貴州大灣煤礦復(fù)雜地層井下定向鉆進(jìn)施工技術(shù)

于成鳳， 金 新， 曹建明

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

貴州大灣煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤層走向起伏多樣，在未開(kāi)采區(qū)域煤層地質(zhì)資料不詳?shù)那闆r下，準(zhǔn)確探明預(yù)施工地點(diǎn)地質(zhì)情況，為后期定向鉆進(jìn)用于瓦斯抽采打好基礎(chǔ)，同時(shí)節(jié)省開(kāi)采成本[1-7]。本文以大灣煤礦120204機(jī)巷迎頭地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)以及順層定向長(zhǎng)鉆孔施工為例，介紹了地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)以及順層定向長(zhǎng)鉆孔施工工藝流程。通過(guò)地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)已探明的煤層走勢(shì)，為礦方施工提供了準(zhǔn)確的地質(zhì)參數(shù)，通過(guò)鉆孔軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)給出了確定順層定向長(zhǎng)鉆孔布孔方法，得出一套適用于大灣煤礦本煤層定向長(zhǎng)鉆孔成孔方法和布孔參數(shù)，以解決瓦斯預(yù)抽、安全綜掘巷道難題。

1 配套設(shè)備及測(cè)量系統(tǒng)

1.1 配套設(shè)備

大灣煤礦井下長(zhǎng)距離定向鉆孔施工中使用的鉆機(jī)為ZDY6000LD(B)型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)，屬于低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩類(lèi)型，該鉆機(jī)結(jié)構(gòu)布局合理、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、操作省力、性能安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。主要配套設(shè)備見(jiàn)表1。

1.2 測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)型號(hào)為Y- S- X- W- T(B)無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)量裝置，由防爆計(jì)算機(jī)、隔爆電源、探管、防爆數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等4部分組成。

工作原理：無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)量裝置由探管、控制器配套組成。探管的發(fā)射天線(xiàn)與孔底鉆頭后的上無(wú)磁鉆桿連接，利用雙向電磁波無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)把測(cè)斜探管中磁通門(mén)傳感器、重力加速度傳感器測(cè)量鉆桿的空間姿態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)用電磁波經(jīng)由地層傳輸?shù)降孛婧蟊还潭ㄔ阢@機(jī)旁地表天線(xiàn)接收至控制器，電磁波再通過(guò)計(jì)算機(jī)由地面的監(jiān)視器接收解碼還原出傳感器測(cè)量出的各種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，送給計(jì)算機(jī)串口通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件生成鉆孔軌跡圖和數(shù)據(jù)表。測(cè)量系統(tǒng)連接如圖1所示。

表1 定向鉆進(jìn)配套設(shè)備

圖1 Y- S- X- W- T(B)無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)斜儀連接示意圖

2 大灣煤礦地質(zhì)特征與鉆孔設(shè)計(jì)依據(jù)

2.1 大灣煤礦地質(zhì)特征

大灣煤礦隸屬于貴州水城礦業(yè)股份有限公司，位于貴州省六盤(pán)水市鐘山區(qū)大灣鎮(zhèn)境內(nèi)，大灣煤礦開(kāi)采范圍為水城礦區(qū)二塘向斜中、深部，為二塘向斜的主體部分，呈北西向展布的不規(guī)則多邊形，走向長(zhǎng)11 km，井田平均傾斜寬2.5 km，面積19.689 km2。煤種為主焦煤，具有低硫、低灰、低磷等特點(diǎn)。開(kāi)采方式以?xún)A斜長(zhǎng)壁俯斜開(kāi)采為主，走向長(zhǎng)壁開(kāi)采為輔，綜合機(jī)械化采煤。大灣煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為90萬(wàn)t/a，目前開(kāi)采2號(hào)煤層，煤層厚度1.4 m，系數(shù)f=0.41。2號(hào)煤層以及頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表2。

2.2 鉆孔設(shè)計(jì)依據(jù)

井下鉆場(chǎng)、定向鉆孔布孔方式應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)施工地點(diǎn)的工作面環(huán)境地質(zhì)構(gòu)造因素、煤層開(kāi)采現(xiàn)狀、鉆機(jī)工作能力相匹配；為了達(dá)到大灣煤礦2號(hào)煤層良好的瓦斯預(yù)抽效果，本煤層定向鉆孔布孔時(shí)，應(yīng)使定向鉆孔盡量穿過(guò)大灣煤礦120204機(jī)巷迎頭2號(hào)煤層本煤層區(qū)域，保證本煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)，保障巷道安全掘進(jìn)。

由于120204機(jī)巷迎頭鉆場(chǎng)施工工作面為2號(hào)煤層，設(shè)計(jì)定向鉆孔布置在煤層中，在煤層中通過(guò)調(diào)整鉆具傾角以及前進(jìn)式開(kāi)分支工藝探測(cè)煤層頂?shù)装?，直到探明地層起伏情況以及2號(hào)煤層分布。120204機(jī)巷迎頭鉆場(chǎng)2號(hào)煤層下面是3號(hào)煤層，因此只需要對(duì)2號(hào)煤層頂板進(jìn)行探測(cè)，確定2號(hào)煤層頂板位置，從而探明煤層起伏變化趨勢(shì)。該鉆場(chǎng)區(qū)域地層條件復(fù)雜，因此施工的過(guò)程中要注意定向鉆孔軌跡控制，保證排渣返水通暢。定向鉆進(jìn)至預(yù)定探煤點(diǎn)之前，通過(guò)調(diào)節(jié)控制螺桿馬達(dá)彎頭朝向快速上升，預(yù)留出分支點(diǎn)[8]。

表2 大灣煤礦120204機(jī)巷迎頭2號(hào)煤層及頂?shù)装鍘r性

2.3 施工工藝流程

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工要求，設(shè)計(jì)鉆孔軌跡，大灣煤礦120204機(jī)巷迎頭鉆場(chǎng)區(qū)域中煤層走勢(shì)未知，設(shè)計(jì)定向鉆孔是為了探測(cè)120204巷道掘進(jìn)方向煤層走勢(shì)，為巷道的瓦斯抽采、掘進(jìn)提供依據(jù)。本鉆孔采用前進(jìn)式開(kāi)分支的工藝，首先從煤層鉆進(jìn)，向上探測(cè)煤層頂板，探頂后后退一段距離選取合適的分支點(diǎn)開(kāi)分支繼續(xù)探頂，依次類(lèi)推，直至鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)孔深為止，探明煤層傾角，提鉆終孔。

2.3.1 鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)施工要求設(shè)計(jì)定向鉆孔鉆進(jìn)參數(shù)、編寫(xiě)鉆孔設(shè)計(jì)軌跡方案并制定現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)施工技術(shù)措施，做好施工前期準(zhǔn)備。定向鉆孔軌跡設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)控制鉆孔傾角(即馬達(dá)彎頭朝向)來(lái)進(jìn)行軌跡控制，達(dá)到探測(cè)煤層頂板的效果。

2.3.2 施工工藝

開(kāi)孔施工工藝主要采用普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)進(jìn)行施工，主要目的是安裝孔口管和孔口四通，實(shí)現(xiàn)邊鉆進(jìn)邊抽采，防止鉆孔施工過(guò)程中瓦斯超限?？卓诠懿捎?150 mm PVC管，下入深度15 m。首先采用“?98 mm PDC鉆頭+?73 mm普通外平鉆桿”鉆具組合，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至15 m；其次采用“?153/98 mm PDC擴(kuò)孔鉆頭+?73 mm普通外平鉆桿”鉆具組合，回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔鉆進(jìn)至15 m；最后采用“?193/153 mm PDC擴(kuò)孔鉆頭+?73 mm普通外平鉆桿”鉆具組合，回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔鉆進(jìn)至15 m。按設(shè)計(jì)要求下入?150 mm PVC管15 m，并采用兩堵一注方式進(jìn)行注漿固管，通過(guò)法蘭盤(pán)安裝孔口四通，并連接抽采系統(tǒng)。

定向鉆進(jìn)主要采用滑動(dòng)鉆進(jìn)工藝，采用的定向鉆具組合為：礦用無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)斜儀YSXWT(B)+?73 mm外平鉆桿+?98 mm胎體式復(fù)合片鉆頭”施工至設(shè)計(jì)孔深。

在鉆孔軌跡參數(shù)變化較小孔段，可以采取復(fù)合鉆進(jìn)工藝。復(fù)合鉆進(jìn)工藝是指回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)與定向鉆進(jìn)工藝交替使用，鉆進(jìn)效率高[9-12]。

通過(guò)調(diào)整測(cè)量系統(tǒng)軟件上面的工具面向角來(lái)控制定向鉆孔鉆進(jìn)軌跡。大灣煤礦使用的定向鉆機(jī)所配套的鉆桿長(zhǎng)度為1500 mm的外平鉆桿，定向鉆進(jìn)施工時(shí)，一般一次性加2根鉆桿，定向鉆進(jìn)通常鉆進(jìn)3 m時(shí)，關(guān)閉泵車(chē)停止高壓水的輸送，待水壓降下來(lái)后通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)軟件進(jìn)行定向鉆孔實(shí)鉆軌跡參數(shù)的測(cè)量。根據(jù)定向鉆孔實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡之間的偏差進(jìn)行工具面向角的調(diào)整，調(diào)整到預(yù)期的設(shè)計(jì)軌跡后，繼續(xù)加鉆桿鉆進(jìn)至下一次目標(biāo)位置，一直施工至該分支孔結(jié)束為止，提鉆后根據(jù)設(shè)計(jì)軌跡以及實(shí)鉆軌跡情況尋找合適的開(kāi)分支點(diǎn)，下鉆繼續(xù)施工下一個(gè)分支孔，施工定向鉆進(jìn)鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)孔深后提鉆終孔，最后按照大灣煤礦施工要求進(jìn)行封孔。鉆孔施工步驟如圖2所示。

3 大灣煤礦定向鉆孔施工及分析

大灣煤礦定向鉆進(jìn)施工主要采用滑動(dòng)式定向鉆進(jìn)工藝[13-15]，鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)泥漿泵產(chǎn)生的高壓水驅(qū)動(dòng)孔底馬達(dá)轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)，再通過(guò)萬(wàn)向軸和傳動(dòng)軸帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)碎巖，同時(shí)，通過(guò)不斷調(diào)整孔底馬達(dá)彎頭朝向，進(jìn)行鉆孔軌跡人為控制，最終實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)。根據(jù)鉆孔開(kāi)孔傾角、方位角設(shè)計(jì)參數(shù)，來(lái)進(jìn)行鉆機(jī)的穩(wěn)固等工作。本次共施工定向長(zhǎng)鉆孔2個(gè)，1號(hào)定向鉆孔為地層地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)孔，主孔深度303 m，探頂分支孔7個(gè)，分支孔累計(jì)孔深888 m，施工工藝為梳狀孔前進(jìn)式開(kāi)分支方式。2號(hào)定向鉆孔設(shè)計(jì)軌跡是在1號(hào)鉆孔地層情況探明的前提下為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。根據(jù)1號(hào)鉆孔的實(shí)鉆軌跡，以及見(jiàn)煤孔段，做出2號(hào)鉆孔設(shè)計(jì)軌跡。

圖2 前進(jìn)式開(kāi)分支工藝流程圖

2號(hào)定向鉆孔為順層定向孔，主孔深度306 m。2個(gè)定向主孔以及分支孔鉆進(jìn)累計(jì)進(jìn)尺1497 m。施工情況統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表3，實(shí)鉆軌跡如圖3～6所示。

表3 大灣煤礦2個(gè)定向鉆孔施工統(tǒng)計(jì)

本次共施工2個(gè)長(zhǎng)鉆孔，7個(gè)分支孔。1號(hào)鉆孔為煤層頂板探測(cè)孔。通過(guò)開(kāi)分支方式進(jìn)行探頂，由表3可看出，1號(hào)孔見(jiàn)煤段進(jìn)尺為230 m，整個(gè)鉆孔見(jiàn)煤率高達(dá)75%。

根據(jù)1號(hào)鉆孔的實(shí)鉆軌跡，以及見(jiàn)煤孔段，把見(jiàn)煤點(diǎn)連接成一條曲線(xiàn)，作為2號(hào)鉆孔設(shè)計(jì)軌跡，設(shè)計(jì)軌跡如圖5、圖6所示。由表3可看出，2號(hào)鉆孔見(jiàn)煤段進(jìn)尺為195 m，整個(gè)鉆孔見(jiàn)煤率為63.7%。2號(hào)定向鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程具有代表性，可為后續(xù)定向鉆孔施工提供參考。

圖3 1號(hào)鉆孔、分支孔實(shí)鉆軌跡剖面圖

圖4 1號(hào)鉆孔、分支孔實(shí)鉆軌跡平面圖

圖5 2號(hào)鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面圖

圖6 2號(hào)鉆孔實(shí)鉆軌跡平面圖

本次采用ZDY6000LD(B)型定向鉆機(jī)以及附屬定向鉆進(jìn)裝備，共完成2個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔，完成分支孔數(shù)7個(gè)，所有分支孔深累計(jì)888 m，定向鉆孔鉆進(jìn)累計(jì)孔深1497 m。

4 結(jié)論

利用前進(jìn)式開(kāi)分支孔工藝，實(shí)現(xiàn)了1號(hào)鉆孔復(fù)雜煤層地質(zhì)構(gòu)造精準(zhǔn)探頂，鉆孔見(jiàn)煤段高達(dá)75%。分析研究并優(yōu)化設(shè)計(jì)1號(hào)鉆孔實(shí)鉆軌跡以及見(jiàn)煤段作為2號(hào)鉆孔設(shè)計(jì)軌跡，施工鉆進(jìn)過(guò)程中高精度控制2號(hào)鉆孔軌跡大大增加了順層定向孔在復(fù)雜煤層中的覆蓋率，2號(hào)鉆孔見(jiàn)煤段高達(dá)63.7%，較大幅度提高了瓦斯抽采率，為巷道掘進(jìn)打好基礎(chǔ)。

ZDY6000LD(B)型定向鉆機(jī)以及附屬定向鉆進(jìn)裝備與工藝適合于大灣煤礦定向鉆孔施工，為實(shí)現(xiàn)大灣煤礦本煤層區(qū)域瓦斯治理和巷道安全掘進(jìn)提供了一個(gè)有效的工藝方法，對(duì)于大灣煤礦安全高效生產(chǎn)有重要意義。

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