孔皖军，白 明

（鄂尔多斯市华兴能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯017000）

0 引 言

定向钻进技术是指从地面垂直开孔，以一定角度在目标层位灰岩中施工定向分支钻探孔探查垂直隐伏构造并进行注浆改造的一项新的水害探查治理技术。定向分支钻孔，就是在地面钻凿直孔，在适当的深度进行定向造斜施工，在一定深度形成轨迹受控水平定向水平（近水平）孔，在水平孔一侧或两侧实施带状若干分支孔。与煤矿传统井下探查孔相比，具有控制面积大、轨迹受控精度高、施工设备能力大、施工安全程度高、不受场地环境影响、可进行超前探查等优点。

断层突水主要有两种，一是导水断层突水，采掘揭露断层时发生突水；二是非导水断层在矿山压力作用下，由非导水状态转化为导水状态，形成突水通道，导致突水。断层上、下盘在采动影响下发生相互错动的过程称为断层活化，实质就是开采盘沿断层面产生剪切变形，断层带产生新的裂隙。非导水断层通过活化，破坏了断层带中的胶结物，增大了断层带岩体的渗透性；上、下盘变为“断开”状态，为突水通道的形成提供了有利条件。

1 治理背景

2018年，唐家会煤矿61201工作面正在回采，61208工作面未掘，由于61208为下一个回采工作面，为保证生产，需要在61208东侧掘进一条西翼胶带机巷，该巷道位于矿井一盘区西翼，南起61201运输顺槽，北至矿井边界保护煤柱线，西邻61201、61207、61208工作面，东临6煤回风大巷。

唐家会矿主采煤层为石炭-二叠系6号煤，该煤层距离该煤层下部的奥陶纪灰岩层约为40～60 m，煤层底板承受奥灰水压力约为1.5 MPa，底板奥灰水对该矿井安全生产有着重大威胁。据已有的三维地震解释结果以及矿井生产过程中61201工作面、6煤回风大巷及风副北联巷等掘进过程中实际揭露的地层资料可知，此西翼胶带机巷在掘进期间可能揭露有4条正断层，即F201-H1、Ff3、F201-H2、DF2-1，如图1、图2所示。此4条正断层倾角约为60°～80°，最大落差12.4 m，最小落差1.8 m，平均落差6.3 m，这些断层同属DF2断层组。风副北联巷揭露DF2断层时，出水量达500 m3/h，说明该断层为导水断层。为保障翼胶带机巷安全掘进，决定对该巷道中的断层进行注浆加固治理。

图1 胶带机巷与DF2断层相切的平面位置示意Fig.1 Position of belt roadway and DF2 fault

图2 胶带机巷与DF2断层相切的剖面位置示意Fig.2 Section of belt roadway and DF2 fault

2 治理设计

2.1 钻孔设计

为确保井下一盘区西翼胶带机巷安全通过DF2断层，从地面设计2个定向钻孔F1和F2，如图3、图4所示，利用定向钻孔对DF2断层的灰岩根部进行断层治理。定向钻孔F1目标层位为奥灰层下10～20 m，旨在先对胶带机巷正下方的DF2断层组的灰岩进行注浆封堵。定向钻孔F2的目标层位为奥灰层正上方的9下煤底板砂岩，设计的F2的主要意图在于两点，一是由于F2是后于F1施工，故F2在施工的过程中可以检查F1的施工效果，并可以对其进行效果评价；二是对9下煤底板的断层进行注浆封堵，保障DF2断层组的治理效果。在地面定向钻施工完成之后，在巷道掘进过程中再次设计多个井下断层探查孔，用于对此次地面定向孔导水断层治理以及底板加固的效果评价。

图3 钻孔设计平面示意Fig.3 Borehole design plane

图4 钻孔设计剖面示意Fig.4 Borehole design section

2.2 注浆设计

由于唐家会煤矿现有注浆站能力小，为满足注浆需要，在矿工业广场钻场边新建临时注浆站对此次设计的1号孔进行注浆。注浆水泥采用PO32.5硅酸盐水泥，造浆用水水质须满足SO42-含量<2 700 mg/L、pH>4。此次超前治理注浆采用孔口封闭静压前进式分段注浆法。注浆前先进行压水，注浆中若吃浆量大，可用稠浆进行注浆或采用间歇式注浆法；若吃浆量小，可用稀浆进行注浆。单回次注浆起压等凝后，要进行扫孔再注浆，若能吃浆还需继续注浆，然后再扫孔，直至扫孔不吃浆然后继续向前钻进，如此循环式前进。注浆顺序采用插花式跳孔施工方法，先注两边孔，再注中间孔，然后再在已注浆孔之间穿插注浆。后序钻孔注浆时可对前序钻孔的注浆效果进行检查。

本次注浆地面孔口压力设计为6 MPa。注浆终止时设计地面泵量不大于60 L/min，稳定时间设计不小于15 min。

2.3 地面钻孔施工与测试系统安装

钻探设备为1台石油ZJ30钻机及其配套装，注浆设备为5台3NBB-390注浆泵，使注浆站的最大注浆能力达到2 808 m3/d。

3 施工情况

3.1 钻探施工

钻孔一开为直孔段，孔径311 mm，钻至石千峰组约20 m处新鲜基岩，孔深约170 m，下入170 m长φ244.5 mm×8.94 mm一开套管。钻孔二开为导斜段，孔径215.9 mm，孔深原则上进入到奥灰风化带以下完整灰岩中，奥灰风化带以上9煤以下坚硬完整的岩层中，下入φ177.8 mm×8.04 mm套管。1号孔二开套管长度669 m。

F1孔于2018年11月22日开始施工三开裸孔段，至2019年1月7日结束。三开裸孔段共完成钻探6回次，三开累计进尺390.96 m，孔深925.96 m。F2孔于2019年1月9日开始施工三开裸孔段，至2019年1月11日结束。三开裸孔段共完成钻探1回次，三开累计进尺274.5 m，孔深930.5 m。

F1钻孔6回次施工如图5所示。

图5 F1分支钻孔施工Fig.5 F1 branch drilling construction

在设计F1分支孔轨迹时，预计钻遇断层时岩性为奥灰，进入奥灰下10～20 m，在F1的6回次钻探中，第一回次和第二回次在孔深为724 m、731 m出现钻井液大量漏失，根据图5可知，此漏失位置为刚进入奥灰层位，然而却并非在DF2-1和F201-H2断层的位置，故推断此处可能奥灰层位岩溶裂隙发育，钻井液沿岩溶裂隙漏失；第三、第四、第五回次钻井液大量漏失的位置刚好在DF2-1断层附件，符合预期；第六回次钻井液大量漏失位置处于F201-H2断层附近，同样符合预期。F2钻孔施工如图6所示。

图6 F2分支钻孔施工Fig.6 F2 branch drilling construction

F2分支孔的设计及实际轨迹均在9下煤底板砂岩中钻进，钻遇断层时岩性也为砂岩，整体钻进效率最高，钻探1回次即至终孔位置，且也未出现掉块、埋钻等异常情况。主要有两方面原因，一方面主要与钻遇断层时岩性有关，砂岩自身较为致密、坚硬，返出岩粉细小，颗粒感明显，易随钻井冲洗液冲出，不易包裹钻头，因此钻进效率高；另一方面F2分支孔受F1分支孔注浆影响，F1分支孔注浆时，部分进入断层带的浆液与断层带内部充填物胶结、凝固、硬化，避免其他分支孔钻遇断层时出现掉块、塌孔、埋钻现象。

3.2 注浆施工

F1钻孔三开裸孔段共完成注浆6回次，均采用混合浆注浆，累计注入水泥7 097 t，注入粉煤灰5 911.77 t，考虑到钻孔与巷道和采空区距离较近，注浆压力4～6 MPa。6回次注浆量统计如图7所示。可以看出，第四回次和第五回次的注浆量远远多于其余4个，而第四回次和第五回次的终孔位置为DF2-1断层附近，表明DF2-1断层较为发育，并且岩溶裂隙可能也较为发育。

图7 F1钻孔6回次注浆统计Fig.7 Grouting statistics of F1 drilling hole in 6 passes

三开裸孔段共完成注浆1回次，采用混合浆注浆，累计注入水泥89.55 t，注入粉煤灰114.27 t。注浆压力均7 MPa。

4 断层治理揭露验证情况

F1、F2分支孔施工结束后，在掘进过程中井下施工9个前探孔，分别为4-1#、4-2#、4-3#、4-4#、4-5#、4-6#、4-7#、4-8#、4-9#，用于探查该处断层治理后出水情况，如图8、图9所示。

图8 井下前探孔施工剖面示意图Fig.8 Construction section of the front borehole

图9 井下前探孔施工平面示意Fig.9 Construction plane of the front borehole

从前探孔的布置来看，仅4-1#钻孔终孔层位在主采煤层6煤底板，其余8个前探孔均在所治理的9下煤底板中。

4-1#孔为前探孔中水量及注浆量比较小的孔，主要原因是该孔平面位置上位于F1分支孔正上方，F1分支孔注浆对其也有一定影响；同时该孔层位属本批次前探孔层位最高的孔，位于6煤底板，该层自身富水性差，单位涌水量小；最后该孔仅揭露F201断层，未揭露DF2-1断层，该孔出水仅受底板含水层及F201断层影响。该孔在揭露断层后出水，水量较少为2 m3/h，随着进入含水层长度逐渐延伸，水量有所提升，但整体不大，终孔时水量较之前减少，说明该区域钻孔出水以含水层静储量为主，F1分支孔基本封堵住该区域断层导水通道，治理效果较好。

4-2#孔平面位置位于巷道西侧，与F2分支孔处于同一侧，前期钻探揭露F201断层时，水量均较小，为1.6 m3/h，当钻孔进入DF2-1影响范围内时，水量突增至24 m3/h，预计4-2#孔中50.05 t注浆量主要受注段为该水量突增区域，即揭露的DF2-1断层段。而4-2#孔揭露DF2-1断层位置与F2分支孔揭露断层位置距离为23 m，因对该孔未进行疏放，不排除F2分支孔注浆未能沿断层带扩散20 m以上范围的情况。

4-3#孔平面位置位于巷道东侧，与F1分支孔距离最远，该侧未施工断层治理钻孔。4-3#孔开孔后，水量不大，仅4.6 m3/h，当钻遇断层后，水量突升至27.2 m3/h，终孔水量为27.5 m3/h，预计该孔82.1 t注浆量主要受注段为该孔水量突增点即揭露F210断层位置。同时该突变点与F1分支孔平面位置距离为23 m，但仍不能排除F1分支孔注浆未能沿断层带扩散20 m以上范围的情况。

4-4#孔平面位置位于巷道东侧，与F1分支孔距离较近。该孔在钻遇F201断层时水量未出现明显变化，而是随着钻孔在含水层中延伸，水量逐步增大，判断该钻孔出水为揭露9下煤底板砂岩裂隙出水，非断层出水。

4-5#孔平面位置位于巷道东侧，与F1分支孔距离较远。该孔在钻遇F201断层时水量未出现明显变化，而是随着钻孔在含水层中延伸，水量逐步增大，但水量较4-4#孔小，判断该钻孔出水为揭露9下煤底板砂岩裂隙出水，且前期4-4#已对该区域水进行了疏放，非断层出水。

井下钻孔最大出水量和注浆统计如图10所示。总体而言，井下断层探查孔钻遇DF2断层后出水量明显小于F201断层，主要原因是地面断层治理孔是自东向西治理断层，即断层治理孔先揭露DF2断层后，揭露F201断层，在注浆治理过程中，大量浆液先进入DF2断层，后进入F201断层，且进入DF2断层的注浆量会明显多于进入F201断层的注浆量，导致井下前探孔水量存在差异，因此后续对断层组进行治理时应在前遇断层治理达标后再治理后遇断层，以实现断层组的预期治理效果。

图10 井下钻孔最大出水量和注浆统计Fig.10 Maximum borehole water output and grouting statistics

5 结 语

在此次地面定向靶向治理导水断层技术实践中，为确保井下一盘区西翼胶带机巷安全通过DF2断层，设计2个地面定向长钻孔F1、F2，对DF2断层组进行治理，并在胶带机巷掘进的过程中使用井下前探孔的方法对断层治理的结果进行探查。从井下前探孔的探查结果可以看出，地面定向长钻孔在对DF2断层进行注浆治理时，断层附近泥浆扩散具有不均一性，这表明该9下煤底板导水裂隙或孔隙的分布具有各向异性。通过这项工程实践可以得出，井下前探孔对于地面定向长钻孔进行断层治理至关重要，井下前探孔不仅可以对该断层治理效果进行评价分析，还可以对该断层治理中不足的地方进行二次加固，是保障井下安全生产的重要手段。在胶带机巷掘进过程中通过DF2断层时，揭露断层无水，断层带中有水泥结块，表明断层带被水泥浆充填加固彻底，治理效果较好。