地面钻孔截堵井下巷道形成屏蔽隔水墙的技术应用论文_李 川

摘 要部分废弃巷道在煤矿开发生产当中存在巷道导水的隐患，为保障矿井安全生产，彻底消除隐患，在井下无法施工封闭墙的情况下需要在地面实施钻孔对导水隐患巷道进行注浆封堵，建立屏蔽隔水墙。地面实施钻孔注浆工程堵水解决存在的隐患是防治水工作的一项新的工艺和技术。本文针对淮北矿业集团A煤矿施工情况，介绍了地面钻孔截堵井下巷道形成屏蔽隔水墙技术。

关键词 定向钻进；数值模拟；轨迹控制；投砂；注浆

Technical application of blocking underground tunnel by ground drilling to form shield water-proof wall

LI Chuan

（China Resources Exploration Technology Co. Ltd.）

Abstract： In order to ensure the safety of production in the mine and eliminate the hidden danger of water diversion in the roadway, when the sealing wall can not be constructed underground, it is necessary to carry out grouting and sealing to the hidden water-conducting tunnel by drilling holes on the ground, and to set up the shielding water-proof wall. It is a new technology and technique to solve the hidden trouble of water plugging in surface drilling and grouting engineering. According to the construction situation of a coal mine of Huaibei Mining Group, this paper introduces the technology of blocking the underground tunnel by drilling holes on the ground to form the shielding water-proof wall.

Key words: Directional drilling;numerical simulation;trajectory control；sand casting；grouting

在矿井废弃巷道可能引发邻近工作面水害、且无法在井下建立隔水墙体的情况下，创新治水堵水思路，引用石油定向钻井技术，通过地面钻孔建立一组连接地面和井下巷道的钻孔，然后通过钻孔在井下建立封堵墙。这一思路的提出，成功的解决了废弃巷道导水问题，释放邻近工作面产能，消除了水害。本文以淮北矿业A煤矿为例，介绍了地面钻孔截堵井下巷道形成屏蔽隔水墙的技术应用。

1地面钻孔巷道内形成隔水墙的基础理论

1.1治理思路

先施工2个投砂截流注浆钻孔，贯通巷道后，在注浆钻孔内先投砂，然后注浆，最后施工2个投砂注浆钻孔间的检查孔，检查孔既能对注浆封堵效果进行检验，又能对墙体进行加固密实，原理图见图1-1。在JZ1孔和JZ2孔两个钻孔内先投砂，压水，投砂，直至钻孔左右形成约40m的砂堆后注浆；J-检孔验证墙体形成情况，注浆充填JZ1孔和JZ2孔两孔之间的砂堆间隙，起到加固密实隔水墙体的作用（见图1-1）。

图1-1 A煤矿Ⅲ631切眼地面钻孔注浆工程井下隔墙示意图

1.2钻孔技术

1.2.1钻孔轨迹控制

实施截堵巷道首先需要建立地面和井下巷道的联通通道，井下巷道一般宽度2～4m左右，深度不一（A煤矿巷道深度约400m）。因施工地面立孔，受到地层倾角、钻井参数、钻具组合等多方面因素的影响，地面钻孔很难保证钻孔垂直度，很难保证一次贯通井下巷道，因此结合煤田实际情况，引用石油定向钻井技术，设定透孔靶点位置，通过定向轨迹设计[1]，按照设计全程钻孔轨迹控制，确保钻孔一次贯通井下巷道。

1.2.2数值模拟技术应用

钻孔轨迹受到多种因素的影响很难保证垂直度，钻孔轨迹在平面上和剖面上都有波动变化，因此通过定向钻井轨迹计算，获取当前轨迹位置及后续轨迹自然发展趋势，如果偏离巷道位置，则立即实施定向钻进，朝目标巷道位置施工。因此建立定向轨迹计算模型，建立井下巷道模型，应用数值模拟技术将工程施工情况实现直观化可视化，是保证钻孔一次成孔的技术保障。

1.2.3钻孔结构设计

钻孔自地面至井下贯通巷道，建立一个通道向井下输液。因此钻孔孔壁稳定性极其重要。合理的钻孔结构既能保证透巷后钻液全漏的情况下仍能保持钻孔的通畅，又能保证井下钻具不发生卡钻埋钻事故。

钻孔结构采用三开井身结构设计，一开表土层钻进，一开套管下至稳定基岩界面下20m；二开钻进至巷道顶板20m左右，下入二开通天套管；三开透巷，透巷成功后投砂注浆。

1.3投砂注浆形成封闭体

JZ1钻孔施工完毕后，向井下投砂（投砂示意图见图1-2），在钻孔附近形成一个堆积体。JZ1钻孔投砂的同时开始向JZ2钻孔投砂，砂体在钻孔底部形成堆积体，投砂完毕后开始对JZ1、JZ2钻孔注浆。堆积体形成后开始注浆加固堆积体，逐渐形成2道暂堵墙。钻孔采用间歇式注浆，注浆加固堆积体墙体，达到设计的终止压力后施工JZ1、JZ2之间的检验孔。检验孔的目的是验证砂体及注浆情况，并进行加固密实。

图1-3 投砂注浆作业示意图

2地面封堵工程设计

2.1项目概况

A、B、C煤矿相邻，其中B、C煤矿均为股份制民营企业且均已闭坑。受暴雨影响B煤矿（已闭坑）中央风井已封闭的风道被雨水冲塌，大量雨水经风道从已封闭的井盖下溃入井下。B、C两矿间留设的矿井隔离煤柱情况不明，由B煤矿风井溃入井下的雨水，有可能经C煤矿的采空区，对A煤矿的井下安全生产构成威胁。为确保A煤矿的开采安全，决定对A煤矿Ⅲ63采区Ⅲ631工作面已报废的原切眼采用地面钻孔截堵巷道形成隔水屏蔽墙的方法预防水害。

2.2项目设计

A煤矿Ⅲ63采区与C煤矿相邻，为防范因暴雨经B煤矿风井溃入井下的雨水，避免经C煤矿对A煤矿井下带来的安全风险，彻底消除相邻闭坑小煤矿次生水害威胁，设计在地面施工透巷道钻孔，对A煤矿Ⅲ631工作面原报废的切眼注浆封堵。地面钻孔布置平面位置如下图2-1所示。共设计2个注浆孔，1个检查孔,钻孔施工顺序如下JZ1→JZ2→J-检。

图2-1 地面钻孔布置平面图

2.3钻孔结构

一开:0～98m（第四系厚度78m，进入基岩硬盘约20m），Φ250mm孔径，下Φ177.8×8.05mm护壁管，管外水泥浆固结止水；

二开:98m以下至巷道顶板上20m，Φ152mm孔径，下Φ139.7×9.17mm套管(高出地面0.5m)，注浆固孔；

三开:为巷道顶板上20m至巷道顶板，Φ110mm孔径，裸孔。

图2-2 钻孔结构图

2.4投砂注浆设计

钻孔精准透巷后使用水力投砂装置（可有效防止投砂期间的堵孔问题）在JZ1孔和JZ2孔两个钻孔内投砂，压水，投砂，直至钻孔左右形成约40m的砂堆后开始注浆；J-检孔验证墙体形成情况，注浆充填JZ1孔和JZ2孔两孔间的砂堆间隙加固密实隔墙的作用（见图1-1）。

设计投砂材料为建筑用细砂、瓜子片材料；投砂设备选用自制水力投砂装置；设计注浆材料选用P.O.32.5纯水泥，密度1.5-1.8g/cm3，注浆设备选用3NB-390注浆泵，注浆终止压力6Mpa，流量52L/min。

3 A煤矿的施工应用

使用中国钻井行业定向井轨迹计算方法降低钻孔透巷的轨迹计算误差，利用磁偏角校正技术将磁性测斜仪器的方位角进行修正，尽可能降低方位误差；丈量钻具长度，降低深度误差带来的轨迹偏差；严格按照随钻测斜仪器测斜步骤测斜，降低测量误差；为确保地面数百米深钻孔精准透巷，创新应用数值模拟技术，定向井轨迹控制技术[2]、使用定向井软件，CAD图纸数据实现了预定预定位置一次性精准透巷的目的。

3.1钻孔精准透巷施工及注浆情况

一开、三开使用常规钻具；二开使用定向钻具，钻具组合为：152mm钻头+120mm螺杆钻具（弯角1.5°）+120mm定向接头+120mm无磁钻铤+120mm钻铤*4根+89mm加重钻杆*10根+89mm钻杆。定向直井纠斜工艺钻井技术[3]、磁偏角校正技术、数值模拟技术等多项技术相互融合，一次性完成3个钻孔的精准透巷作业。

1.JZ1孔

一开孔深98m，下入φ177.8mm套管98m；二开152mm孔径，使用定向钻具钻进至425.36m，下入φ139.7mm套套管；三开φ110mm孔径钻进至433m时泥浆全漏，钻进至438m时掉钻至441m，钻孔精准透巷。累计投砂1744t，JZ1孔共注水泥502t，孔口压力上升至6MPa，停注。透孔注浆压水压力6Mpa。

2.JZ2孔

一开孔深98m，下入φ177.8mm套管；二开152mm孔径，使用定向钻具钻进至406.80m，下入φ139.7mm套管；三开φ110mm孔径钻进至417m时全漏，421m开始掉钻至424m，钻孔精准透巷。累计投砂645t，共注入水泥301t，孔口压力7MPa，停注。透孔压水压力6MPa。

3.J-检孔

一开孔深98.m，下入φ177.8mm套管98.50m；二开152mm孔径，使用定向钻具钻进至413.23m，下入139.7mm套管；三开φ110mm钻进至426.50m时全漏，至435m开始掉钻至436m （说明巷道内已形成一定高度的隔水墙，需要通过检查孔注浆加固密实隔水墙体），钻孔精准透巷。累计注入水泥955t，压力升至6.50PMa，停止注浆。透孔压水压力6.50Mpa。

表3-1 各孔钻探详细数据表

3.2数值模拟情况

根据测斜数据通过最小曲率半径法计算钻孔轨迹，将计算的轨迹数据与模拟图纸数据（巷道平、剖位置图）进行对比，实时分析计算，钻孔轨迹朝远离巷道方向发展时，通过螺杆钻具及无线随钻测量系统导向方式，调整钻孔轨迹走向，确保钻孔朝巷道位置前进。A煤矿施工的3个钻孔均一次性贯通井下巷道，数值模拟计算的图纸如下：

图3-1 钻孔平面和剖面轨迹图

4结论及认识

⑴地面钻井技术是该项技术应用的重点和难点，也是整个项目成败的关键点，能否精准透巷直接决定项目的成败；

⑵地面钻孔截堵巷道形成隔水屏蔽墙体能够满足隔水的要求，同时为煤矿防治水领域提供一种新的治理思路；

⑶引用石油钻井技术解决了煤田地面钻探工程项目当中存在的难题，提高施工精度的同时提高了作业时效；随着煤田开采难度的增加，石油地面钻探技术在煤田地面治理工程的应用越来越多；

⑷数值模拟技术、磁偏角校正技术和定向钻井技术等多项钻探知识的相结合，大大提高了一次性精准透巷的概率，为工程的质量奠定了基础；

参考文献

[1] 刘秀善．定向钻井轨道设计与轨迹计算的关键问题解析[J]．石油钻探技术，2011，39(5)：1-7.

[2] 吕贵州．定向井的井身轨迹控制[J]．陕西煤炭，2010，29(1)：85-86.

[3] 汤建江，黄建明，刘萌萌．定向钻井技术在阜康煤层气示范工程的应用[J]．探矿工程（岩土钻掘工程），2018，45(1)：28-30.

论文作者:李 川