定向長(zhǎng)鉆孔在趙固二礦的施工與應(yīng)用

時(shí)歌聲 李國(guó)棟 王浩昌

（1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.焦作煤業(yè)（集團(tuán)）新鄉(xiāng)能源有限公司趙固二礦，河南 新鄉(xiāng) 453633）

河南能源焦煤公司趙固二礦位于焦作煤田東部、太行山南麓，為煤與瓦斯突出礦井，地質(zhì)構(gòu)造條件簡(jiǎn)單、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，開采至今未發(fā)生瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象。礦井主采煤層為二疊系山西組二1煤層，為近水平單一厚煤層，煤層整體性好，機(jī)械強(qiáng)度高，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f=1.4～2.8（f=1.5～1.8比較普遍），原煤瓦斯含量在0～15.36m3/t之間。由于煤層底板距離L2、L8、O2含水層較近，底板灰?guī)r含水層巖溶裂隙發(fā)育、水壓大，在施工底板巖巷進(jìn)行穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯過程中，隔水層進(jìn)一步削弱，極易引發(fā)底板突水。此外，由于礦壓顯現(xiàn)劇烈，底板巷支護(hù)困難、掘進(jìn)緩慢，造成礦井采掘接替異常緊張。

礦井2016年引進(jìn)了首臺(tái)千米定向鉆機(jī)，通過施工穿層走向長(zhǎng)鉆孔代替底板巖巷進(jìn)行區(qū)域瓦斯治理，一次性完成走向600m、傾向64m條帶煤層均勻控制抽采，減少施工底抽巷發(fā)生突水事故的危險(xiǎn)性，實(shí)現(xiàn)了煤巷的安全掘進(jìn)。

1 施工工藝流程

千米鉆機(jī)定向長(zhǎng)鉆孔鉆場(chǎng)位于11060底抽巷通尺627m處，與煤層底板垂距10.5m，與11060工作面下順槽平距內(nèi)錯(cuò)10m。定向鉆孔施工成孔工藝基本包括：鉆孔參數(shù)確定、開孔固孔、保直鉆進(jìn)、造斜鉆進(jìn)等幾個(gè)階段[1-2]。

1.1 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

為加快瓦斯抽采，同時(shí)避免施工較大直徑鉆孔帶來的塌孔、堵孔情況[3]，鉆孔直徑選擇為Φ96mm。根據(jù)礦井實(shí)測(cè)本煤層鉆孔180d極限抽采影響半徑為3.92m，共設(shè)計(jì)4個(gè)主孔，13個(gè)主分支孔，分支孔孔底間距5m，鉆孔孔深600m。鉆孔設(shè)計(jì)平面布置見圖1。

由于定向鉆孔最后將以與地層平行的角度進(jìn)行延伸，需要將鉆孔傾角轉(zhuǎn)變?yōu)?°左右進(jìn)行鉆進(jìn)，應(yīng)盡量減小鉆孔進(jìn)煤層傾角，縮短鉆孔造斜段距離。同時(shí)，套管段位于煤層底板，地層相對(duì)破碎不穩(wěn)定，易發(fā)生各種鉆探事故，且大直徑套管段下入困難，應(yīng)盡量減少巖孔段距離。綜合以上考慮鉆孔開孔傾角設(shè)計(jì)為12°，出套管時(shí)傾角為10°～14°，且出套管后應(yīng)盡快調(diào)整鉆孔方位達(dá)到設(shè)計(jì)值，以減少盲區(qū)，增加可用抽采鉆孔長(zhǎng)度。

圖1 鉆孔設(shè)計(jì)平面布置圖

1.2 鉆孔套管固孔施工

11060底抽巷頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，整體巖性較軟，有遇水膨脹的可能性。為防止巖孔段泥巖遇水縮徑、塌孔變形，開孔期間采取全巖段下二級(jí)套管并注漿加固。

1#鉆孔開孔過程中，二級(jí)套管鉆進(jìn)采用穩(wěn)定組合鉆具（Φ133mm鉆頭+2根Φ132mm扶正器+Φ73mm螺旋鉆桿）回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)施工，鉆孔傾角變化較大時(shí)采用隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)進(jìn)行軌跡調(diào)控，鉆孔60m見煤，傾角11.9°，但二級(jí)套管下至孔深12m時(shí)無法下入。

調(diào)整施工方案，采用套管取芯鉆具組合（Φ133mm取芯鉆頭+Φ127mm套管+Φ127mm異徑接頭+Φ73mm螺旋鉆桿）從孔口開始重新施工，孔深48m時(shí)見煤，傾角為13.6°，二級(jí)套管順利下至孔底。不同鉆進(jìn)工藝套管孔段傾角變化情況見表1。

由表1可以看出，采用套管取芯工藝鉆進(jìn)效率較低，平均每班進(jìn)尺5m左右，孔軌跡傾角略有上升，但整體保直效果好，能夠保證二級(jí)套管順利下入孔底，后期鉆孔開孔套管段均采用取芯鉆進(jìn)工藝。

1.3 定向孔段施工

（1）鉆孔設(shè)計(jì)要求

鉆孔設(shè)計(jì)時(shí)以地層傾角及起伏狀況為依據(jù)，鉆孔傾角與地層相一致，盡量靠近煤層底板1.5～2m鉆進(jìn)。實(shí)際施工過程中，每隔100m進(jìn)行一次探頂，每隔200m進(jìn)行一次探底，根據(jù)施工情況，可調(diào)整探頂和探底次數(shù)。由于煤層有出水可能性，因此鉆孔傾角應(yīng)≥0°。

（2）鉆進(jìn)技術(shù)要求

① 設(shè)計(jì)造斜強(qiáng)度為（0.5°～1°）/3m；② 隨鉆測(cè)量測(cè)點(diǎn)間隔設(shè)計(jì)為3m；③ 鉆孔軌跡左右位移應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)控制，上下位移控制依據(jù)探測(cè)的頂板情況控制，保證鉆孔在煤層中延伸；④ 鉆進(jìn)過程中及時(shí)關(guān)注設(shè)備工作壓力、孔口返水以及隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)情況，遇到異常及時(shí)停鉆處理[3-4]。

2 定向長(zhǎng)鉆孔施工成果

2.1 1-1#孔施工情況

11060底抽巷統(tǒng)尺627m鉆場(chǎng)1-1#孔為趙固二礦首個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔，歷時(shí)17d共完成主孔及分支孔16個(gè)，其中探頂分支5個(gè)、探底分支7個(gè)，鉆進(jìn)異常分支3個(gè)。實(shí)鉆鉆孔軌跡剖面如圖2所示。

圖2 1-1#孔實(shí)鉆剖面圖

1-1#孔施工時(shí)，165m附近和450m附近，出現(xiàn)兩次地層無法辨識(shí)，主要原因分析：（1）礦井采掘工程平面圖上給出的煤層頂板等高線誤差較大；（2） 地層突然向上起伏時(shí)（165m為由0°變?yōu)?°，450m由2°變?yōu)?°），導(dǎo)致鉆孔軌跡與實(shí)際底板距離低于2m，極易鉆遇底板，且使預(yù)留分支點(diǎn)離底板較近，容易再次鉆遇底板；（3）鉆屑作為頂?shù)装迮袛嗟妮o助標(biāo)志，長(zhǎng)距離鉆進(jìn)或煤層夾矸時(shí)容易誤導(dǎo)頂?shù)装迮袛?。在鉆進(jìn)參數(shù)和速度正常的情況下，應(yīng)繼續(xù)鉆進(jìn)查實(shí)，僅依靠預(yù)測(cè)的頂?shù)装寰€，易產(chǎn)生誤判，為后期開分支產(chǎn)生干擾。

施工工藝優(yōu)化：（1）盡量將鉆孔布置在煤層中上部，避免鉆孔軌跡靠近底板或鉆遇底板，導(dǎo)致退鉆開分支距離遠(yuǎn)，頂?shù)装鍩o法有效判斷等問題；（2）未知區(qū)域施工時(shí)，減小探頂間距，及時(shí)查明煤層起伏情況后，修改鉆孔設(shè)計(jì)軌跡；（3）利用EXCEL進(jìn)行鉆孔軌跡預(yù)測(cè)，加強(qiáng)軌跡控制精度，避免軌跡調(diào)整滯后或超量，減少造斜段距離和鉆孔彎曲曲率；（4）增加預(yù)留分支點(diǎn)個(gè)數(shù)；（5）定期采集煤巖樣，加強(qiáng)巖性識(shí)別和鉆進(jìn)參數(shù)分析，輔助鉆進(jìn)決策[5-6]。

1-1#施工過程耗時(shí)最長(zhǎng)、累計(jì)孔深最大、開分支次數(shù)最多，鉆孔鉆進(jìn)過程中進(jìn)行了煤層頂、底板探測(cè)分析，摸清了頂?shù)装鍖游缓?，后期鉆孔整體鉆進(jìn)施工較順利，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且開分支、探頂、探底次數(shù)大幅減少，工期明顯縮短。

2.2 定向長(zhǎng)鉆孔整體施工成果

自2016年3月22日～8月16日，在巷道627m處鉆場(chǎng)內(nèi)施工定向長(zhǎng)鉆孔，實(shí)際完成4個(gè)主孔、14個(gè)主分支孔，鉆孔總計(jì)進(jìn)尺9157m（巖孔段209m）。由于11060底抽巷627m處鉆場(chǎng)施工的長(zhǎng)鉆孔為穿層鉆孔，從巖到煤需要一段距離，同時(shí)鑒于長(zhǎng)鉆孔開分支的特點(diǎn)，627m處鉆場(chǎng)施工的長(zhǎng)鉆孔不能均勻覆蓋煤巷統(tǒng)尺676～820m范圍，因此在480m處鉆場(chǎng)補(bǔ)充施工定向長(zhǎng)鉆孔予以覆蓋，完成施工2個(gè)主孔、11個(gè)主分支孔，鉆孔總計(jì)進(jìn)尺2462m（巖孔段105.5m）。定向長(zhǎng)鉆孔實(shí)鉆如圖3所示。

圖3 11060下順槽順層長(zhǎng)鉆孔實(shí)鉆圖

11060底抽巷施工的千米鉆機(jī)定向長(zhǎng)鉆孔平均日進(jìn)尺86.1m，單班最高進(jìn)尺102m。在鉆孔施工過程中，由于煤層賦存條件不斷變化，進(jìn)行了9次探到頂板、12次探到底板，實(shí)鉆分支孔間距大部分為5m左右，最大孔間距7.6m（仍小于實(shí)測(cè)影響半徑2倍，7.84m）。14個(gè)分支孔中有12個(gè)孔深超過600m，最大孔深626m，鉆孔施工整體上達(dá)到設(shè)計(jì)要求，較好地控制了抽采區(qū)域煤層。

3 定向長(zhǎng)鉆孔瓦斯治理效果

經(jīng)過不少于6個(gè)月連續(xù)抽采，累積抽出瓦斯量49.7萬m3，瓦斯抽出率為15.68%，實(shí)測(cè)殘余瓦斯含量2.98～5.95m3/t。巷道統(tǒng)尺650～1150m掘進(jìn)期間，平均日進(jìn)尺7.58m，平均月進(jìn)尺227m。掘進(jìn)期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛日w較低，大部分時(shí)間回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛仍?.05%～0.15%之間，最大回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.28%，巷道最大瓦斯涌出量為1.42m3/min。掘進(jìn)期間采用“復(fù)合指標(biāo)法”連續(xù)進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證，測(cè)定鉆屑量與鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)，經(jīng)過94次驗(yàn)證，鉆孔鉆屑量指標(biāo)S為1.7～2.6kg/m，鉆孔瓦斯涌出初速度指標(biāo)q均＜1.5L/min，兩項(xiàng)指標(biāo)均小于臨界值，且鉆孔施工期間未出現(xiàn)噴孔、卡鉆等突出預(yù)兆，區(qū)域驗(yàn)證結(jié)果均為無突出危險(xiǎn)。

4 結(jié)論

（1）采用套管取芯鉆進(jìn)工藝，實(shí)現(xiàn)了大直徑套管孔段保直施工，確保了大直徑長(zhǎng)距離套管下放；

（2）通過主孔施工時(shí)“探頂+開分支”技術(shù)探明了鉆孔延伸方向上的煤層起伏情況，修正了煤層頂板等高線，確保了鉆孔軌跡控制在煤層中延伸，提高了后期鉆孔施工效率。

（3）利用千米定向鉆機(jī)施工優(yōu)勢(shì)，對(duì)鉆孔施工軌跡準(zhǔn)確掌握，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤巷掘進(jìn)范圍煤體的均勻控制，避免了底板巖巷施工水害問題，為區(qū)域瓦斯治理提供了保障。