煤礦水害防治工作中鉆探技術(shù)的應(yīng)用研究

姬乃強(qiáng)

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710065）

1 引言

XX煤礦為區(qū)域內(nèi)主力生產(chǎn)礦井，煤層埋深在480m以上，底板主要充水含水層為L(zhǎng)7灰?guī)r含水層，水壓高達(dá)4.8MPa。為消除礦井水害隱患，XX礦井嚴(yán)格執(zhí)行“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、鉆探為主、先治后采”的方針，對(duì)區(qū)域內(nèi)鉆孔進(jìn)行了改造升級(jí)。但是在XX礦井實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，仍然存在鉆孔軌跡不可控、含水層有效孔段短、鉆孔孔深淺等問(wèn)題。本文對(duì)XX煤礦礦井水害防治中鉆探技術(shù)的優(yōu)化應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，具體如下。

2 煤礦水害災(zāi)害類(lèi)型及事故特點(diǎn)

我國(guó)煤礦水害類(lèi)型主要包括六個(gè)類(lèi)型，即華北石炭—二疊紀(jì)煤田的巖溶——裂隙水水害區(qū)為I類(lèi)；華南晚二疊紀(jì)煤田巖溶水水害區(qū)為II類(lèi)；東北及內(nèi)蒙侏羅紀(jì)煤田砂礫巖裂隙水水害、西北侏羅紀(jì)煤田砂礫巖裂隙水水害分別為III類(lèi)、IV類(lèi)；西藏及滇西中生代煤田裂隙水水害、臺(tái)灣第三紀(jì)煤田裂隙——孔隙水水害分別為V類(lèi)、VI類(lèi)[1]。

通過(guò)對(duì)“十三五”期間我國(guó)煤礦水害事故特征統(tǒng)計(jì)得出：根據(jù)所有制煤炭企業(yè)類(lèi)型的差異，水害事故特征也具有一定變化。一般來(lái)說(shuō)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦水害事故發(fā)生概率遠(yuǎn)高于國(guó)有地方及國(guó)有重點(diǎn)煤礦水害事故發(fā)生概率。其中地質(zhì)構(gòu)造誘發(fā)的煤礦突水發(fā)生概率最大，煤礦突水水害對(duì)礦井安全生產(chǎn)造成了極大的威脅。因此，老空積水、地表水等突水水害為煤礦水害防治要點(diǎn)。

3 煤礦水害防治工作中鉆探技術(shù)的應(yīng)用措施

3.1 鉆探設(shè)備選定

依據(jù)MT/T 790-2006《煤礦坑道勘探用鉆機(jī)》、MT/T356-2005《煤礦井下安全工程鉆機(jī)》的相關(guān)要求，本次鉆探工程中主要用鉆探設(shè)備為ZDY1300型煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)及ZG型R780高強(qiáng)度外平鉆桿。煤層施工采用靜壓水作為沖洗介質(zhì)的普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝。配套設(shè)備包括：新型ZDY3200L全液壓鉆機(jī)、Φ113四翼內(nèi)凹PDC鉆頭、Φ73整體式寬葉片螺旋鉆桿等附屬設(shè)備。鉆孔直徑為113mm，最大深度為10～180m，鉆孔傾角范圍-90°～+90°、方位角 0～180°；底孔用鉆桿為 Φ110/73mm×1m插接式雙頭螺旋鉆桿，鉆桿接頭采用內(nèi)加厚方式局部增加壁厚，通過(guò)摩擦焊與鉆桿相連，芯桿直徑73 mm，鉆桿外直徑為110mm；煤層施工用鉆桿為Φ73mm×1m整體式寬葉片螺旋鉆桿，鉆桿接頭采用內(nèi)加厚方式局部增加壁厚，通過(guò)摩擦焊與鉆桿相連，采用螺紋式連接；底板鉆孔用的鉆頭為Φ120mm插接式螺旋合金鉆頭，該鉆頭為高品質(zhì)硬質(zhì)合金切削齒；煤層鉆孔選用的為Φ113mm四翼內(nèi)凹PDC鉆頭，該頭采用優(yōu)質(zhì)金剛石復(fù)合片（PDC）作為切削齒。

圖1 煤礦用全液壓鉆進(jìn)系統(tǒng)

3.2 鉆探方案設(shè)計(jì)

本次鉆探主要是在即將開(kāi)掘的11562工作面上順槽進(jìn)行鉆探施工，即依據(jù)工作面下順槽已形成鉆探場(chǎng)地，沿順槽方向，進(jìn)行超前探與底板加固作業(yè)。在前期鉆探面設(shè)計(jì)過(guò)程中，需在底板鉆孔的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)兩探煤鉆孔。即設(shè)計(jì)探煤孔鉆進(jìn)層位平均煤厚為6.22m，底板孔鉆進(jìn)層位為L(zhǎng)7灰?guī)r底部細(xì)粒砂巖，該層位置較穩(wěn)定，距離灰?guī)r4.89m。

在11562工作面下順槽鉆探期間，主要依據(jù)上順槽鉆探方向，經(jīng)大幅度拐彎，在巷道兩側(cè)進(jìn)行探煤鉆探[2]。由于底板注漿口位于巷道下方，為保證探煤鉆孔作業(yè)順利進(jìn)行，施工人員需合理設(shè)置一分支探頂節(jié)點(diǎn)，保證順槽口內(nèi)煤層構(gòu)造穩(wěn)定。

3.3 鉆探方案實(shí)施

首先，在鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間，需在兩級(jí)套管下部開(kāi)設(shè)孔徑為φ113mm的鉆孔。其次，在鉆孔軌跡確定之后，可采用φ50.0mm金剛石復(fù)合片可開(kāi)閉式鉆頭，回鉆一級(jí)孔口管，隨后下放設(shè)計(jì)內(nèi)徑為φ105mm的套管，并利用井下注漿泵，依照水灰比為1/1.0的比例進(jìn)行水泥漿拌合，在套管內(nèi)進(jìn)行注漿固管作業(yè)。為保證固管效果，應(yīng)保證水泥漿凝固時(shí)間在24h以上。在這個(gè)基礎(chǔ)上，利用φ105mm鉆頭透出套管0.6m后進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，保證耐壓試驗(yàn)階段周邊水壓在11MPa左右。若套管壁周邊無(wú)水分滲出，則表明固管效果良好，反之則需要重新進(jìn)行固管作業(yè)。最后，在鉆頭鉆設(shè)過(guò)程中，根據(jù)鉆扣類(lèi)型的差異，需要采取不同的鉆孔模式，如在全煤層鉆進(jìn)期間，需要采用螺旋鉆桿在煤層鉆進(jìn)成孔。

在鉆進(jìn)煤層與設(shè)計(jì)煤層呈90°時(shí)，施工人員需要利用高角度上仰施工方式，在頂板條件較好的位置進(jìn)行鉆桿架設(shè)，然后在原有孔口管的基礎(chǔ)上增設(shè)一套管，以控制上孔口與地表距離在2.00m以下，避免擊發(fā)距離過(guò)長(zhǎng)對(duì)鉆進(jìn)效果的影響。

在斜下孔鉆設(shè)期間，由于鉆孔順層鉆進(jìn)期間巖層自重的影響，巖層破碎風(fēng)險(xiǎn)較大，據(jù)此，可在煤層下方設(shè)置鉆桿。并在鉆頭距離孔底16m時(shí)調(diào)整泵壓，避免憋泵現(xiàn)象對(duì)鉆進(jìn)穩(wěn)定性的不利影響。若在煤礦水害防治階段不需進(jìn)行鉆芯取樣，則可直接進(jìn)行沖孔提鉆作業(yè)，即沿正常鉆進(jìn)軌道，待沖孔20.0min后，提出鉆桿。

在松軟層跟管鉆進(jìn)階段，施工人員需要綜合考慮鉆進(jìn)到一定深度后遭遇松軟層及開(kāi)孔階段遭遇松軟層等情況。若在鉆進(jìn)一定深度后遇到松軟層，相關(guān)人員需要首先下放一孔徑口管，然后進(jìn)行巖芯管的鉆進(jìn)。一般來(lái)說(shuō)巖芯管內(nèi)徑應(yīng)比鉆頭大一徑。這種情況下，若鉆進(jìn)階段遭遇松軟層，施工人員就可以及時(shí)拉鉆。并利用跟管鉆進(jìn)的方式，持續(xù)鉆進(jìn)，保證鉆進(jìn)階段孔壁穩(wěn)定；若在開(kāi)孔之初遭遇松軟層，施工人員需要配置與止水管端口相符的合金鉆頭。結(jié)合后端螺絲頭的設(shè)置，可避免松軟層鉆進(jìn)階段套管管壁失穩(wěn)。

4 煤礦水害防治工作中鉆探技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)化

鉆探技術(shù)在煤礦水害防治中的應(yīng)用，不僅可以驗(yàn)證前期物探結(jié)果，而且可以揭示富水異常區(qū)水文地質(zhì)特點(diǎn)[3]，進(jìn)而幫助施工方了解導(dǎo)水構(gòu)造水文地質(zhì)條件及其與水源間的關(guān)系。但是，在現(xiàn)階段煤礦水害防治工作開(kāi)展過(guò)程中，鉆孔軌跡不可控、含水層有效孔段短、鉆孔孔深淺等問(wèn)題的存在，嚴(yán)重影響了鉆探水害防治效果。因此，在今后鉆探技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在保證鉆孔軌跡平直的基礎(chǔ)上，最大程度控制鉆孔彎曲程度，避免鉆桿與孔壁頻繁摩擦影響鉆探給進(jìn)壓力。

其次，為降低鉆孔埋鉆風(fēng)險(xiǎn)因素，煤礦水害防治人員可采用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)+定向鉆進(jìn)的模式，將鉆進(jìn)孔內(nèi)多余雜質(zhì)帶出，同時(shí)在鉆進(jìn)階段對(duì)鉆孔漏失量進(jìn)行觀測(cè)，探究巖層破碎帶水害分布情況，為后期水害治理提供依據(jù)。

最后，為保證后期巷道掘進(jìn)工作穩(wěn)定進(jìn)行，緩解礦井工作面緊張程度，同時(shí)相關(guān)人員可借鑒與工程水文地質(zhì)條件類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步調(diào)整煤礦水害區(qū)鉆探方案。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，煤礦井下水害事故是煤礦生產(chǎn)作業(yè)安全主要威脅因素之一。因此，煤礦鉆探企業(yè)可以井下水防治為要點(diǎn)，依據(jù)煤礦區(qū)水害類(lèi)型，選擇合理的煤礦鉆探設(shè)備、鉆探方式及實(shí)施方案，同時(shí)綜合考慮斜下孔鉆進(jìn)、高角度上仰鉆進(jìn)、全煤層孔螺旋鉆進(jìn)等類(lèi)型，合理調(diào)整鉆進(jìn)模式，保證鉆進(jìn)階段煤層穩(wěn)定，降低巖層破碎對(duì)煤礦水害防治效果的影響。