定向鉆孔探煤技術(shù)研究

趙子葵

(延安市禾草溝煤業(yè)有限公司，陜西 延安 716000)

0 引言

我國煤炭資源豐富，但是隨著我國煤礦開采深度的增加，地質(zhì)條件也隨之變得愈加復(fù)雜，煤層間距、厚度變化越大[1-2]。在井田開拓延伸過程中，經(jīng)常會遇到復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，同樣會揭開潛在煤層。在巷道掘進(jìn)的過程中，掘進(jìn)工作面前方地質(zhì)構(gòu)造不明確，同時存在誤揭煤層的危險性[3]。通過有效的定向鉆孔進(jìn)行探煤工作顯得尤為必要。目前，對地質(zhì)構(gòu)造的勘探手段主要有地面三維地震、井下槽波地震、電勘探法等物探手段。這些手段存在勘探精度低、不準(zhǔn)確，對工作面布置和順槽掘進(jìn)的指導(dǎo)性不強等缺點。煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)是指在煤巷或巖巷內(nèi)沿設(shè)計方向按照預(yù)先設(shè)計的鉆孔軌跡進(jìn)行定向施工鉆孔技術(shù)。隨著煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)及裝備不斷改進(jìn)和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大，目前，該項技術(shù)已逐漸應(yīng)用于煤層頂板高位鉆孔、頂?shù)装迨釥钔咚钩椴摄@孔、地質(zhì)勘探鉆孔、長距離探放水鉆孔以及煤層頂?shù)装遄{加固鉆孔等煤礦井下鉆孔工程[4-6]。蜀河興煤礦經(jīng)過現(xiàn)場進(jìn)行鉆煤探孔驗證，利用探煤技術(shù)探明煤層走向，鉆孔預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確，對我國煤礦定向鉆孔探煤預(yù)測技術(shù)研究具有指導(dǎo)作用[7]。針對近煤層巖巷掘進(jìn)過程中存在誤揭煤層而導(dǎo)致煤與瓦斯事故，為保證掘進(jìn)工作面施工安全，賈曉亮[8]提出近煤層巖巷掘進(jìn)工作面“兩探一預(yù)測”的探煤技術(shù)，并在宏發(fā)煤礦+1 650 m集中運輸大巷得到驗證。

井下千米定向鉆進(jìn)技術(shù)具有單孔成孔距離長、鉆探軌跡可控、鉆進(jìn)效率高等優(yōu)點[9]，所以在煤礦井下針對相近煤層以及不明確的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行定向鉆孔探測可發(fā)揮顯著的作用。定向探煤鉆孔即在預(yù)計距離煤層最小法向距離前，向巷道前方定向施工穿透頂?shù)装迕簩拥你@孔，分別控制巷道前方上下左右的煤層[11-12]。

1 概述

延安市禾草溝煤業(yè)有限公司成立于2010年，公司位于延安市子長礦區(qū)，是國有大型煤炭開采和加工企業(yè)。其擁有稀缺優(yōu)質(zhì)45#氣煤煤炭資源，屬于國家明確規(guī)定的“兩區(qū)一種”保護性開發(fā)資源。該礦商品煤生產(chǎn)能力3.0 Mt/a，主要由礦井和配套洗煤廠組成。

根據(jù)已知地質(zhì)資料，禾草溝煤礦位于鄂爾多斯盆地陜北三疊紀(jì)煤田子長礦區(qū)的西南部，構(gòu)造位置為鄂爾多斯盆地之延安斜坡中部、屬于構(gòu)造相對穩(wěn)定的區(qū)段。構(gòu)造形態(tài)總體為北西向緩傾的單斜構(gòu)造，局部發(fā)育有寬緩的波狀起伏。區(qū)內(nèi)主要為近水平的平緩單斜地層，傾向NW，傾角為1°～3°，東部邊緣地帶有古河道沖刷帶。區(qū)內(nèi)含煤地層為三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組，勘探鉆孔揭露該組地層平均厚度為273.95 m，含煤層(煤線)8層，自上而下編為5上、5、4、3-1、3-2、3-3、2、1煤層，煤層總厚度平均9.33 m，含煤系數(shù)為3.4%，可采煤層厚度平均3.32 m，可采煤層含煤系數(shù)為1.2%[10]。其中5、3-2煤層全區(qū)分布，2煤層局部可采，其余煤層均不可采。具有開采價值的5、3-2、2煤層的煤層穩(wěn)定性評價見表1。

表1 煤層穩(wěn)定性評價

根據(jù)已揭露地質(zhì)情況及鉆孔(H109-H110)資料分析，禾草溝煤礦50214回風(fēng)巷巷道頂板為油頁巖與鋁土質(zhì)泥巖互層且層理發(fā)育的復(fù)合頂板，底板為泥質(zhì)粉砂巖。煤層頂?shù)装寮捌渥兓闆r見表2。

表2 煤層頂?shù)装寮捌渥兓闆r

巷道工作面掘進(jìn)至1 295 m時，揭露沖刷帶，目前沿沖刷帶掘進(jìn)140 m，東西向影響范圍預(yù)計600 m，南部向影響范圍預(yù)計100 m。為了探明巷道工作面內(nèi)部及掘進(jìn)工作面前方煤層賦存情況，利用定向鉆孔探煤技術(shù)進(jìn)行精確探煤，避免在巷道掘進(jìn)過程中發(fā)生誤揭煤層、瓦斯突出等危險。

2 鉆探設(shè)計

鉆探定向鉆孔是利用已知的地質(zhì)資料，如巖層與煤層的厚度、傾角、硬度變化、埋藏深度等。在施工所允許范圍內(nèi)有規(guī)律地隨著深度的變化改變鉆孔傾角，使鉆孔以理想的角度穿過礦體。禾草溝煤礦定向鉆孔探煤技術(shù)具體設(shè)計參數(shù)如下。

2.1 鉆孔方位角及傾角設(shè)計

50214工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)方位角為269.3°，總計布置3個鉆孔。1#鉆孔的設(shè)計開孔方位角為332.3°；2#鉆孔的設(shè)計開孔方位角為269.3°；3#鉆孔的設(shè)計開孔方位角為50°(開孔位置根據(jù)鉆場的實際寬度確定距南幫的距離，根據(jù)開孔位置確定開孔方位角)。

各個探煤鉆孔具體施工過程：1#鉆孔沿方位332.3°施工228 m，50 m加補分支鉆孔探頂；2#鉆孔沿方位270.7°施工500 m，50 m加補分支鉆孔探頂；3#鉆孔沿方位50°施工280 m，50 m加補分支鉆孔探頂。根據(jù)5號煤層底板等高線可知，預(yù)計1#鉆孔開孔傾角為-5°，鉆進(jìn)至巖石層傾角調(diào)整為0°；2#鉆孔開孔傾角為-5°，鉆進(jìn)至巖石層傾角調(diào)整為0°；3#鉆孔開孔傾角為-5°，鉆進(jìn)至巖石層傾角調(diào)整為0°。

2.2 鉆孔軌跡設(shè)計

探煤鉆孔沿油頁巖底板砂巖定向鉆進(jìn)。施工順序為1#、2#、3#鉆孔依次施工。為確保鉆孔能精準(zhǔn)尋找到煤層，定向鉆孔在施工過程中需要主動探頂施工，鉆孔預(yù)計每50 m進(jìn)行一次主動探頂作業(yè)，每次主動探頂施工預(yù)計有6 m左右，鉆孔軌跡平面圖如圖1所示。1#、2#、3#鉆孔的剖面圖分別如圖2、3、4所示。

圖1 鉆孔軌跡平面

圖2 1#鉆孔軌跡剖面

圖3 2#鉆孔軌跡剖面

圖4 3#鉆孔軌跡剖面

2.3 鉆孔施工

鉆場配備ZDY-6000LD(B)型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機和履帶式泥漿泵車。煤礦井下定向鉆孔是采用水力排渣、隨鉆測量的一種鉆孔施工工藝，主要是利用泥漿泵將靜壓水通過加壓以后，通過鉆桿內(nèi)側(cè)供水通道送達(dá)至孔底，然后再驅(qū)動孔底螺桿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，為鉆頭旋轉(zhuǎn)切削煤巖提供動力。加壓水沿著鉆桿與孔壁之間的間隙排除孔內(nèi)的鉆屑。在施工過程中通過隨鉆測量系統(tǒng)實時測出孔底鉆具的具體空間參數(shù)，比如傾角、方位角、工具面向角等。現(xiàn)場操作人員通過對比施工參數(shù)與設(shè)計參數(shù)，調(diào)整孔底鉆具工具面向角，然后進(jìn)行下一次鉆進(jìn)，依次按照此步驟施工直至實際鉆孔軌跡沿著設(shè)計軌跡鉆進(jìn)至終孔。

定向鉆孔施工前必須將鉆孔的設(shè)計參數(shù)導(dǎo)入井下電腦以指導(dǎo)定向鉆進(jìn)，定向鉆進(jìn)流程如圖5所示。具體是：下入定向鉆具→校正孔口工具面初值→定向鉆進(jìn)3 m或者6 m→測量一次當(dāng)前鉆孔孔底參數(shù)→對比設(shè)計軌跡參數(shù)→調(diào)整孔底馬達(dá)工具面→下一次鉆進(jìn)，每鉆進(jìn)一次就要進(jìn)行一次探管檢測，檢測鉆孔孔底當(dāng)前傾角、方位角，然后調(diào)整孔底馬達(dá)繼續(xù)鉆進(jìn)，依次進(jìn)行下去至終孔。

圖5 定向鉆進(jìn)流程

3 定向鉆孔工藝效果

3.1 1#鉆孔施工

1#鉆孔施工情況：1#鉆孔于4月15日夜班開孔，開孔方位角334.2°，開孔傾角-5°，4月18日早班完成1#主孔施工，主孔孔深207 m，共計設(shè)計2個分支，其中3次探到煤層頂板，按照實際進(jìn)尺計取96 m，累計進(jìn)尺303 m。

1#鉆孔施工流程：①1#鉆孔開孔后鉆孔按傾角-5°施工，孔深90 m后開始增傾角進(jìn)行主動探頂，111 m位置見煤，后繼續(xù)鉆進(jìn)至129 m(1-1#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度1.2 m；②提鉆至孔深90 m處開分支鉆孔，108 m后開始增傾角進(jìn)行主動探頂，138 m位置見煤，鉆進(jìn)至孔深147 m(1-2#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度1.6 m；③提鉆至孔深108 m處開分支鉆孔，111 m后開始增傾角進(jìn)行主動探頂，138 m位置見煤，鉆進(jìn)至孔深207 m(1-3#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度1.9 m。

具體施工情況見表3。

表3 1#鉆孔施工情況

3.2 2#鉆孔施工

2#鉆孔施工情況：2#鉆孔于4月19日夜班開孔，開孔方位角274.15°，開孔傾角-5°，4月25日中班完成2#主孔施工，主孔孔深411 m，共開分支2個，其中2次探到煤層頂板，按照實際進(jìn)尺計取153 m，累計進(jìn)尺564 m。

2#鉆孔施工流程：①2#鉆孔開孔后鉆孔按傾角-5°施工，孔深114 m后開始增傾角進(jìn)行主動探頂，153 m位置見煤，后繼續(xù)鉆進(jìn)至171 m(2-1#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度1.9 m；②提鉆至孔深114 m處開分支鉆孔，351 m后開始增傾角進(jìn)行主動探頂，195 m位置見煤，鉆進(jìn)至孔深411 m(2-2#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度2.5 m；③提鉆至孔深54 m處開分支鉆孔，66 m后開始增傾角進(jìn)行主動探頂，126 m位置見煤，鉆進(jìn)至孔深138 m(2-3#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度1.2 m。

具體施工情況見表4。

表4 2#鉆孔施工情況

3.3 3#鉆孔施工

3#鉆孔施工情況：3#鉆孔于4月26日夜班開孔，開孔方位角50.3°，開孔傾角-5°，5月1日中班完成3#主孔施工，主孔孔深303 m，共開分支3個，其中4次探到煤層頂板，按照實際進(jìn)尺計取204 m，累計進(jìn)尺507 m。

3#鉆孔施工流程：①3#鉆孔開孔后鉆孔按傾角-7°施工，孔深78 m后開始增傾角進(jìn)行主動探頂，鉆進(jìn)至180 m(3-1#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度0 m；②提鉆至孔深108 m處開分支鉆孔，135 m后開始增傾角進(jìn)行主動探頂，222 m位置見煤，鉆進(jìn)至孔深243 m(3-2#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度0.16 m；③提鉆至孔深180 m處開分支鉆孔，186 m后開始增傾角進(jìn)行主動探頂，240 m位置見煤，鉆進(jìn)至孔深255 m(3-3#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度1.05 m；④提鉆至孔深192 m處開分支鉆孔，201 m后開始增傾角進(jìn)行主動探頂，276 m位置見煤，鉆進(jìn)至孔深303 m(3-4#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度2.3 m。

具體施工情況見表5。

表5 3#鉆孔施工情況

根據(jù)3個鉆孔的施工結(jié)果分析來看，本次施工3個定向探煤鉆孔平均主動向上探頂3次，1#定向探煤鉆孔向上探頂3次，在巷道北幫103 m處探到煤厚1.2 m；巷道北幫128 m處探到煤厚1.6 m；在巷道北幫177 m處探到煤厚1.6 m；巷道北幫182 m處探到煤厚1.9 m。

2#定向探煤鉆孔向上探頂3次，在鉆場前方129 m處探到煤厚1.2 m；在鉆場前方153 m處探到煤厚1.9 m；鉆場前方378 m處探到煤厚2.5 m。

3#定向探煤鉆孔向上探頂4次，在巷道北幫158 m處探到煤厚1.05 m；巷道北幫182 m處探到煤厚2.3 m；終孔時沒有出水，未見瓦斯、CO及硫化氫氣體涌出異常。

4 結(jié)論

(1)在普通定向鉆孔的基礎(chǔ)之上，研究了隨鉆孔深度的變化改變鉆孔傾角，每隔一定距離向上主動探頂，實現(xiàn)定向鉆孔定方向鉆進(jìn)。

(2)從3個定向探煤鉆孔施工結(jié)果的角度分析，每個定向探煤鉆孔平均通過3次主動探頂實現(xiàn)精準(zhǔn)探煤，并且施工工作量少，效率高。

(3)針對禾草溝50214回風(fēng)巷工作面布置的定向鉆孔，通過定向鉆孔超前鉆探不僅可以實現(xiàn)精準(zhǔn)探煤，還可有效探測大斷層等特殊地質(zhì)構(gòu)造的走向、落差，為巷道掘進(jìn)提供有效的指導(dǎo)，從而避免誤揭煤層等導(dǎo)致安全事故。