復(fù)雜地質(zhì)條件下遠(yuǎn)距離定點探放老空水技術(shù)

劉明軍，李曉龍，2，楊 忠，張甲迪

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710054）

隨著煤礦開采深度增加和生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，礦井地質(zhì)條件更為復(fù)雜，致災(zāi)因素增多，嚴(yán)重威脅著煤礦安全生產(chǎn)，水害事故仍有上升趨勢，老空區(qū)成為煤礦采掘致災(zāi)的主要因素[1]。

各主要煤礦區(qū)由于歷史原因遺留大量隱蔽性采空區(qū)、廢棄巷道，技術(shù)資料不全或者缺失，導(dǎo)致老空區(qū)分布范圍、位置、數(shù)量不清，特別是小煤窯，開采隨意性大，采空區(qū)形態(tài)不明，分布廣，易積水、積聚有毒有害氣體，隱患大，探測難度大，難以疏放徹底，嚴(yán)重影響煤礦掘進(jìn)速度，導(dǎo)致煤礦采掘接續(xù)緊張，如何有效超前識別與疏放，是避免老空水害事故發(fā)生的有效保證[2]。煤礦隱蔽致災(zāi)因素探查主要有物探、化探、鉆探等工程技術(shù)手段。由于井下環(huán)境的復(fù)雜性、不同目標(biāo)體物理性質(zhì)的相似性，導(dǎo)致物探解釋結(jié)果的多解性、非唯一性。為了降低物探解釋的多解性，需物探先行與鉆探驗證的綜合勘探方法。利用鉆探技術(shù)對水害隱患進(jìn)行探查、驗證及治理，具有高效、可靠、及時的特點，是最直接的手段[3-8]。地面疏放孔施工時間較長、疏放效率不高、成本高、征地困難、易造成環(huán)境污染。煤礦井下回轉(zhuǎn)探查，探查距離短，鉆孔軌跡不可控，難以達(dá)到定點疏放目的。隨著大功率定向鉆機(jī)、大泵量泵車和煤礦井下泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，煤礦井下定向長鉆孔探測距離長、軌跡可控、中靶精度高等技術(shù)優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于瓦斯治理、防治水等領(lǐng)域[9-10]，技術(shù)優(yōu)勢明顯，但應(yīng)用在“對勾狀”定向長鉆孔探放老空水模式還不成熟，套管孔段孔徑大，孔內(nèi)返粉不暢，鉆孔易偏斜，影響套管下入設(shè)計位置；定向造斜段將形成凹點，易發(fā)生卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)復(fù)雜。

以探查疏放韓咀煤礦32101 工作面主運(yùn)巷北側(cè)老空水為研究背景，優(yōu)選定向長鉆孔鉆進(jìn)工藝技術(shù)，對大直徑傾斜鉆孔保直、精確控制鉆孔軌跡、穿越采空區(qū)進(jìn)行研究，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離超前定點疏放的目的，消除水害隱患，減少工作面準(zhǔn)備時間，滿足礦井安全生產(chǎn)接續(xù)的需要，提高采掘生產(chǎn)效率，保障煤礦安全高效開采。

1 工程概況

韓咀煤礦為資源整合礦井，井田范圍內(nèi)存在小煤礦開采破壞區(qū)，采空區(qū)積水為主要突水水源[11]。2#煤層為主采煤層，煤層松軟，煤厚5.00～7.97 m，平均5.80 m，屬穩(wěn)定可采煤層，上分層受到小煤窯不同程度開采破壞；直接底板為泥巖，厚度1.1 m 左右，遇水易泥化，易發(fā)生底鼓現(xiàn)象，但隔水性能好，屬不穩(wěn)定底板；2#煤層下距3#煤層1.21～7.81 m，平均4.51 m；3#煤層直接底板為灰白色細(xì)粒砂巖K7，層位穩(wěn)定。工作面綜合地質(zhì)柱狀圖如圖1。

32103 工作面南緊鄰32101 工作面屬一盤區(qū)，主體構(gòu)造為一走向北東，向北西傾斜的單斜構(gòu)造。工作面長1 200 m，寬215 m，走向正東正西，傾向正北，傾角6°。

圖1 工作面地質(zhì)綜合柱狀Fig.1 Geological synthesis column of working face

在采掘以前，工作面已開展了地面三維地震勘探、瞬變電磁勘探等多種物探手段探查，查明采空區(qū)分布情況，初步圈定物探異常區(qū)。在巷道掘進(jìn)期間，采用主運(yùn)和泄水巷進(jìn)行交替疏放水，效果不佳，嚴(yán)重制約礦井生產(chǎn)。在32101 工作面主運(yùn)巷掘進(jìn)至440 m 時，迎頭施工了21 個常規(guī)探查、疏放水鉆孔，其中B5 鉆孔涌水量最大，為16.7 m3/h。利用煤礦井下定向鉆進(jìn)至32103 輔運(yùn)巷南側(cè)老空積水區(qū)及32101 主運(yùn)巷北側(cè)老空積水區(qū)，將老空動態(tài)補(bǔ)給水通過定向鉆孔截引至盤區(qū)北水倉內(nèi)，達(dá)到疏放老空水的目的，從而使32101 主運(yùn)巷前方老空水呈靜儲量狀態(tài)而達(dá)到疏放效果，同時也可緩解北側(cè)32103工作面掘進(jìn)期間老空水威脅，縮短常規(guī)鉆孔放水影響時間，確保32101 主運(yùn)及32103 輔運(yùn)巷安全掘進(jìn)。工作面及物探異常區(qū)分布如圖2。

圖2 工作面及物探異常區(qū)分布Fig.2 Distribution of working face and geophysical anomaly area

2 定向鉆孔設(shè)計

根據(jù)地層構(gòu)造情況，適當(dāng)選取距離煤層較近的穩(wěn)定地層進(jìn)行定向鉆孔施工，待接近采空區(qū)時再將軌跡調(diào)整至目標(biāo)點，由于積水區(qū)域中煤泥、巖塊顆粒等大量沉積在老空低水平范圍內(nèi)，為防止通道堵塞，一般定向長鉆孔布設(shè)在煤層頂板層位中疏放水效果較好。但當(dāng)煤層頂板受地質(zhì)構(gòu)造或水位標(biāo)高的限制，無法選擇地層布設(shè)定向鉆孔時，選取煤層底板穩(wěn)定層位布設(shè)定向鉆孔。

2.1 目標(biāo)地層選擇

利用定向鉆孔探放老空水，合理選擇鉆孔穿越目的地層至關(guān)重要。由于小煤窯亂采亂掘現(xiàn)象，造成采空區(qū)分布混亂，本煤層施工定點探放水孔時，受地層穩(wěn)定性、穿層厚度、構(gòu)造分布、圍巖破壞影響很難達(dá)到疏放目的。根據(jù)探查區(qū)域與鉆孔布設(shè)地點空間層位關(guān)系，設(shè)計合理的鉆孔結(jié)構(gòu)及鉆孔軌跡，選擇合理的目標(biāo)地層及鉆孔參數(shù)，以達(dá)到鉆孔精確控制、定點探放水的目的。

目標(biāo)地層選擇原則：①目標(biāo)層自身需要有一定的厚度；②地層穩(wěn)定，不易塌孔、縮徑；③應(yīng)盡可能選擇辨識度較強(qiáng)的地層；④軌跡盡可能避開褶皺、斷層等地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域。

由于2#煤層松軟，堅固性系數(shù)偏小，如果選擇煤層直接頂板粉砂巖，層位穩(wěn)定，但進(jìn)入采空區(qū)以前必須穿行1 段2#煤層，與順層長鉆孔一樣，易引發(fā)塌孔、卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)復(fù)雜；如果選擇直接底板泥巖遇水易泥化，成孔困難，不宜布設(shè)定向長鉆孔，所以目的層位選擇比較穩(wěn)定的灰白色細(xì)粒砂巖K7。

2.2 鉆孔設(shè)計

根據(jù)采空區(qū)位置以及探查鉆孔的控制范圍，布設(shè)鉆場以及鉆孔，平面上合理設(shè)計鉆孔間距及方位，剖面上保證鉆孔在進(jìn)入“靶點”位置與鉆孔曲率半徑的影響關(guān)系[12-15]。

鉆孔平面設(shè)計主要體現(xiàn)鉆孔方位上的變化，反映鉆孔的左右位移。在平面上投影是1 條直線。

鉆孔剖面主要依據(jù)目標(biāo)地層的起伏變化，設(shè)計體現(xiàn)在鉆孔傾角的變化，反映鉆孔垂向上的位移。鉆孔軌跡一般設(shè)計為“直線-曲線-直線”形式，曲線段設(shè)計是將開孔傾角過渡為直線傾角的過程，一般為圓弧線。在設(shè)計過程中首先確定鉆孔造斜曲率，根據(jù)造斜曲率計算圓弧線的弧長和半徑，利用半徑畫出相應(yīng)圓弧并與直線段軌跡相切；其次確定開孔角度，鉆孔軌跡弧線段設(shè)計示意圖如圖3。

計算公式如下：

圖3 鉆孔軌跡弧線段設(shè)計示意圖Fig.3 Design schematic diagram of arc section of borehole trajectory

式中：K 為鉆孔造斜曲率，（°）/m；R 為鉆孔曲線段曲率半徑，m；α 為鉆孔傾角變化的角度，（°）；α1為開孔角度，（°）；α2為地層傾角，（°）；L 為鉆孔曲線變化長度，m。

鉆場布設(shè)在北大巷橫貫位置，設(shè)計ZK-01 鉆孔開孔標(biāo)高564 m，開孔層位在2#煤層，方位角116°，開孔傾角-5°，B5 鉆孔為靶點，設(shè)計造斜點標(biāo)高562.16 m，著落點標(biāo)高選擇561.83 m，鉆孔孔深525 m，套管下至3#煤層底板細(xì)粒砂巖層位。鉆孔設(shè)計鉆遇2#煤層、底板泥巖、3#煤層、泥巖等，可能會發(fā)生縮徑及塌孔等孔內(nèi)復(fù)雜。進(jìn)入目的地層灰白色細(xì)粒砂巖K7，下入套管以封固孔口不穩(wěn)定地層，然后快速增斜，使長鉆孔在細(xì)粒砂巖延伸，定向鉆孔設(shè)計及實鉆剖面如圖4。

2.3 鉆孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鉆孔用途目的以及施工要求不同，鉆孔的終孔孔徑也不同。合理的鉆孔結(jié)構(gòu)是定向鉆孔探放的前提和基礎(chǔ)，是保障鉆孔順利實施的根本所在。鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計原則如下：①開孔傾角根據(jù)開孔點與終孔點空間關(guān)系及鉆孔軌跡調(diào)整難易程度進(jìn)行設(shè)計；②鉆孔孔徑根據(jù)設(shè)備能力、鉆具組合、套管級配進(jìn)行設(shè)計；③孔口套管根據(jù)地層穩(wěn)定性、巖性變化情況、孔口管耐壓值進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；④確保高效、低成本、安全鉆進(jìn)。

圖4 定向鉆孔設(shè)計及實鉆剖面Fig.4 Directional drilling design and solid drilling profile

按照原則，遠(yuǎn)距離探放水鉆孔適合采用開結(jié)構(gòu)：一開套管孔段，孔徑φ193 mm，套管尺寸為168 mm，下深≥10 m，起止水、封固破碎地層作用；二開套管孔段，孔徑φ153 mm，套管尺寸φ127 mm，根據(jù)地質(zhì)情況確定套管下深，起封固易塌孔、縮徑層位，并保證滿足耐壓試驗要求，安裝孔口三通防噴裝置；三開定向造斜孔段，分定向段和穿透采空區(qū)段，采用φ98 mm 鉆頭定向鉆進(jìn)至采空區(qū)附近，更換鉆具穿透采空區(qū)。鉆孔孔身結(jié)構(gòu)詳見表1。

表1 鉆孔孔身結(jié)構(gòu)表Table 1 Borehole structure

3 遠(yuǎn)距離定點疏放水關(guān)鍵技術(shù)

3.1 定向鉆孔鉆進(jìn)參數(shù)優(yōu)選

根據(jù)地質(zhì)預(yù)想剖面圖，結(jié)合以往該區(qū)域鉆孔經(jīng)驗綜合分析，設(shè)計鉆壓、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，根據(jù)實際情況進(jìn)行優(yōu)選。鉆進(jìn)參數(shù)見表2。

3.2 大直徑傾斜鉆孔保直鉆進(jìn)

定向長鉆孔探放老空水需下入多級套管以封固孔口不穩(wěn)定層位、控制涌水及保證注漿安全。由于套管孔段孔徑大，孔內(nèi)返粉不暢，鉆孔易偏斜，影響套管下入設(shè)計位置。設(shè)計鉆孔軌跡時，合理增大鉆孔軌跡與易塌孔層位的夾角，使得鉆孔快速穿過不穩(wěn)定層位。鉆孔開孔傾角和方位角應(yīng)盡量與設(shè)計值一致，防斜保直；應(yīng)用φ73 mm 螺旋鉆桿、大功率泥漿泵進(jìn)行保直和排粉，避免鉆孔由于返粉不暢而偏斜。φ191 mm 和φ151 mm 的掃孔鉆具，套管下入前或鉆孔鉆進(jìn)時，使用掃孔鉆具保直。

表2 鉆進(jìn)參數(shù)Table 2 Drilling parameters

3.3 鉆孔軌跡精確控制技術(shù)

鉆進(jìn)過程中，孔底造斜鉆具處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，鉆孔軌跡的變化很難確定。地面煤層氣、石油、頁巖氣等的水平井鉆進(jìn)，應(yīng)用地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)，實時地調(diào)整井眼軌跡，保證實際井眼穿過儲層并取得最佳位置[11]。

在定向鉆進(jìn)過程中，以實際孔段的彎曲強(qiáng)度為指導(dǎo)，防止實際鉆孔的彎曲強(qiáng)度超出定向孔鉆具的強(qiáng)度而造成鉆具損壞或造成孔內(nèi)事故。隨鉆測量系統(tǒng)每隔3～6 m 采集1 組實鉆軌跡參數(shù)，主要為孔深、方位角、傾角等，根據(jù)測量參數(shù)計算鉆孔軌跡測點的水平位移、左右位移、上下位移，確定測點在設(shè)計坐標(biāo)系下的精確位置，通過計算結(jié)果來實時調(diào)整鉆孔軌跡。利用滑動鉆進(jìn)造斜調(diào)整鉆孔軌跡，加強(qiáng)造斜段軌跡預(yù)測監(jiān)控，力求鉆孔按照設(shè)計軌跡和要求鉆進(jìn)。接近采空區(qū)位置時，根據(jù)地層穩(wěn)定性，選擇合理的分支點及中靶點，提前調(diào)整好鉆孔軌跡，使得鉆孔準(zhǔn)確命中靶區(qū)。

3.4 穿越老空區(qū)

采空區(qū)附近地質(zhì)情況比較復(fù)雜，煤層底板受煤層開采的影響，破壞有一定的深度，可能出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，地層比較破碎，裂隙比較發(fā)育，同時有可能鉆遇錨網(wǎng)、錨桿等采煤遺留材料，易出現(xiàn)塌孔、卡鉆等復(fù)雜情況。

鉆進(jìn)至距離老空區(qū)邊緣5～15 m，按照預(yù)定的參數(shù)調(diào)整好鉆孔軌跡，更換鉆具為外平鉆桿或?qū)捖菪@桿，采用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速均勻鉆進(jìn)，在鉆進(jìn)過程中若出現(xiàn)鉆具空送、鉆壓明顯減小、有氣體噴出、返水變渾、返渣顆粒變多且?guī)r性較雜現(xiàn)象，同時鉆具出現(xiàn)憋壓、卡鉆情況，則說明已經(jīng)開始進(jìn)入老空區(qū)范圍，此時要注意采取“慢進(jìn)多沖”、“多轉(zhuǎn)多起”、“反復(fù)透孔”的工藝方法，以保證孔內(nèi)鉆具安全及放水效果。在鉆遇老空區(qū)設(shè)定位置點后，根據(jù)鉆孔揭露情況，可采用“后退式開分支”工藝進(jìn)行加密探查，進(jìn)一步查明采空區(qū)頂?shù)装褰缑婕捌矫孢吔?，保證探放水效果。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

利用定向長鉆孔技術(shù)，對韓咀煤礦32101 主運(yùn)巷北側(cè)2 號煤層物探疑似老空區(qū)探查與疏放，并將老空水通過定向長鉆孔截引至盤區(qū)北水倉內(nèi)，達(dá)到集中放水目的，同時緩解北側(cè)32103 工作面掘進(jìn)期間老空水威脅，縮短疏放時間，確保32101 主運(yùn)的安全掘進(jìn)，促進(jìn)安全與生產(chǎn)相銜接。

4.1 定向長鉆孔施工

鉆孔開孔層位在2#煤層，方位角116°，開孔傾角-5°，B5 鉆孔為靶點，地層傾角6°，要使鉆孔軌跡與地層平行，鉆孔套管段到穩(wěn)斜段傾角從-5°增至6°，最后形成1 個“對勾狀”。由于B5 鉆孔涌水水壓較小，故僅下入一級φ127 mm 套管。定向鉆進(jìn)采用φ98 mm 鉆頭+φ73 mm 孔底馬達(dá)+φ76 mm 無線隨鉆測量儀+φ73 mm 鉆桿鉆具組合。通過常規(guī)錄井與鉆進(jìn)參數(shù)的變化，判斷鉆遇地層情況。

4.1.1 鉆遇地層情況

鉆進(jìn)過程中，密切關(guān)注巖屑變化，及時與相鄰鉆孔或已揭露地層進(jìn)行對比。鉆遇2#煤層18 m、泥巖11 m、3#煤層5 m，孔深34 m 進(jìn)入K7細(xì)粒砂巖層，開始調(diào)整軌跡增傾角。下入φ127 mm 套管34.5 m，注水泥0.8 t，耐壓試驗壓力3.5 MPa，穩(wěn)壓30 min。使用1.25°螺桿鉆具，地層造斜率為0.8°/3 m，鉆進(jìn)至120 m 處與地層傾角調(diào)整為基本一致，之后保持穩(wěn)斜鉆進(jìn)，實時分析鉆孔返渣巖性、水量及顏色變化，鉆進(jìn)至294 m 開始涌水，涌水量1.1 m3/h，水顏色為灰色；鉆進(jìn)至448 m，涌水量開始增大，水顏色無變化；鉆進(jìn)至504 m，鉆進(jìn)壓力變小，返渣可見少量煤屑，預(yù)判進(jìn)入2#煤層，涌水量增加到27 m3/h，水顏色變?yōu)楹谏?，認(rèn)為進(jìn)入老空區(qū)附近，繼續(xù)鉆進(jìn)3 m，用時10 min，涌水量持續(xù)增大，繼續(xù)鉆進(jìn)直至進(jìn)入物探異常區(qū)標(biāo)定的老空區(qū)底部區(qū)域，鉆孔于孔深526.4 m、垂深30.9 m 處，涌水量增大至134 m3/h，確認(rèn)終孔。鉆遇地層及涌水情況見表3。

表3 鉆遇地層及涌水情況Table 3 Drilling encountered formation and water

4.1.2 鉆進(jìn)參數(shù)情況

在鉆進(jìn)過程中，根據(jù)鉆進(jìn)參數(shù)、鉆進(jìn)效率的變化和鉆具的反應(yīng)情況，進(jìn)行分析判斷鉆遇地層情況。其他條件不變時，鉆時的變化可反映巖性的差別，煤巖層鉆進(jìn)時，煤層鉆時最快，進(jìn)入采空區(qū)鉆時突然加快，鉆具放空，鉆壓明顯降低。

一開鉆進(jìn)，選擇低鉆壓、低轉(zhuǎn)速、低排量，鉆進(jìn)效率6 m/h；在孔深34 m，鉆進(jìn)效率明顯降低3 m/h，與地質(zhì)錄井資料相吻合，進(jìn)入細(xì)粒砂巖巖層。正常鉆進(jìn)效率維持在3～4.5 m/h，鉆壓扭矩總體隨著孔深的增加而增加，鉆壓在30～50 kN；鉆進(jìn)至472 m，鉆壓忽然升高到70 kN，繼續(xù)鉆進(jìn)鉆壓繼續(xù)升高，鉆進(jìn)至478 m，鉆壓到80 kN，開始下降，鉆進(jìn)至486 m時，巖性變軟，鉆壓由原來最高的70 kN 開始降至40 kN，鉆進(jìn)效率降為2.6 m/h；鉆進(jìn)至504 m 鉆壓保持40 kN 時鉆進(jìn)效率增大到6 m/h，結(jié)合返渣巖性確認(rèn)進(jìn)入老空區(qū)。鉆孔施工中未出現(xiàn)憋壓、卡鉆情況，說明小煤窯對煤層底板擾動不大。鉆進(jìn)參數(shù)及鉆效曲線如圖5。

圖5 鉆進(jìn)參數(shù)及鉆效曲線Fig.5 Drilling parameters and drilling efficiency curves

4.2 應(yīng)用效果

鉆孔實鉆軌跡控制精確、中靶位置可靠穩(wěn)定、出水量符合設(shè)計要求。在成功中靶提鉆后，最大出水量達(dá)134 m3/h，出水量穩(wěn)定，日疏放水量3 000 m3左右，放水時間持續(xù)14 d 后，放水量逐漸遞減，總放水量超過3.6 萬m3?？s短常規(guī)鉆孔放水影響時間，為32101 主運(yùn)及32103 輔運(yùn)巷的安全掘進(jìn)提供重要地質(zhì)保障，實現(xiàn)老空水疏放的目的，達(dá)到預(yù)期效果。

5 結(jié) 論

1）針對煤層松軟、底板泥巖泥化嚴(yán)重、成孔性差等復(fù)雜地質(zhì)條件，提出“對勾狀”定向長鉆孔探測、疏放老空水工藝技術(shù)，豐富了煤礦老空水探查疏放技術(shù)，確保煤礦安全高效開采。

2）采用煤礦井下定向長鉆孔技術(shù)，實現(xiàn)單孔最大放水量達(dá)134 m3/h，總放水量超過3.6 萬m3，縮短常規(guī)鉆孔放水影響時間，達(dá)到了精確探測及疏放老空水的目的。

3）通過鉆孔返出巖屑、出水顏色、涌水（漏失）；鉆進(jìn)參數(shù)、鉆效變化；卡鉆、放空等情況，綜合判斷鉆遇地層，實踐證明該方法探測采空區(qū)可行。

4）針對老空區(qū)段復(fù)雜地質(zhì)條件，建議從煤層底板鉆入采空區(qū)之后，采用低鉆壓、低扭矩、高轉(zhuǎn)速參數(shù)常規(guī)鉆具施工穿采空區(qū)鉆孔。