钻进每2h，观测钻井液的液面高度；当钻进到目的层后，观测频率改为1h每次；当钻进到奥灰含水层后，观测频率改为每0.5h一次。
2.1.5 冲洗液的调配
定向分支钻孔中，直孔作业段对冲洗液没有提出额外要求。在水平段，要求使用化学冲洗液，对泥浆进行处理，以确保水平方向钻孔的顺利程度。含沙量性能的控制一般使用搅拌器、振动器等设备进行。适当使用润滑剂和抑制剂，对钻井液的性能进行调整。例如，当泥饼的摩擦系数不大于0.1、含沙量不大于0.5%，且低密度固相的含量未超过12%时，钻井液的粘度为动切力的2倍为宜。
2.2 定向分支钻孔应用方案
本工程采用的钻机型号为SCHRAMM（R）T200 XD，配合智能测控系统，对钻孔的轨迹进行实时监控，以保证各项作业的时间节点的准确性。除了很好的应对坡度大、压力高、水平阻力明显等钻孔技术难题外，本工程方案还具备以下特点：第一，融合了无线随转定位技术，对复合钻孔过程进行配合和监督。第二，深入挖掘岩性特点，设计钻具组合方案。第三，依照钻井斜率的变动，适当调节造斜率的大小，以保证钻孔位置的精确。第四，选取高性能的水泥并对注浆操作进行优化，使得泥浆在钻孔中充分的填充和渗透。注浆堵水工程的一大质量影响因素就是，泥浆会随着水分的增加而流出，想要在导水通道中保有充分的泥浆相对困难。因此，该工程决定提高每次注浆的流量，并在前期采用连续注浆、后期采用间歇作业的形式。
整个施工过程中，堵水材料被运输至指定的位置并发生渗透、扩散和固化，提升煤矿底板性能，减轻水压、作业荷载对底板的影响。强化岩层的自身强度和阻水能力，实现堵水目标。经过反复扫孔注浆，本工程的突水点被全部处理达标，堵水率达到100%。
3 定向分支钻孔在特大动水注浆堵水工程中的质量控制
3.1 严格控制钻孔轨迹
开展钻探作业前，对钻机及其他辅助性设备依照相应的标准进行安装和调试，确保安装位置的精确性。例如，天车、转盘、孔口等结构的位置误差应控制在10mm之内[2]。正是使用前进行试转作业，检查设备是否运行正常，通过后再开始之后的工序。钻机参数及钻具的搭配需要依照煤矿突水作业面的实际地质条件和突水情况进行选择，过程中重点关注钻孔轨迹，一旦发现轨迹出现明显的偏移立即进行调整。
3.2 做好防塌防漏工作
在应用定向分支钻孔技术的过程中，煤层受负荷的影响存在垮塌的可能，要求开展防塌防漏作业。提升煤层的粘度比，做好钻井液的维护与管理工作。在实际工作中，选用添加防塌剂的方式对其进行处理，以确保钻孔作业过程安全。
3.3 防止出现吸附卡钻
吸附卡钻的现象一般出现在矿井的砂岩层，当采用定向分支钻孔进行突水事故处理时，也容易发生该问题。为避免吸附卡钻，可在钻井液中添加润滑剂，以减轻钻机受到的摩擦力大小。优化钻具的搭配方案，合理选取加重钻的位置，并配备水利振捣器，同样可起到减轻钻具摩擦的效果，确保钻机在上下运行的过程中平滑、流畅。具体操作时，确保钻机平稳，做好机具日常维护保养工作，以对吸附卡钻现象进行预防。
3.4 合理安排施工流程
首先，优化设备选型。施工前，对突水作业面的岩层进行全面的探测，根据定向分支钻孔的参数，配合钻头厂家开展技术研究工作，以便配置性能最佳的钻头。一般来说，斜直孔位置的机械钻效应达到4.9m/h，水平孔位置的机械钻效应达到2.6m/h。其次，做好作业过程中的数据记录工作。在进行钻孔作业时，详细记录钻孔的时间、岩屑量等参数，以此来判断矿井的底层特点，以确保钻孔内安全。根据钻井设计方案，记录水文观测数据。观察并记录钻井液的消耗情况，及时发现漏失问题并上报，寻求处理意见。当钻井液的漏失量达到5m3/h后开始钻孔，设置潜水泵，将钻孔内的水抽干并进行清理。当钻孔内的水、沙清理干净后，再开始注浆操作。再次，适当设计钻具搭配方案。施工中使用水力振荡器可明显提高操作效率，以免进度缓慢，影响后期煤矿生产。通过大量实践经验总结，在未使用水力振荡器时，机械钻效在3～4m/h左右，而辅助振荡器之后，钻效最高可达8.7m/h，效率约为之前的2倍[3]。为确保钻孔安全，还可适当提高短起钻的次数，提升泵量冲孔循环密度，确保钻孔过程中产生的大量岩屑能够被及时清除。最后，严格控制定向分支钻孔的轨迹。保证施工过程中信息交流畅通，及时与定向技术人员及钻孔作业人员进行协调，选择地质条件较佳的位置进行钻孔。若地层的进尺速度较慢，可选择复合钻进的方式，在提升钻进速度的同时，保证钻孔轨迹的正确性。
4 结论
定向分支钻孔技术的应用使得煤矿开采作业可在更多特殊的条件下顺利进行，通过对底板的注浆加固处理，提升特大动水注浆堵水工程的施工效果。目前，该技术的研究重点在机具的改进与创新上，并尝试提升相关操作的自动化程度，促进定向分支钻孔技术的进一步应用，提升煤矿生产能力。
参考文献：
[1]聂新明.水平定向分支注浆钻孔洗井工艺探讨与研究[J].科学技术创新，2019（01）：12-13.
[2]刘松.定向分支钻孔在特大动水注浆堵水工程中的应用[J].内蒙古煤炭经济，2018（18）：20-21.
[3]郭黎.浅谈煤矿定向多分支钻井技术的应用——以邢东矿-980水平以深区域探查治理项目为例[J].化工管理，2017（36）：87-88. |
