摘要：邢东矿煤层埋藏深，在高矿压、高承压水作用下，断层及隐伏导水构造极易变成导水构造，采掘前采用应用水平井定向技术对奥灰含水层垂向导水构造进行探查治理，并结合地面注浆站造浆进行加固。实践表明，该方法的应用有效封堵了奥陶系灰岩顶部岩溶裂隙和排除了大的隐伏导水通道，并对奥灰含水层及导含水通道实施注浆加固，降低了煤层底板突水几率，确保了矿井的安全生产。
关键词：奥灰水防治；水平定向井；注浆加固
1 概况
邢东井田位于邯邢煤田东北部，属华北古板块内太行山次级断块的范畴，地面标高+55～+65m，西高东低，地表自然坡度约为3.3‰。开采深度1000～1237m，煤层埋藏深，-980水平以深区域煤系基底存在500～600m巨厚奥灰强含水层，2#煤层底板承受奥陶系灰岩岩溶裂隙水水压约12MPa，区域构造发育，进入-980水平以深开采后，发生过三次突水事故，突水水源大部分为奥灰水，深部奥灰突水危险性较浅部明显增加。
为了更好的防治奥灰突水，针对-980以深区域实施相应防治水工程，采用“地面定向水平定向分支钻孔群”技术，对岩溶发育程度较高的奥灰八段含水层下部中垂向导水构造进行探查，最大限度的揭露区域内可能的导水构造及奥灰含水层，提前进行预注浆加固阻断奥灰水进入矿井的通道，降低煤层底板含水层突水。
2 水平定向井施工技术及优势
水平定向井技术是利用特殊的井底动力工具与随钻测量仪器，钻成井斜角（分支孔与主孔垂向夹角）大于86°，达到水平并延伸一定长度定向钻井技术，
水平定向井是我国二十世纪九十年代初开始采用的一种新式钻井方法。在邢东矿-980水平以深区域奥灰水防治中施工多分支长距离水平井，不仅可以增大探查孔与奥灰含水层接触面，最大限度地提高对目的层的探查和治理效果，而且可以有效探知钻井范围内目的层和构造的变化情况，在提高隐伏导水构造探查精度的同时，可以使原来在水平方向无联系的裂隙、导水通道等互相连通，扩大了水平井的控制范围，提高了目的层注浆加固的效果，降低了煤层底板突水几率，最终达到根治水害、区域消突的目的。
3 技术难点分析
水平定向井技术集成了水平井与造斜井、分支井和地质导向等技术，技术要求高，施工难度大，对钻探设备、冲洗液、定向仪器、井眼轨迹设计和设备性能等方面都提出了更高的要求。-980水平以深区域探查治理项目水平分支孔面临的主要难点问题概括为以下4点：
1）地层结构复杂易造成钻井事故。该工程应用水平定向井技术的探查对象主要为对矿井安全威胁较大的奥陶系灰岩含水层，在钻探过程中可能会遇到断层破碎带、陷落柱、裂隙、溶洞等导水构造。在钻遇导水构造时，易出现钻井液大量漏失和失返性漏失，造成井口液面下降，液柱压力降低，不能平衡地层压力；孔内坍塌掉块造成卡结、埋钻和定向仪器损坏等事故。
2）曲率半径小，井眼轨迹爬坡角度大、方位摆动大，钻孔轨迹难以控制。一般水平井造斜段曲率半径要求为180m左右，设计最大造斜率为10°/30m，实际施工过程中水平分支孔曲率半径为102.37-156.34m，最大爬坡角度为24.4°。施工过程中导致定向螺杆钻具造斜率达不到设计要求，使钻孔轨迹难以控制。
3）目的层埋深大，施工难度大。针对埋深大和水压高的奥陶系灰岩含水层的探查与治理，由于侧钻点深，轨迹要求为爬坡施工，随着井斜增大，摩阻力和扭矩随之增加。此外，受灰岩硬度、冲洗液密度、粘度、井斜和井眼实钻轨迹等因素影响，岩屑滞留井底或轨迹凹陷处不能及时返出，可造成重复切削研磨，导致钻进速度慢，施工难度增大。
4）分支孔轨迹长，水平段摩阻大，钻压不能全部传递至钻头，影响钻效。S2孔设计孔深3058m，水平段轨迹长1579.40米，水平段关键控制点间距离短、垂向变化大，造成井斜大、井壁托压严重、摩阻大，具体施工时造成钻效低。
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4 钻孔施工
钻孔施工使用陕西宝鸡ZJ40钻机型石油钻机及北京海蓝MWD无线随钻测量仪器，应用造斜、螺杆导向钻具配合MWD无线随钻测斜系统和伽玛地质导向、钻探捞取岩屑、数字化测井等技术，实钻钻孔轨迹与设计轨迹平面偏差和垂直偏差均小于1.50m的高质量钻孔，为奥陶系峰峰八段灰岩含水层预注浆加固创造了条件。钻孔施工共完成1主孔+40分支孔，累计钻探进尺27638.98m，其中水平定向孔进尺26160.38m。
1）主孔直孔段施工。开孔孔径Ф311mm，深度338.53m（进入基岩27.43m），常规物探测井后下入Φ273.05×8.89mm通天套管，固井。
2）主孔造斜段施工。孔径Ф245mm，钻头加螺杆导向钻具配合MWD无线随钻测斜系统和伽玛地质导向定向复合钻进至深度1478.60m（进入奥灰17.85m），常规物探测井后下入Φ193.68mm×8.33/10.92mm通天套管，固井。
3）分支孔施工。所有分支孔以主孔终点（套管底）作为分支点，分别按设计采用Ф152.4mmPDC钻头在进入奥陶系灰岩顶面下70-90m，顺层定向复合钻进，全部裸孔。
5 注浆加固
工程注浆时选用P•O32.5矿渣硅酸水泥，按照水泥浆3：1～1：1的配比进行注浆作业。钻探施工的各个阶段均采用下行式分段注浆方式，即钻探施工过程中一旦冲洗液大量失（钻井液漏失量大于5m3/h）就立即进行注浆加固。钻遇漏失起钻后进行清水替浆、排岩粉、下入潜水泵抽水洗井至水清砂净。每次注浆前，均要进行压水。主要目的是疏通注浆管路及孔内岩石裂隙、测定单位受注层段吸水率等注浆参数。工程注浆量大时，采用间歇注浆方式或水泥单液浆中可加入0.03～0.05%三乙醇胺和0.3～0.5%食盐作为早强剂等辅助注浆材料。注浆终压（总压力）以不小于受注含水层最大静水压力的1.5倍（终压10MPa）、稳定30min以上和单孔吸浆量小于35L／min作为注浆结束标准，有效封堵了奥陶系灰岩含水层岩溶裂隙及隐伏导水通道。
6 治理成果
（1）经过-980水平以深区域实施区域探查治理后，探查治理区域内奥陶系灰岩含水层顶部岩溶裂隙发育地段得到了有效注浆加固，封堵了导水裂隙，降低了含水层的富水性；目前邢东矿已对2125、2126、2224工作面进行了安全回采。
（2）在N4t、N4、N4t-1三孔施工过程中，从岩屑、钻时、伽玛曲线数据分析结合邢东矿井下槽探、超前钻等手段，首次发现X8陷落柱，经注浆治理为矿方井下开采2126工作面消除了突水的隐患。
（3）2125工作面机尾处底板出水，现场开始估测水量约50m3/h，经施工T1水平孔注浆治理后，出水量几乎接近0m3/h，为煤矿安全生产提供了保障。
（4）2222工作面停采后，水量稳定在180m3/h左右，北区南部5个水平分支钻孔（N8-N12）施工治理后，2222工作面出水点已不再涌水，为煤矿安全生产提供了保障。
7 结语
邢东矿-980水平以深区域探查治理项目应用分支孔造斜、定向、随钻测量及地质导向等技术，在进入奥陶系灰岩顶面下70-90m层段内，多个方向顺层定向钻进施工水平分支孔，分支孔间距不大于60m，目标层位呈空间立体布置，增大了探查孔与奥灰含水层接触面、扩大了钻孔控制范围、有效封堵了奥陶系灰岩顶部岩溶裂隙和排除了大的隐伏导水通道，并对奥灰含水层及导含水通道实施注浆加固，降低了煤层底板突水几率，确保了矿井的安全生产。
参考文献：
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[2]赵立松，闫兴达.邢东矿-980水平以深区域奥灰突水机理的研究[J].煤炭与化工，2018，41（8）：53-55.
[3]毕玉明.邢东矿深部开采区域探查治理技术应用[J].煤炭与化工，2017，40（10）：92-94.
作者简介：
马占伟，（1978-），男，河北邢台人，工程师，现任中国煤炭地质总局第二水文地质队邢台项目部副经理。
论文作者:马占伟
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/2
标签：含水层论文; 水平论文; 注浆论文; 分支论文; 定向井论文; 裂隙论文; 钻孔论文; 《基层建设》2019年第1期论文;