程甄(安徽省煤田地质局第三勘探队，安徽 宿州 234100)

0 引言

煤炭在我国能源结构中仍然占据主要地位，煤炭的开采需求一直居高不下，煤炭的开采深度也在不断增加，而灰岩水害对矿井的危害也日益增长。根据淮南潘二煤矿的生产接替规划，需要解放部分A 组煤资源储量来保障矿井生产需要。随着A 组煤的开采，煤层底板的隔水层厚度也在不断减小，加之开采时对地层的扰动破坏，极易发生突水事故，严重影响煤矿的安全生产。为保障工作面的安全开采，需要对采区底板进行探查治理。现阶段针对灰岩水害采用多分支水平井注浆技术对采区底板进行改造成为了灰岩水害治理的重要手段之一[1-2]。

1 地质概况

淮南潘二煤矿位于安徽省淮南市潘集区境内，本次探查治理区位于西四采区陶王背斜南翼，地层整体走向西北60～70°，该区域地质构造相对复杂，断层发育，受断层影响其附近煤层其结构与厚度也存在异常变化。根据现有地质勘探资料以及巷道的实际数据进行综合分析，D5 孔组治理区域内存在长度超过1 000 m 断层共七条，分别为F252、XF206、DF59、F521、DF116、DF115、Fh。

治理区域A 组煤的直接充水含水层主要为3煤顶板煤系砂岩裂隙含水层组和1 煤底板灰岩岩溶裂隙含水层组。1 煤底板至C31层灰岩顶板厚度为11.80～22.62 m，正常情况下，太灰与A 组煤不存在水力联系，而与奥灰存在一定的水力联系。在对A 组煤进行采掘的过程中会导致岩层之间的水动力平衡被破坏，使太灰水直接从1 煤底板进入巷道。根据“5.25”突水事故证明，在非正常条件下，底板灰岩存在隐伏垂向导水构造，一旦破坏和影响到隐伏垂向导水构造，奥灰的岩溶含水层将会成为矿井直接充水的主要水源[3]。

2 地面区域治理方案

为完成井下安全开采的目的，需要对灰岩水害进行超前治理，以往使用的底板注浆改造技术局限性较大，需要采、探、治相结合，会造成施工周期的延长，治理深度和面积都难以满足持续采煤的需求，受井下环境影响，不仅施工难度大，还具有一定的风险性[4]。本次治理采用多分支水平井注浆技术，就很好的避免了以上问题。根据治理区域的水文地质情况选择合适的施工层位，从地面施工一个水平孔作为主孔，再从主孔施工分支孔辐射至整个治理区域，对治理区域水平方向进行全面探查，揭露可能存在的导水构造并通过注浆来进行改造，使A 组煤达到安全的开采环境。

2.1 施工目的层

目的层的选取是地面区域治理的关键，既决定了地面区域治理的效果，又关乎地面区域治理进度及成本。根据以往施工总结经验，淮南地区影响地面区域治理目的层位选择的决定性因素是突水系数要求，是确保煤矿井下安全开采的必要条件。其他因素如：含水层水力联系和水动力条件影响地面区域治理进度；导水构造关系地面区域治理成本与效果；灰岩间距影响注浆后的隔水性能，这些因素对地面区域治理的施工和治理效果也起到重要作用。

淮南潘二矿地面治理区域的水文地质条件，综合考虑突水系数要求、水动力条件、含水层水力联系、导水结构、灰岩间距等(表1)影响因素分析，选择C39作为地面区域治理较为合适。

表1 目的层选择简表

2.2 钻探施工

两淮煤田水害防治多分支水平孔一般采用三开式井身结构：

(1)一开段，0～340.00 m，孔径φ350 mm，至基岩面以下30 m 左右的稳定地层(孔深以实际揭露为准)，下入φ273×8.89 mm J55 石油套管，不低于P.O42.5型水泥固井，隔离第四系、表土地层。

(2)二开段，340.00～860.02 m，孔径φ244.5 mm，钻进至目标层(1 煤底板80 m 深度或太原组C39 灰岩)，接近顺层，下入φ193.7×8.33 mm N80 石油套管；不低于P.O42.5 型水泥固井。

(3)三开顺层裸孔段，孔径φ152.4 mm，沿1 煤底板80 m 深度跟深钻进或沿太原组C39 顺层钻进至设计终孔深度。

在完成主孔的钻探与注浆施工后，在主孔合适位置处进行侧钻施工，将多分支水平井孔组以羽状分布对治理区域进行全面覆盖，最大程度揭露治理区域的导水构造。根据《安徽省煤矿防治水和水资源化利用管理办法》规定“地面顺层定向钻孔间距根据注浆扩散半径合理确定，未考察注浆扩散半径的孔间距不大于60 米”[5]。在保证钻孔偏差不大于2 m 的前提下，钻孔间距定为55 m。

2.3 注浆施工

通过钻探对目的层进行探查，揭露目的层存在的导水通道和储水空间，再通过注浆对揭露的导水通道和储水空间进行封堵填充，从而将1 煤与灰岩之间的垂向导水通道进行填充加固，避免A 组煤开采过程中灰岩水涌入巷道，保障矿井的安全生产[6]。

注浆材料主要为水泥，采用M32.5 水泥。浆液比重和配比：浆液比重1.20～1.60 g/cm3。浆液以1.20 g/cm3起注，起注2～4 h 后调整浆液比重至1.29 g/cm3，正常注浆以浆液比重1.29 g/cm3结束。如果出现漏失量较大的孔段，可以适当增加泥浆比重，要求泥浆比重最大不能超过 1.60 g/cm3。正常情况下，注浆终压应不小于钻孔水平段所在位置奥灰含水层静水压力的1.5 倍，维持30 min，排量不大于60 L/min，吸水率不大于0.01 L/(min·m·m)；当钻进过程中发生冲洗液漏失大于3 m3/h 时，需要起钻进行注浆加固后，再向前钻进。

3 施工难点

由于淮南潘二煤矿地质构造复杂，断层发育，煤层受断层切割破坏严重，同时地面水平孔现场布置受地面建筑等因素的限制，导致地面水平孔施工过程中存在非常多的技术难点。为解决施工过程中存在的问题，从多方面出发研究分析问题产生的原因从而提出更好的解决方法。

3.1 钻进难度大

施工水平段最长为1 350 m，随着钻进孔深的段增加，钻具水平段与孔内接触面积也成比例增加，使得钻进过程中受到的摩阻和扭矩不断增高，导致钻压全部作用在钻具上，未能传递到钻头处。并且由于施工地理位置影响，导致部分分支孔需要逆地层走势钻进。随着钻压和扭矩的不断增加，扭矩和压力无法释放，会严重损伤钻具，甚至破坏孔壁造成埋钻和憋泵。

3.2 顺层难度大

综合考虑突水系数要求、水动力条件、含水层水力联系、导水结构、灰岩间距等因素将治理层位选择为C39灰岩，C39平均厚度1.69 m，治理区域内褶皱及断层构造较多，顺层难度很大。C39顶板岩性以多为砂泥岩互层，C39底板板岩性以砂质泥岩为主，夹薄煤层，这种层位的钻孔孔壁不稳定，易埋钻卡钻。

3.3 易形成岩屑床

钻具在水平段受重力作用下靠近下井壁，使的钻井液上返过程中在钻具上下两侧产生流速差，甚至下侧流速有可能为零，使得岩屑更易出现沉积，难以清理，并导致岩屑床的产生[7]。随着水平距离的增加，钻孔轨迹上下起伏情况更严重，岩屑在起斜段也更易形成岩屑床。岩屑床无法清理会逐渐加厚，从而影响使钻具摩阻增大，影响施工进度，还会造成卡钻事故。

4 关键技术

4.1 无芯钻进跟层技术

本工程钻进方法为无芯钻进，在长距离顺层钻进的过程中，需要同时对钻进过程中遇到的地质异常情况进行判断分析，便于查明1 煤底板可能存在断层裂隙或陷落柱等地质异常体。虽然目前定向技术已经日渐成熟，但通过射线传递反馈信号存在滞后效应，不利于及时发现异常情况。为保障钻孔在目的层位内顺层钻进以及异常情况判断，采用“无线随钻测量、随钻伽马测井、岩屑录井、钻时录井、钻井液录井相结合”的综合井控工艺[8]，将既得数据与以往数据快速对比分析，结合探查区域地质信息，对钻孔轨迹进行及时调整。

4.2 钻具组合

根据理论研究及现场施工经验，结合所钻遇地层及定向施工需要，水平分支段前期采用φ152.4 mmPDC钻头+ φ121 mm 单弯螺杆+ φ121 mm 定向短接+ φ121 mm无磁钻铤(MWD+Gamma)×1 根+ φ89 mm 钻杆串。后期由于钻具为平躺在井眼中，受重力作用和地层走势的影响，钻具下部紧贴孔壁，摩擦阻力与扭矩大，直井段自重不易传递到钻头，通过在直井段加加重钻杆串来增加钻具自重，提高水平段克服托压的能力。

在钻进过程中加重钻杆串下到造斜段时其自身加重作用减小，通过短起调整钻具位置，将加重钻具调整回直井段。并且在短起过程中循环钻井液，对孔内堆积的岩屑进行清理，防止出现岩屑堆积形成岩屑床。

4.3 优化钻井液体系

水平段目的层为灰岩地层，较为稳定，但是由于水平段较长，岩屑移动距离较长，需要钻井液有很好的携岩能力，为降低长水平段钻具扭矩还需要适当增加其润滑性能，同时为防止钻井液堵塞裂隙导致注浆效果差，因此选择使用无固相钻井液体系。配方如下0.3%～0.6% 抗盐共聚物(GTQ)+0.1%～0.2% 包被剂+1%～2% 无荧光润滑剂(GULB)。在钻进过程中需要对泥浆性能进行维护，使用振动筛、除泥器等设备做好固相清理工作。并适当添加润滑剂、抑制剂等使钻井液保持良好的润滑性、抑制性和携砂性[9]。

5 现场应用

以D5-10 分支孔为例，水平段采用岩屑录井、伽玛数据、钻时录井联合判层，采用无线随钻测量系统监测钻孔轨迹，跟层率达89%，平面上最大偏差1.32 m。根据钻时录井、岩屑录井、简易水文观测探查及注浆成果分析，该分支孔探查范围内无明显垂向导水通道连通奥陶系灰岩，无陷落柱等异常导水构造。

对该分支进行分段注浆，注浆前进行压水实验，分段压水吸水率：0.002 23～0.000 554 L/(min·m·m)；注浆结束泵量60 L/min，稳压30 min，注浆终压11.31～12.3 MPa，符合设计要求；注浆后吸水率0.000 38～0.000 176 L/(min·m·m)。注浆质量合格。

6 结语

通过对潘二矿西四采区A 组煤地面区域治理工程研究分析，针对该地区地质概况总结了施工难点以及应对措施，为后续西四采区的地面区域治理工程提供参考借鉴。施工过程中由于水平段较长加之地层走势原因，出现托压现象，导致进尺缓慢甚至无进尺，严重影响工程的持续进行，通过调整钻具组合，控制泥浆参数恢复进尺，保证了施工的正常进行。而受淮南地质概况影响导致的顺层难度大，在施工过程中采用的“无芯钻进随钻测量、伽马测井、岩屑录井、钻时录井、钻井液录井、简易水文观测相结合”的综合井控，使得顺层率达到了设计要求。