淺析定向鉆孔泥漿循環(huán)工藝

崔樹軍

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 晉城事業(yè)部，山西 晉城 048000)

1 礦井基本情況

晉煤集團(tuán)沁水胡底煤業(yè)有限公司位于晉城市沁水縣胡底鄉(xiāng)境內(nèi)，礦井于2003年開工建設(shè)，2017年聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)，2018年正式成為生產(chǎn)礦井。礦井井田位于沁水盆地南部邊緣，目前擁有5 km2的采礦權(quán)和20 km2的探礦權(quán)。批準(zhǔn)開采3#和15#煤層，可采儲(chǔ)量2 525萬t，其中3#煤層可采儲(chǔ)量1 724萬t.主采3#無煙煤具有低硫、低～中灰、高發(fā)熱量、機(jī)械強(qiáng)度高等特性，是優(yōu)質(zhì)化工原料和動(dòng)力用煤。井田內(nèi)3#煤層瓦斯平均含量為24.56 m3/t，最大瓦斯壓力為3.83 MPa，按煤礦瓦斯等級(jí)鑒定劃分標(biāo)準(zhǔn)，屬“高瓦斯”、“高突出”、“高礦壓”條件下的“三高礦井”。

3#煤層位于山西組下部，上距下石盒子組底砂巖(K8)31.74～42.33 m，下距太原組K6灰?guī)r10.51～14.95 m，煤層穩(wěn)定，純煤層最厚6.15 m(ZK1203)，最薄5.20 m(ZK1-1),平均5.72 m,細(xì)條帶狀，玻璃光澤，煤層穩(wěn)定，亮煤為主，鏡煤次之，光亮型，厚度變異系數(shù)0.06，可采系數(shù)100%.煤層結(jié)構(gòu)簡單，夾矸0～2層，厚0.05～0.39 m，其直接頂為黑色泥巖或粉砂質(zhì)泥巖，厚0.5～2.0 m，底板為灰黑色泥巖或粉砂質(zhì)泥巖，厚0.5～3 m.3#煤瓦斯基本參數(shù)見表1.對(duì)1305底抽巷煤層頂?shù)装迦⌒荆⌒窘Y(jié)果發(fā)現(xiàn)煤層頂?shù)装迤扑閲?yán)重。

表1 3#煤瓦斯基本參數(shù)表

2 千米鉆機(jī)施工現(xiàn)況

2.1 成孔難

1)2014年初胡底煤業(yè)引進(jìn)了千米鉆機(jī)，在高抽巷和本煤層煤巷遞進(jìn)式抽采中發(fā)揮巨大作用，然而，在本煤層施工千米鉆孔，布置模塊時(shí)受煤巷掘進(jìn)限制，無法進(jìn)行“超前預(yù)抽”，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長，采面銜接慢，在底抽巷施工千米鉆孔成為了克服這一限制的突破口。2016年，在1303底抽一巷左6#鉆場施工時(shí)，由于底板煤巖交界處塌孔，導(dǎo)致施工數(shù)月未成一個(gè)孔，后期因巷道密閉，結(jié)束施工。2018年，在1305底抽巷施工千米鉆孔進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)絡(luò)預(yù)抽，提前掩護(hù)下個(gè)工作面，采面能否按計(jì)劃接替，千米鉆機(jī)在底抽巷的成孔率成為了迫切需要攻克的難題，千米鉆場設(shè)計(jì)見圖1.

圖1 1305底抽巷左1#鉆場千米鉆機(jī)設(shè)計(jì)圖

2)現(xiàn)階段主要成孔困難為底板泥巖塌孔，導(dǎo)致孔內(nèi)壓力大、堵孔等。將鉆桿內(nèi)有芯線的“光”面通纜鉆桿變?yōu)椤翱滩邸便@桿，在一定程度上解決了排渣問題，但是部分矸段、煤巖交界面塌孔嚴(yán)重，大塊矸石聚集導(dǎo)致卡鉆，無法施工，只能通過用普鉆(旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn))擴(kuò)大孔徑的方式將大塊矸石從孔內(nèi)排出。待孔內(nèi)返渣、壓力正常后，更換千米定向工藝施工，施工兩個(gè)班左右后，易再次出現(xiàn)塌孔、卡鉆現(xiàn)象，無法繼續(xù)施工；需再次進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)。這樣反復(fù)退鉆、送鉆，施工強(qiáng)度大、效率低，長期無法成孔?？偨Y(jié)原因?yàn)椋篴)水對(duì)底板泥巖浸泡型縮徑、垮塌，無法鉆進(jìn)。b)靜壓水持續(xù)對(duì)孔壁內(nèi)沖刷，導(dǎo)致矸石和煤層失穩(wěn)，造成掉塊和垮塌。c)靜壓水對(duì)煤和矸石的攜帶力有限，將煤粉攜帶至煤巖交界面處的孔洞內(nèi)，當(dāng)煤孔出現(xiàn)軟煤、塊煤后，大量軟煤、塊煤會(huì)再次堆積在煤巖交界面，導(dǎo)致堵孔。

2.2 用水、排水難

1)靜壓水管因長時(shí)間使用，易出現(xiàn)皮墊、鋼墊磨損、老化，導(dǎo)致管路漏水，需停水進(jìn)行更換，影響鉆機(jī)開機(jī)率。2)采用靜壓水施工時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量廢水，廢水需經(jīng)過多級(jí)排放才可排至地面，需要投入多臺(tái)水泵進(jìn)行抽水，增加了電費(fèi)成本、管路維護(hù)成本、人工成本等；且排水管易出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，無法正常排水導(dǎo)致停鉆。3)經(jīng)過對(duì)1305底抽巷3個(gè)月因“用水、排水”造成的停鉆時(shí)間匯總，分析得出每天因“水”影響停鉆時(shí)間約為1.5 h.

2.3 廢水處理難，環(huán)保成本高

2018年1月1日，《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)稅法》正式實(shí)行，《生態(tài)環(huán)境損害賠償制度改革方案》試行，新修訂的《水污染防治法》正式施行，關(guān)于環(huán)境保護(hù)的重要法律法規(guī)的出臺(tái)，使企業(yè)防治污染的主體責(zé)任愈加增強(qiáng)。該礦井下廢水的主要來源為鉆機(jī)施工用水。井下廢水的處理是該礦環(huán)保的重要環(huán)節(jié)，廢水處理成本高、費(fèi)用居高不下，“制約”著企業(yè)的發(fā)展。

3 試驗(yàn)方案

通過調(diào)研地面煤層氣鉆孔使用泥漿(可降解清潔聚膜鉆井液)打鉆技術(shù)，泥漿打鉆具有穩(wěn)定孔壁、攜帶煤(矸)渣能力強(qiáng)、循環(huán)使用節(jié)約成本等特點(diǎn)。因此，考慮將地面煤層氣鉆孔泥漿應(yīng)用到底抽巷千米鉆機(jī)施工中，以解決現(xiàn)階段千米鉆機(jī)遇到的困難。

3.1 裝備方面

1)在現(xiàn)有鉆場準(zhǔn)備沉淀水箱4個(gè)，高0.6 m×寬0.6 m×長1.2 m；水窩2個(gè),高1.5 m×寬1 m×長2 m；在每個(gè)水箱過度處加裝細(xì)鐵濾網(wǎng)，確保煤粉充分沉淀。2)在水窩邊上放置一個(gè)清水箱，里面注滿清水，防止因泥漿液體中黏度過大，無法正常通過馬達(dá)，導(dǎo)致泥漿泵泵壓異常增大，方便使用清水稀釋孔內(nèi)的液體，減小鉆桿及馬達(dá)堵塞概率。3)對(duì)泥漿泵籠頭采用細(xì)濾網(wǎng)進(jìn)行過濾，減小大顆粒煤粉進(jìn)入鉆桿及馬達(dá)內(nèi)，導(dǎo)致堵塞。4)孔口防噴孔裝置必須經(jīng)過除渣裝置，同時(shí)保證除渣裝置定時(shí)清理，防止泥漿液體被過多地吸入主系統(tǒng)。

3.2 鉆孔施工

1)在采用泥漿液體施工鉆孔時(shí)，需要重新開孔，全程采用泥漿液體進(jìn)行施工。具體要求見表2.2)鉆孔在施工過程中，每施工300～500 m更換一次聚合物液體，防止泥漿液體攜帶煤粉過多導(dǎo)致鉆桿、馬達(dá)被堵。

表2 試驗(yàn)孔施工要求表

3.3 泥漿液體配比

1)泥漿配比見表3(清水黏度為27 s).2)成膜劑、固膜劑、煤層清潔劑檢驗(yàn)報(bào)告均為環(huán)保合格產(chǎn)品。3)將鉆場內(nèi)各水箱、水窩測量并計(jì)算體積和約為5 m3，使用96 mm鉆頭施工，取100 mm計(jì)算，將300 m鉆孔充滿需2.3 m3泥漿，考慮上行孔分支影響較小，判斷循環(huán)系統(tǒng)泥漿足夠使用。4)現(xiàn)場每班必須有專職人員對(duì)泥漿液體黏度進(jìn)行配比(使用黏度計(jì)測量)，同時(shí)觀察泥漿泵籠頭吸入的泥漿液體中是否存在大的雜質(zhì)。

表3 泥漿配比表

4 使用泥漿循環(huán)體系施工情況

4.1 試驗(yàn)1#孔

施工矸孔時(shí)一切正常，矸中未見塌孔的情況，且第一個(gè)水箱內(nèi)有反渣，其余的水箱內(nèi)泥漿基本無渣。施工至69 m見煤，見煤后壓力大，將泥漿黏度從28 s調(diào)至30 s(第一個(gè)水箱內(nèi)煤渣多，其余泥漿內(nèi)煤渣很少)，將光鉆桿換成螺旋鉆桿后施工正常，90 m見底矸。得出結(jié)論：1)多級(jí)沉淀水箱可以沉淀煤渣，泥漿循環(huán)利用不會(huì)堵鉆頭。2)泥漿配合普鉆光鉆桿在矸里施工未見泥巖塌孔等異常情況。3)泥漿配合光鉆桿無法正常通過煤巖交界面，需增加機(jī)械排渣，使用普鉆麻花鉆桿施工

4.2 試驗(yàn)2#孔

先用馬達(dá)帶普鉆鉆桿施工24 m穿過K6灰?guī)r后換馬達(dá)施工，施工矸孔時(shí)同普鉆施工矸孔情況一樣，未出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象；施工至42 m見煤，見煤后壓力大，經(jīng)過反復(fù)沖孔并調(diào)整,泥漿黏度從28 s調(diào)至30 s，施工至48 m泥漿泵壓力大無法施工，反渣中有少許大塊煤和矸塊。換用普鉆螺旋鉆桿后施工正常，57 m見底矸。得出結(jié)論：1)多級(jí)沉淀水箱可以沉淀煤渣，泥漿循環(huán)利用不會(huì)堵馬達(dá)。2)泥漿配合馬達(dá)在矸里施工未見泥巖塌孔等異常情況。3)泥漿配合馬達(dá)無法正常通過煤巖交界面，仍存在壓力大情況。

4.3 試驗(yàn)3#孔

根據(jù)試驗(yàn)2#孔的情況，將試驗(yàn)3#孔做出調(diào)整，用普鉆麻花鉆桿穿過煤巖交界面后再換用馬達(dá)施工。千米鉆孔施工至183 m見煤，見煤后壓力大，換用普鉆擴(kuò)孔至192 m，之后用千米鉆孔施工至276 m時(shí)遇軟煤，施工至279 m泥漿泵壓力6 MPa，無法鉆進(jìn)。退至234 m開分支，施工過程中有軟煤、矸等。施工過程中未出現(xiàn)其他影響施工的異常情況。得出結(jié)論：1)使用泥漿循環(huán)體系施工千米鉆孔，不會(huì)對(duì)通纜鉆桿造成堵塞現(xiàn)象。2)使用泥漿循環(huán)體系施工千米鉆孔，不會(huì)對(duì)探管和通纜鉆桿的信號(hào)測量、傳輸造成影響。3)施工過程中，孔內(nèi)矸、煤不斷轉(zhuǎn)換對(duì)泥漿循環(huán)未造成影響。

5 施工總結(jié)

1)同一鉆場不同鉆孔使用泥漿循環(huán)體系前后施工對(duì)比見表4.由表4可知，使用泥漿循環(huán)體系，日均進(jìn)尺提高22.3%,煤孔率提高10.8%，見煤成孔率由40%提高至66.7%.通過多級(jí)沉淀，成功使用泥漿建立循環(huán)系統(tǒng)代替靜壓水施工，配合刻槽通欄鉆桿，解決了矸段塌孔現(xiàn)象。泥漿攜帶煤渣能力相比清水能將細(xì)煤粉以及大塊的煤、矸帶出，減少了退、送鉆次數(shù)降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了施工效率，且不會(huì)對(duì)馬達(dá)、探管、通欄鉆桿造成影響。

表4 使用泥漿前后鉆孔施工情況對(duì)比表

2)使用泥漿循環(huán)系統(tǒng)施工，杜絕了因供水、排水管路改造、維護(hù)無法施鉆的現(xiàn)象，提高了施鉆效率，且節(jié)約了大量用水，使用泥漿前后日用水量見表5.

表5 使用泥漿前后日用水量表

3)使用泥漿循環(huán)系統(tǒng)施工，節(jié)約了購水、排水、廢水處理、人工等用水成本，減小了環(huán)保壓力，使用泥漿配比一次可施工600 m左右。配備振動(dòng)篩后，振動(dòng)篩按10萬元5年使用壽命計(jì)算，使用前后各類成本見表6.使用泥漿循環(huán)體系施工，每臺(tái)鉆機(jī)每年可節(jié)約用水85 775 m3，可節(jié)省費(fèi)用47 304元。

表6 使用泥漿循環(huán)前后費(fèi)用明細(xì)表

4)使用泥漿循環(huán)體系，試驗(yàn)1#、2#孔封孔20天左右后測量鉆孔瓦斯?jié)舛日?，孔?nèi)未出現(xiàn)塌孔、堵孔現(xiàn)象；試驗(yàn)3#孔封孔1天后測量鉆孔瓦斯?jié)舛日?，未出現(xiàn)泥漿阻礙瓦斯涌出現(xiàn)象。試驗(yàn)孔瓦斯?jié)舛惹闆r見表7.

表7 試驗(yàn)孔瓦斯?jié)舛惹闆r表

6 結(jié) 論

胡底煤業(yè)有限公司通過將泥漿材料(可降解清潔聚膜鉆井液)使用在施工定向鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)，泥漿材料通過循環(huán)，使分子不斷進(jìn)行剪切，從而在鉆孔施工過程中起到穩(wěn)定孔壁作用，且攜帶煤(矸)渣能力強(qiáng)，解決了因鉆孔塌孔難以施工的難題，同時(shí)，打鉆孔介質(zhì)水的重復(fù)利用，不僅解決了水處理的難題，而且減輕了礦山環(huán)保壓力。