定向長鉆孔在母杜柴登煤礦頂板探放水中的應(yīng)用

任鵬飛

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)是利用造斜工具使近水平鉆孔軌跡按設(shè)計要求延伸鉆進(jìn)至預(yù)定目標(biāo)的一種鉆探方法，即有目的地將鉆孔軸線由彎變直或由直變彎。同時隨鉆測量儀器實(shí)時監(jiān)測鉆孔參數(shù)、鉆具姿態(tài)，從而使鉆孔沿設(shè)計軌跡延伸[1]。定向鉆進(jìn)技術(shù)可以及時測量鉆孔參數(shù)，并在EXCEL軟件和礦區(qū)CAD采掘平面圖上生成鉆孔軌跡，實(shí)現(xiàn)鉆孔在施工區(qū)域內(nèi)的可視化，利于準(zhǔn)確評價鉆孔施工效果，指導(dǎo)后續(xù)鉆孔設(shè)計和施工。定向鉆進(jìn)技術(shù)已在煤礦井下瓦斯抽采鉆孔施工中得到廣泛應(yīng)用，并逐步推廣到探放水領(lǐng)域[2，3]。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

母杜柴登礦位于鄂爾多斯市烏審旗呼吉爾特礦區(qū)東南部，行政區(qū)劃隸屬鄂爾多斯市烏審旗圖克鎮(zhèn)管轄。母杜柴登礦目前處于礦井建設(shè)時期，井下多條巷道正在掘進(jìn)，且這些巷道位于煤3－1層位。地質(zhì)勘探及井下探放水資料顯示，母杜柴登礦3－1煤頂板砂巖20 m以下含水層富水性相對較弱，但水壓較大，為保證掘進(jìn)安全，必須預(yù)先施工探放水鉆孔，準(zhǔn)確掌握相應(yīng)區(qū)域的地質(zhì)情況和含水信息。

為提高探放水的準(zhǔn)確性和保障掘進(jìn)速度，礦方采用定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤3－1的頂板區(qū)域施工長距離定向鉆孔，取得了良好效果。

定向探放水鉆孔施工鉆場位于母杜柴登礦井下3－1煤層30201工作面輔助回風(fēng)巷西側(cè)幫。3－1煤層位于延安組第二巖段(J1－2ya2)頂部，煤層可采厚度2.85～5.68 m，平均厚度4.75 m。該煤層結(jié)構(gòu)簡單，一般不含夾矸或局部含1層夾矸。煤層層位穩(wěn)定，厚度變化不大。3－1煤層為對比可靠、全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。煤層頂板以灰色粉砂巖及細(xì)粒砂巖為主，局部出現(xiàn)煤線，富含水;煤層底板多為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。鉆孔施工層位地層柱狀如圖1所示。

2 探放水鉆孔的特點(diǎn)及設(shè)計

2.1 探放水鉆孔的特點(diǎn)

探放水鉆孔與瓦斯抽采鉆孔的布置形式、鉆孔目的、鉆孔要求等都不相同，探放水鉆孔的施工特點(diǎn)[4]主要表現(xiàn)在以下方面:

(1)封孔質(zhì)量要求嚴(yán)格;

(2)必須及時觀測孔口返水，準(zhǔn)確判斷異常返水并記錄出水量;

(3)鉆孔異常出水量是決定終孔孔深的首要因素;

圖1 鉆孔施工層位柱狀圖

(4)鉆孔必須嚴(yán)格按設(shè)計施工，不能偏離規(guī)定區(qū)域。

2.2 探放水鉆孔的設(shè)計

為了達(dá)到良好的探放水效果，布置巷道超前探測定向鉆孔時，設(shè)計鉆孔應(yīng)盡量覆蓋待掘巷道上方相應(yīng)區(qū)域，保證探明待掘巷道上方區(qū)域含水情況。施工區(qū)域設(shè)計3個定向鉆孔，探測煤層頂板17 m范圍的鄰水情況。此次探水孔設(shè)計遵循了以下原則:(1)合理布置鉆孔，盡量覆蓋目標(biāo)區(qū)域，探明地層含水情況，確保安全掘進(jìn);(2)合理設(shè)計軌跡，保證施工時能夠準(zhǔn)確控制，提高定向鉆孔軌跡控制精度。鉆孔設(shè)計軌跡如圖2所示。

圖2 定向探水鉆孔設(shè)計軌跡圖

3 施工機(jī)具

此次探放水定向鉆進(jìn)試驗(yàn)在原有定向鉆進(jìn)工藝的基礎(chǔ)上加了孔口注漿封孔工藝，施工機(jī)具基本相同。探放水鉆孔施工選用機(jī)具除包括:定向鉆機(jī)、螺桿馬達(dá)、中心通纜鉆桿、隨鉆測量探管、導(dǎo)向鉆頭等定向鉆進(jìn)常用配套機(jī)具外，還根據(jù)探放技術(shù)規(guī)范要求，配備了孔口防噴、注漿及封孔裝置等。

3.1 動力設(shè)備

涉及的動力設(shè)備包括定向鉆機(jī)和泥漿泵。

定向鉆機(jī)選擇中煤科工集團(tuán)西安研究院研制的ZDY6000LD型履帶式全液壓鉆機(jī)，具有自行式、低轉(zhuǎn)速、大扭矩的特點(diǎn)。該鉆機(jī)參數(shù)為:最大回轉(zhuǎn)扭矩6000 N·m，最大給進(jìn)壓力180 kN，最大起拔壓力180 kN，主軸傾角 －10°～20°。

泥漿泵選擇BW300/12B型三缸臥式活塞泵。該泵定功率排量可調(diào)，共4個擋，對應(yīng)4組排量和額定壓力，最大排量300 L/min，最大額定壓力 12 MPa。定向鉆進(jìn)時采用快Ⅱ擋，排量194 L/min，額定壓力9 MPa。

3.2 配套鉆具

定向鉆進(jìn)配套鉆具主要有鉆桿、鉆頭和螺桿鉆具。鉆桿為1.5 m長73 mm外平鉆桿、3 m長73 mm通纜鉆桿和73 mm無磁鉆桿，鉆進(jìn)過程中傳遞回轉(zhuǎn)力和給進(jìn)、起拔力，同時為沖洗介質(zhì)提供通道，是信號傳輸媒介，無磁鉆桿主要屏蔽外界磁場對測量探管的影響。

3.3 測量系統(tǒng)

YHD1－1000型測量系統(tǒng)由防爆電腦、測量探管和數(shù)據(jù)線組成，是定向鉆進(jìn)軌跡控制的核心部分，測量并記錄相應(yīng)點(diǎn)的鉆孔參數(shù)，顯示設(shè)計和實(shí)鉆軌跡。隨鉆測量系統(tǒng)可以測出探管所在位置的傾角、方位角、磁場強(qiáng)度等參數(shù)。

4 定向探放水鉆孔施工工藝

定向探放水鉆孔施工過程主要包括:鉆前準(zhǔn)備、回轉(zhuǎn)開孔并封孔和定向鉆進(jìn)。

4.1 鉆前準(zhǔn)備

礦方根據(jù)生產(chǎn)需要確定鉆場位置，按照定向鉆進(jìn)施工要求開拓鉆場，并連接獨(dú)立的供水、供電線路，保證正常施工。鉆場準(zhǔn)備就緒后按設(shè)備下井方案組織安排所有設(shè)備下至指定位置。

4.2 回轉(zhuǎn)開孔并封孔

開孔采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆具組合為:

孔口回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)在3－1煤層中開孔，根據(jù)開孔點(diǎn)與頂板的距離、煤層的傾向及鉆孔延伸至巖層時的孔深確定開孔傾角，用坡度規(guī)測定;根據(jù)礦方對鉆孔在平面上的布置要求確定開孔方位角，用羅盤測定。

開孔回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)采用低轉(zhuǎn)速、小排量鉆進(jìn)工藝，盡量避免鉆具離心作用及沖冼介質(zhì)的沖刷作用對鉆孔傾角的影響;擴(kuò)孔回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)采用高轉(zhuǎn)速、小排量鉆進(jìn)工藝，盡量避免鉆具重力對鉆孔傾角的影響，保證鉆孔軌跡按設(shè)計延伸。

開孔回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時注意觀察規(guī)程參數(shù)和孔口返渣，在鉆頭從煤層進(jìn)入巖層時及時調(diào)整鉆進(jìn)規(guī)程，以免出現(xiàn)順層跑現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆孔傾角在地層過渡區(qū)大幅降低，嚴(yán)重影響鉆孔定向鉆進(jìn)施工。

礦區(qū)含水情況復(fù)雜，已探明多個富含水層，水量大，水壓高。因此定向探放水鉆孔必須嚴(yán)格按照相關(guān)安全規(guī)定注漿封孔。

封孔套管為1.2 m長內(nèi)徑127 mm鋼管，封孔孔深要求巖層孔段約20 m。采用套管內(nèi)注漿工藝，孔口環(huán)形間隙用麻密封。注漿完成候凝48 h后進(jìn)行耐壓實(shí)驗(yàn)，要求水壓達(dá)8 MPa，起拔壓力達(dá)10 MPa[5]。

4.3 定向鉆進(jìn)

鉆孔延伸區(qū)域內(nèi)巖層主要為深灰色泥質(zhì)粗砂巖和灰白色泥質(zhì)細(xì)砂巖，由于2種巖石中均含泥質(zhì)成分，在鉆孔內(nèi)易沉積在孔壁上形成泥皮，既影響砂巖顆粒隨沖洗介質(zhì)排到孔外，又對鉆具產(chǎn)生較大的粘附力，導(dǎo)致起拔壓力偏高。為保證鉆孔孔深達(dá)到設(shè)計要求，現(xiàn)場制定相應(yīng)的技術(shù)方案[6]。

(1)保證回次沖孔。單回次鉆進(jìn)后活動鉆具沖孔，利用鉆具在孔內(nèi)的攪動作用輔助沖冼介質(zhì)沖冼鉆孔。

(2)限制單班進(jìn)尺。每班進(jìn)尺控制在小于42 m范圍內(nèi)，避免因鉆渣積累引起壓力過大或孔內(nèi)復(fù)雜工況。

(3)適當(dāng)重新掃孔。當(dāng)鉆孔孔深與設(shè)計孔深差距較大，反復(fù)沖孔無法將壓力降至要求范圍時，提鉆重新掃孔。

(4)加強(qiáng)鉆機(jī)穩(wěn)固。常規(guī)穩(wěn)固方法為利用鉆機(jī)的支撐油缸將鉆機(jī)固定在鉆場頂?shù)装逯g，為確保鉆機(jī)在高給進(jìn)、起拔壓力下的穩(wěn)定性，利用導(dǎo)鏈把鉆機(jī)和其四角位置的地錨固定在一起。

定向鉆進(jìn)保證鉆孔軌跡覆蓋目標(biāo)區(qū)域，是探測地層含水信息的關(guān)鍵技術(shù)。每6 m測量并調(diào)整1次，使實(shí)鉆軌跡沿設(shè)計軌跡延伸，終孔后得到全孔軌跡在礦區(qū)平面圖上的位置(如圖3所示)，以便評價定向探放水鉆孔的施工效果。

圖3 鉆孔實(shí)鉆軌跡平面圖

5 結(jié)語

煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)在本次探放水鉆孔施工中的應(yīng)用效果良好，共完成3個定向鉆孔，總進(jìn)尺1797 m，主孔孔深分別為510、615和708 m。1號和2號鉆孔在318、680 m處出水，水量分別為2、14 m3/h，準(zhǔn)確探明了目標(biāo)區(qū)域的含水情況，為巷道掘進(jìn)提供了可靠信息。

(1)實(shí)踐證明，ZDY6000LD型鉆機(jī)具備在穩(wěn)定泥質(zhì)砂巖中施工700 m水平長鉆孔的能力，施工過程中，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。

(2)相比普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)，定向鉆進(jìn)技術(shù)具有明顯優(yōu)勢，鉆孔軌跡可控且能全呈現(xiàn)終孔軌跡在地層中的位置，為準(zhǔn)確判斷地層情況提供了可靠依據(jù)。

(3)定向鉆進(jìn)技術(shù)在探放水施工中的成功應(yīng)用促進(jìn)了該技術(shù)的推廣，也為煤礦井下探放水工程提供了技術(shù)支撐。

[1] 姚寧平.我國煤礦井下近水平定向鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展[J].煤田地質(zhì)與勘探，2007，36(4):78 －80.

[2] 孫新勝，王毅，郭涌.定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦井下探放水孔施工中的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2004，33(S1):101 －103.

[3] 張洪健，李長青，姜文浩，等.千米鉆機(jī)定向鉆進(jìn)技術(shù)在礦井防治水中的應(yīng)用[J].中州煤炭，2012，(9):112－114.

[4] 孫英男.煤礦井下探放水安全技術(shù)措施[J.產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2012，11(4):250 －251.

[5] 任江波，段旭勃，任培杰.高分子封孔材料在煤礦探放水中的應(yīng)用[J].科技與企業(yè)，2012，(24)，361.

[6] 趙廷嚴(yán).淺析鉆孔彎曲產(chǎn)生的原因及預(yù)防糾正措施[J].中國煤炭地質(zhì)，2009，21(1):62 －63.