煤層頂板砂巖水定向鉆孔預(yù)疏放效果檢驗(yàn)

劉衛(wèi)衛(wèi)，彭 旭，王 慶，孫 陽

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

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煤層頂板砂巖水定向鉆孔預(yù)疏放效果檢驗(yàn)

劉衛(wèi)衛(wèi)，彭 旭，王 慶，孫 陽

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)具有鉆孔軌跡可精確控制、有效距離長(zhǎng)、一孔多用等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)唐家會(huì)礦頂板水害，采用定向長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行預(yù)疏放，通過首采工作面的疏放水實(shí)踐以及穿層鉆孔檢驗(yàn)，頂板水疏放效果明顯，為工作面掘進(jìn)和回采提供了安全保障。

頂板水害；疏放水；定向鉆進(jìn)；放水效果

0 引言

水害是煤礦的主要災(zāi)害之一，在煤礦重大事故中，水害事故數(shù)僅次于瓦斯事故，易造成群死群傷事故。水害一旦發(fā)生，搶救難度大、救援復(fù)礦時(shí)間長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重、社會(huì)影響惡劣，同時(shí)也對(duì)礦區(qū)水資源與環(huán)境造成巨大破壞。由于我國(guó)煤礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜，煤炭開采會(huì)受到老空(窯)水、地表水、松散孔隙水和基巖裂隙巖溶水等多種水源的嚴(yán)重威脅[1]。

唐家會(huì)煤礦6煤是主采煤層，61101工作面為其首采工作面。井筒在掘進(jìn)煤系地層時(shí)，均有不同程度的出水現(xiàn)象，根據(jù)研究成果推斷煤層頂板含水性強(qiáng)，為砂巖裂隙-孔隙水。因此，當(dāng)6煤綜放開采時(shí)，形成的冒落帶及裂隙帶勢(shì)必會(huì)使頂板的裂隙-孔隙水導(dǎo)入6煤，造成重大水害隱患。為保證后期6煤回采安全順利進(jìn)行，必須對(duì)水害進(jìn)行提前預(yù)防。煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于瓦斯抽采、地質(zhì)勘探及水害防治[2]。針對(duì)唐家會(huì)礦的頂板水害，采取了定向長(zhǎng)鉆孔工藝進(jìn)行預(yù)疏放。

1 首采面頂板水害防治

根據(jù)充水通道進(jìn)行分類，煤礦水害主要分為以下類型：直接揭露型水害、頂板水害、底板水害、斷層水害、陷落柱水害和封閉不良鉆孔水害。

頂板水害的通道為工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶以及巷道松動(dòng)圈等，可能溝通的水源多為煤層頂板砂巖或薄層灰?guī)r水。工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度與采高、頂板巖性和開采方式等相關(guān)，突水量主要與溝通的含水層富水性有關(guān)。頂板水害防治工作的主要內(nèi)容包括：(1)計(jì)算、觀測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度，留設(shè)足夠的防水煤柱；(2)提前探查、疏放頂板水。

唐家會(huì)礦含水層富水性較好，為確保首采工作面安全，必須對(duì)煤層頂板砂巖水進(jìn)行提前疏放。在該礦首采工作面共布置6個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔，分別對(duì)5、6煤層頂板砂巖水進(jìn)行預(yù)疏放。定向鉆孔實(shí)鉆軌跡如圖1所示。

2 定向鉆進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)及鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

2.1 定向鉆進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)

定向鉆進(jìn)技術(shù)是利用造斜工具使鉆孔軌跡按設(shè)計(jì)要求延伸至預(yù)定靶點(diǎn)，即有目的地將鉆孔軸線由彎變直或由直變彎，同時(shí)隨鉆測(cè)量?jī)x器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆孔參數(shù)、鉆具姿態(tài)，進(jìn)而確定造斜工具的造斜延伸方向。

圖1 頂板砂巖疏放水定向鉆孔軌跡

該技術(shù)具有如下特點(diǎn)。

(1)鉆孔軌跡可控，通過隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)，保證鉆孔沿設(shè)計(jì)軌跡延伸。頂板疏放水鉆孔施工是采用定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行，直至鉆孔到達(dá)預(yù)定含水層位，調(diào)整鉆孔傾角與地層傾角一致后，使鉆孔在含水層內(nèi)延伸，增加在含水層中的延伸距離，最大限度地將鉆孔內(nèi)承壓水放出[3]。

(2)鉆孔有效距離長(zhǎng)、鉆進(jìn)效率高、集中放水效果好[4]。在該礦定向鉆孔單孔最大深度達(dá)1002 m，與普通鉆孔相比，可大量縮減鉆孔工程量，能夠?qū)崿F(xiàn)高效超前探放水，可實(shí)現(xiàn)鉆孔集中放水。

(3)一孔多用。頂板疏放水鉆孔定向長(zhǎng)，在最大限度疏放頂板水的同時(shí)，能夠高效超前探水并掩護(hù)巷道掘進(jìn)，解決巷道掘進(jìn)過程中頂板淋水問題。

2.2 定向鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

本次鉆孔施工在2個(gè)鉆場(chǎng)進(jìn)行，1號(hào)鉆場(chǎng)為了實(shí)現(xiàn)覆蓋61101工作面且達(dá)到疏放5煤頂板砂巖水的目的，共布設(shè)3個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔A1、A2、A3，定向軌跡控制在距頂板0～7 m砂巖內(nèi)。A1和A3分別距回風(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽30 m左右，A2鉆孔布設(shè)在工作面中間位置。2號(hào)鉆場(chǎng)為了實(shí)現(xiàn)覆蓋61101工作面且達(dá)到疏放6煤頂板砂巖水的目的，該鉆場(chǎng)布設(shè)3個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔B1、B2、B3和一個(gè)分支孔B1-1，B1和B3分別距回風(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽30 m左右，B2鉆孔布設(shè)在工作面中間位置；B1-1是對(duì)鉆孔拐彎盲區(qū)的補(bǔ)充施工。

6個(gè)定向鉆孔實(shí)現(xiàn)工作面全覆蓋，最大程度疏放煤層頂板砂巖水，距順槽較近鉆孔能夠同時(shí)起到超前探水，掩護(hù)巷道掘進(jìn)，解決巷道掘進(jìn)淋水等作用。

3 長(zhǎng)鉆孔定向施工工藝方法

3.1 定向鉆進(jìn)系統(tǒng)原理

定向鉆進(jìn)系統(tǒng)由定向鉆機(jī)、隨鉆測(cè)量?jī)x器、專用定向鉆具、配套鉆進(jìn)工藝等組成。在煤礦井下定向鉆探施工中，選用適當(dāng)口徑的孔底馬達(dá)，通過選擇不同角度的彎接頭，可達(dá)到不同的造斜效果，實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)[5-10]，定向鉆進(jìn)系統(tǒng)組成見圖2。

圖2 定向鉆進(jìn)系統(tǒng)組成示意圖

3.2 鉆探用主要設(shè)備及儀器(參見表1)

表1 鉆探主要設(shè)備儀器

3.3 鉆具組合

主孔為二開孔身結(jié)構(gòu)(見圖3)，一開主要目的是下入孔口管，安裝孔口三通防噴防突裝置；二開主要是對(duì)5、6煤層頂板砂巖水進(jìn)行疏放。

圖3 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

3.3.1 一開鉆具組合

開孔：?98 mm PDC鉆頭+?73 mm普通鉆桿串+?73 mm送水器。

擴(kuò)孔：?98/153 mm PDC鉆頭+?73 mm普通鉆桿串+?73 mm送水器。

3.3.2 二開鉆具組合

定向鉆進(jìn)：?98 mm PDC鉆頭+?73 mm螺桿馬達(dá)+?73 mm下無磁鉆桿+隨鉆測(cè)量?jī)x器+?73 mm上無磁鉆桿+?73 mm通纜鉆桿串+?73 mm送水器。

回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)：?98 mm PDC鉆頭+?73 mm普通鉆桿串+?73 mm送水器。

3.4 定向鉆進(jìn)施工工藝

定向鉆進(jìn)是有目的地將鉆孔軸線由彎變直或由直變彎，定向鉆孔工藝流程如圖4所示。

圖4 定向鉆進(jìn)工藝流程示意圖

4 定向鉆孔放水效果檢驗(yàn)

4.1 鉆探施工及放水量情況

鉆孔施工情況及終孔后初始水量見表2。

表2 施工鉆孔基本情況

自定向鉆孔開鉆至竣工，4個(gè)月內(nèi)累計(jì)放水已超過38.9×104m3，疏放水效果明顯。

4.2 放水效果檢驗(yàn)

定向長(zhǎng)鉆孔施工完成后，對(duì)定向長(zhǎng)鉆孔覆蓋區(qū)域施工穿層放水檢驗(yàn)鉆孔(鉆孔參數(shù)見表3)，對(duì)未覆蓋區(qū)域施工穿層鉆孔進(jìn)行放水(見圖5)。

表3 放水檢驗(yàn)鉆孔施工情況

圖5 穿層鉆孔平均單孔出水量變化曲線

表3中的鉆孔為定向鉆孔施工結(jié)束后在工作面兩順槽內(nèi)施工的放水檢驗(yàn)鉆孔，單孔平均水量<1 m3/h，定向長(zhǎng)鉆孔的疏放效果得到驗(yàn)證。

對(duì)定向長(zhǎng)鉆孔未覆蓋的工作面頂板區(qū)域，在巷道掘進(jìn)過程中施工穿層鉆孔對(duì)頂板水進(jìn)行疏放。圖5中穿層鉆孔水量變化趨勢(shì)為距離定向鉆孔覆蓋區(qū)域0～500 m范圍內(nèi)的單孔平均出水量，離定向鉆孔覆蓋區(qū)域越遠(yuǎn)，鉆孔平均水量越大。由此可判斷定向鉆孔疏放水效果明顯。

5 結(jié)語

采用定向長(zhǎng)鉆孔對(duì)頂板水進(jìn)行預(yù)疏放，鉆孔覆蓋區(qū)域廣、具有超前性，并能有效解決控制區(qū)域內(nèi)巷道掘進(jìn)過程中淋水問題。

通過定向鉆孔放水量顯示，定向鉆孔疏放水效果極為明顯。施工的穿層放水檢驗(yàn)鉆孔，平均水量<1 m3/h，而在定向鉆孔覆蓋區(qū)域以外，穿層鉆孔水量隨距離增大呈增大趨勢(shì)，定向長(zhǎng)鉆孔疏放水效果得到了有效檢驗(yàn)。

[1] 武強(qiáng),趙蘇啟,董書寧,等.煤礦防治水手冊(cè)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2013.

[2] 石智軍,李泉新,許超,等.煤礦井下隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用[J].地質(zhì)裝備,2013,14(6):32-36.

[3] 史海岐.隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦水害防治中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè),2014,(4):38-41.

[4] 楊忠,段會(huì)軍,白剛,等.定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦采空區(qū)疏放水中的應(yīng)用[J].中州煤炭,2015,(6):16-18.

[5] 石智軍,田宏亮,田東莊,等.煤礦井下隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)使用手冊(cè)[M].北京:地質(zhì)出版社,2012.

[6] 白剛,段會(huì)軍,王慶.定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦采空區(qū)防滅火工程中的應(yīng)用[J].煤礦安全,2016,47(6):132-135.

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[9] 張洪健,李長(zhǎng)青,姜文治,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.

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Drainage Effect Test of Directional Drilling Construction for Coal Seam Roof Sandstone Water Pre-drainage/

LIUWei-wei,PENGXu,WANGQing,SUNYang

(Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp., Xi’an Shaanxi 710077, China)

Directional drilling technology in coal mine has lots of advantages such as precisely controlled drilling trajectory, long effective distance and one hole for multiple purposes. For the roof flood in Tangjiahui mine, pre-drainage was carried out with long directional borehole, by the drainage practice in the first coal mining face and the inspection by boring through seam, obvious drainage effect is presented, which provide safety guarantee for working face tunneling and actual mining.

roof flood; water drainage; directional drilling; drainage effect

2016-12-05；

2017-05-05

劉衛(wèi)衛(wèi)，男，漢族，1987年生，地質(zhì)工程專業(yè)，碩士，從事煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)研究及推廣工作，陜西省西安市高新區(qū)錦業(yè)一路82號(hào)，liuweiwei@cctegxian.com。

P634.7；TD74

B

1672-7428(2017)06-0062-03