煤礦井下精準(zhǔn)對(duì)穿巷道疏放水孔定向成孔技術(shù)研究

馮達(dá)暉

(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)由于能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)鉆孔定向鉆進(jìn)和對(duì)鉆孔軌跡的主動(dòng)控制，目前廣泛應(yīng)用于本煤層瓦斯抽采鉆孔施工、頂板高位鉆孔、頂(底)板梳狀瓦斯抽采鉆孔、探放水鉆孔、地質(zhì)勘探鉆孔以及頂(底)板注漿加固鉆孔等巖層鉆孔施工[1-6]。煤礦井下定向鉆進(jìn)主要可分為兩大目標(biāo)，一是依據(jù)目標(biāo)層位的軌跡布置定向鉆進(jìn)；一是依據(jù)終孔位置的精準(zhǔn)定向鉆進(jìn)。一般而言，前者對(duì)精度的要求相對(duì)較低，而對(duì)于要求終孔位置的精準(zhǔn)定向，對(duì)鉆孔軌跡設(shè)計(jì)、軌跡控制精度等方面都有很高的要求[7-10]。

皖北煤電錢(qián)營(yíng)孜煤礦已掘巷道積水，考慮經(jīng)濟(jì)性和可行性，針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件，對(duì)當(dāng)前施工裝備和技術(shù)進(jìn)行研究，制定合理的定向鉆進(jìn)技術(shù)方案，順利完成精準(zhǔn)對(duì)穿巷道放水孔施工，實(shí)現(xiàn)預(yù)期放水目標(biāo)。通過(guò)研究和應(yīng)用，對(duì)精準(zhǔn)對(duì)穿巷道的定向鉆孔施工技術(shù)有了一定的研究，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，為下一步拓展應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 研究背景

1.1 研究目的

錢(qián)營(yíng)孜煤礦西三采區(qū)西三軌道上山、西三回風(fēng)上山的上部施工段因積水停止掘進(jìn)，2條巷道內(nèi)均有40 m巷道積水，為解決從西風(fēng)井巷道接力排水困難，減少排水電量消耗，實(shí)現(xiàn)煤礦安全、低成本生產(chǎn)目標(biāo)，在與積水停頭位置高差100 m左右的西三膠帶石門(mén)附近布置鉆場(chǎng)，施工放水孔，利用高差實(shí)現(xiàn)自流排水。如圖1所示。

1.2 地質(zhì)條件

巷道區(qū)域巖性為泥巖，塊狀，紫紅斑，縱向裂隙發(fā)育，巖層產(chǎn)狀122°∠16°。鉆孔將揭露32煤層及下部巖層，主要為泥巖、細(xì)砂巖。

圖1積水巷道和預(yù)期放水位置示意圖

鉆孔軌跡擬穿過(guò)F51逆斷層，斷層傾角45°，斷距±30 m，斷層破碎帶平均寬度40 m左右。具體巖層柱狀圖見(jiàn)表1。

表1 巖層柱狀分布

西三采區(qū)主要充水水源為32煤層頂、底板砂巖裂隙水，最大涌水量約30 m3/h。

西三回風(fēng)上山巷道積水段約46.8 m，積水范圍標(biāo)高-502.8～-517.5 m，積水量約610 m3,動(dòng)水量約7 m3/h。西三軌道上山巷道積水段約42.7 m，積水范圍標(biāo)高-514.2～-525.9 m，積水量約516.2 m3，動(dòng)水量約3 m3/h。鉆孔貫通目標(biāo)為標(biāo)高較低的西三軌道上山停頭位置。

2 精準(zhǔn)對(duì)穿巷道定向成孔技術(shù)

2.1 鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

定向鉆進(jìn)鉆孔軌跡設(shè)計(jì)三要素：鉆孔目的；開(kāi)孔點(diǎn)、終孔點(diǎn)相對(duì)位置；特殊地層條件。鉆孔目的確定鉆孔類型，開(kāi)孔、終孔位置確定孔深和軌跡，復(fù)雜地層條件則需要相對(duì)應(yīng)的特殊考慮。

鉆孔軌跡設(shè)計(jì)一般流程為：確定開(kāi)孔、終孔點(diǎn)；選取鉆孔軌跡地層層位；形成布孔方案；確定開(kāi)孔傾角和方位角；形成軌跡數(shù)據(jù)并畫(huà)成曲線圖。

錢(qián)營(yíng)孜礦定向放水孔目的是精準(zhǔn)對(duì)穿積水巷道實(shí)現(xiàn)排水，理想終孔點(diǎn)應(yīng)為巷道相對(duì)較低點(diǎn)，且巷道斷面寬5 m，中心高3.7 m，根據(jù)開(kāi)孔點(diǎn)、終孔點(diǎn)的相對(duì)位置，開(kāi)孔位置到巷道斷面平距>420 m，高差>100 m，考慮到儀器測(cè)量誤差、軌跡控制誤差以及其他影響，同時(shí)提高精準(zhǔn)對(duì)穿巷道準(zhǔn)確度，將終孔點(diǎn)選在積水巷道左幫，穿透高度位于巷道中部，鉆孔平面預(yù)想布置如圖1所示。若因測(cè)量誤差或其他環(huán)境因素未能一次穿透貫通，則只需在適當(dāng)位置向右開(kāi)分支孔后繼續(xù)鉆進(jìn)貫通。

鉆進(jìn)層位在穩(wěn)定的泥巖和砂巖地層中，若出現(xiàn)塌孔，則開(kāi)分支在穩(wěn)定層位施工。1號(hào)孔開(kāi)孔設(shè)計(jì)主要參數(shù)：設(shè)計(jì)孔深450 m，開(kāi)孔方位281°，開(kāi)孔傾角6°，終孔相對(duì)高差105 m，終孔相對(duì)水平位移421.8 m。

2.2 設(shè)備選型和配置

(1)定向鉆機(jī)。根據(jù)本次設(shè)計(jì)孔深約450 m施工要求，且存在大斷距斷層、泥巖地層等不良地質(zhì)條件，選用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的ZDY12000LD型大扭矩鉆機(jī)，配套BLY460型泥漿泵車(chē)。BLY460型泵車(chē)具有大流量和高泵壓，能夠滿足正常鉆進(jìn)和大排量沖孔排渣要求。

(2)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。考慮在復(fù)雜地層鉆進(jìn)中測(cè)量的可靠性、穩(wěn)定性和測(cè)量傳輸速度，最終確定選用YHD2- 1000(A)型有線通纜測(cè)量系統(tǒng)。

(3)鉆桿和鉆頭。根據(jù)鉆機(jī)型號(hào)和測(cè)量系統(tǒng)，定向鉆桿配套確定外徑為?89 mm通纜鉆桿，單根長(zhǎng)度3 m，配套性好，強(qiáng)度高，對(duì)于輕微卡鉆事故可以大扭矩和起拔處理。同時(shí)，根據(jù)施工需要配備?89 mm整體式螺旋鉆桿，穿斷層破碎帶時(shí)，螺旋鉆桿具有較好的排渣能力。定向鉆進(jìn)用鉆頭配套為?120 mm復(fù)合片鉆頭，擴(kuò)孔鉆頭為?120/153、153/193 mm。

(4)螺桿馬達(dá)?？紤]鉆進(jìn)地層需要和鉆具配套，螺桿馬達(dá)選用為?89 mm四級(jí)馬達(dá)；若遇到局部較硬地層，則考慮采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式穿過(guò)硬巖段提高鉆效或考慮提高扭矩?fù)Q用五級(jí)馬達(dá)。

(5)其他根據(jù)防治水要求，孔口安裝護(hù)孔套管，選用?146 mm套管，長(zhǎng)度≮15 m；配套安裝相應(yīng)的孔口防噴裝置和孔口閥門(mén)。

主要設(shè)備和材料配置如表2所示。

表2 主要設(shè)備和配套鉆具材料

2.3 鉆進(jìn)工藝方法

煤礦井下定向鉆進(jìn)工藝方法，主要有滑動(dòng)定向鉆進(jìn)、回轉(zhuǎn)復(fù)合鉆進(jìn)和螺旋鉆桿常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

(1)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)?；瑒?dòng)定向鉆進(jìn)是定向鉆孔常用施工方法。鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆桿不回轉(zhuǎn)，泥漿泵提供高壓水驅(qū)動(dòng)螺桿馬達(dá)回轉(zhuǎn)帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)切削破碎巖石，通過(guò)調(diào)整螺桿馬達(dá)彎外殼的朝向來(lái)控制鉆孔軌跡，圖2(a)所示。該鉆進(jìn)方式主要用于鉆孔造斜和軌跡糾偏。

圖2 滑動(dòng)定向鉆進(jìn)與旋轉(zhuǎn)復(fù)合鉆進(jìn)工藝原理圖

(2)復(fù)合定向鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過(guò)程中，泥漿泵向孔底泵送高壓水驅(qū)動(dòng)孔底馬達(dá)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)，鉆機(jī)帶動(dòng)鉆具回轉(zhuǎn)并向鉆具施加鉆壓，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合碎巖的鉆進(jìn)方法[11-12]，如圖2(b)所示。復(fù)合鉆進(jìn)一般是穩(wěn)斜鉆進(jìn)，與滑動(dòng)定向鉆進(jìn)相比，鉆進(jìn)巖層時(shí)能夠大大提高鉆進(jìn)效率，減小摩擦阻力，降低系統(tǒng)壓力；但這里主要目的是回轉(zhuǎn)時(shí)提高排渣能力。

(3)常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。在通過(guò)斷層破碎帶時(shí)，復(fù)合鉆進(jìn)無(wú)法通過(guò)時(shí)，則提鉆后采用螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式提高排渣能力強(qiáng)行穿過(guò)斷層破碎帶，然后進(jìn)行注漿對(duì)破碎帶加固處理。

3 施工應(yīng)用

2017年9月12日—10月28日在錢(qián)營(yíng)孜煤礦西三軌道上山，施工定向放水孔,具體施工流程與情況如下。

(1)開(kāi)孔擴(kuò)孔。穩(wěn)固鉆機(jī)，調(diào)整角度后，開(kāi)孔采用?120 mm PDC鉆頭+?89 mm螺旋鉆桿串，鉆進(jìn)至孔深18 m；然后提鉆逐級(jí)擴(kuò)孔至193 mm。

(2)下套管注漿固孔。下入?146 mm孔口管15 m，水泥封孔后做耐壓試驗(yàn)，合格后進(jìn)行下一步施工。

(3)下定向鉆具鉆進(jìn)。依次連接?120 mm PDC鉆頭+?89 mm孔底馬達(dá)+?89 mm下無(wú)磁鉆桿+隨鉆測(cè)量?jī)x器+?89 mm上無(wú)磁鉆桿+?89 mm通纜鉆桿串，后按照設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行鉆進(jìn)。期間根據(jù)地層條件和鉆孔軌跡情況適當(dāng)進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)。

(4)鉆遇F51斷層。當(dāng)鉆至斷層位置時(shí)，在正常情況下若能夠繼續(xù)鉆進(jìn)，采用復(fù)合鉆進(jìn)方式繼續(xù)鉆進(jìn)直至穿過(guò)斷層；鉆進(jìn)壓力異常無(wú)法正常鉆進(jìn)，則提鉆后下入?120 mm PDC鉆頭+?89 mm螺旋鉆桿串，回轉(zhuǎn)掃孔盡可能穿過(guò)斷層，為確保斷層破碎帶孔段在鉆進(jìn)期間和排水期間的鉆孔穩(wěn)定，提鉆后采用全孔注漿方式對(duì)破碎帶區(qū)域進(jìn)行注漿加固。

(5)繼續(xù)定向鉆進(jìn)。注漿完成后進(jìn)行回轉(zhuǎn)掃孔，以確保斷層破碎帶區(qū)域地層穩(wěn)定，然后下入定向鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)，按照鉆孔設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行糾偏和軌跡控制，盡可能保證鉆孔沿設(shè)計(jì)軌跡延伸。

(6)塌孔處理。繼續(xù)鉆進(jìn)一定深度后，若局部出現(xiàn)輕微塌孔，可加入專用沖洗液進(jìn)行沖孔排渣；若塌孔無(wú)法穿過(guò)，則回轉(zhuǎn)掃孔后，下入局部封隔器進(jìn)行封隔，然后對(duì)破碎區(qū)域局部逐漸進(jìn)行處理。

(7)貫通巷道。鉆進(jìn)至最后50 m時(shí)，嚴(yán)格控制鉆孔軌跡，每3 m測(cè)量一次，同時(shí)根據(jù)工具面角大小，預(yù)測(cè)鉆頭位置傾角和方位角，確保鉆孔上下位移、左右位移與設(shè)計(jì)軌跡偏差≯0.5 m，以保證最終能夠順利穿透。

4 施工效果分析

(1)現(xiàn)場(chǎng)施工放水孔在落差105 m，水平位移421.8 m，左右位移23.3 m的距離上，實(shí)現(xiàn)最終貫通，終孔位置實(shí)際位于巷道側(cè)幫2.2 m高處，距離西三軌道上山停頭斷面6.9 m；而根據(jù)測(cè)量?jī)x器測(cè)量計(jì)算的實(shí)鉆軌跡，終孔點(diǎn)位于側(cè)幫距離巷道底2.01 m，距離停頭5.18 m。終孔點(diǎn)測(cè)量值和實(shí)際值對(duì)比如表3所示。鉆孔軌跡如圖3和圖4所示。

表3 鉆孔設(shè)計(jì)值、測(cè)量值與實(shí)際值對(duì)比

圖3 鉆孔實(shí)鉆軌跡平面圖

圖4 鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面圖

(2)精確對(duì)穿巷道防水孔施工主要在于定向鉆進(jìn)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，傾角±0.2°，方位±1.5°，同時(shí)還在于精確的軌跡設(shè)計(jì)和軌跡控制。在設(shè)計(jì)鉆孔軌跡時(shí)，嚴(yán)格按照現(xiàn)有測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)，精確標(biāo)定開(kāi)孔點(diǎn)和終孔巷道斷面的坐標(biāo)位置，進(jìn)行精確的鉆孔設(shè)計(jì)，優(yōu)先穩(wěn)方位、調(diào)傾角；在鉆孔施工時(shí)，嚴(yán)格控制鉆孔軌跡，讓實(shí)鉆軌跡盡可能沿著設(shè)計(jì)軌跡延伸。

(3)鉆孔穿過(guò)F51斷層破碎帶時(shí)，采用復(fù)合鉆進(jìn)和螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式，有利排渣，保證定向鉆具安全，順利穿過(guò)40 m以上破碎帶并進(jìn)行全孔高壓注漿加固，加固后鉆孔穩(wěn)定，保證后續(xù)施工安全，該方法用于解決鉆進(jìn)中破碎帶塌孔問(wèn)題，確保鉆孔穩(wěn)定和施工安全具有一定的效果。

(4)放水孔順利對(duì)穿積水巷道后，平均排水量60 m3/h，螺旋鉆具回轉(zhuǎn)掃孔后最大排水量100 m3/h；后期為保證鉆孔順暢和排水持續(xù)性將鉆孔放置孔內(nèi)直至與砂巖裂隙水出水量接近時(shí)提鉆，截止12月1日累計(jì)總排水量3200 m3左右，其中排放巷道積水1100 m3以上，提鉆后保持15 m3/h的孔隙水出水量，達(dá)到很好的排水效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本次應(yīng)用定向成孔技術(shù)的放水孔是目前兩淮地區(qū)最深的精確定向?qū)Υ┿@孔。在深度443 m鉆孔中實(shí)現(xiàn)了上下誤差0.19 m，百米誤差<0.1 m；水平誤差1.72 m，百米誤差0.4 m的極高精度。

精準(zhǔn)對(duì)穿巷道放水孔的順利貫通，有效排出巷道積水，相對(duì)于水泵接力抽排和掘進(jìn)巷道的排水方式，節(jié)省了大量的電量消耗和人力物力財(cái)力，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

復(fù)合鉆進(jìn)配合高壓全孔注漿的綜合處理方式，成功穿越破碎帶，加固鉆孔，保證破碎、易塌孔段孔壁的穩(wěn)定，這是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地層條件下近水平定向鉆孔施工的行之有效的工藝方法。

精準(zhǔn)對(duì)穿巷道所采用的定向成孔技術(shù)在鉆孔軌跡選擇上有較大的可操作性和精確性，在掘進(jìn)和采煤超前導(dǎo)硐、老空區(qū)探放水和瓦斯、特殊地質(zhì)構(gòu)造勘探和加固處理以及局部救援巷道貫通等方面可以得到更廣泛運(yùn)用。

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