高位探放水孔軌跡傾斜規(guī)律及鉆進(jìn)方法改進(jìn)分析

蘇晉輝

（山西西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦，山西古交 030200）

探水是指采礦過程中用超前勘探方法，查明采掘工作面頂?shù)装濉?cè)幫和前方等水體的具體空間位置和狀況等，其目的是為有效地防治礦井水做好必要的準(zhǔn)備。其中探放水孔的質(zhì)量是做好礦井防治水的非常關(guān)鍵工作之一，探放水孔的設(shè)計(jì)都有明確的目的性，但是實(shí)際打鉆過程中，一般情況很難達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，因此，通過對(duì)鎮(zhèn)城底礦的部分探訪水進(jìn)行測斜工程經(jīng)驗(yàn)分析，對(duì)掌握部分探放水孔的傾斜規(guī)律，及改進(jìn)了鉆進(jìn)方法較為關(guān)鍵。

1 工程概況

為掌握鎮(zhèn)城底礦4502工作面內(nèi)探放水鉆孔軌跡規(guī)律，為分析預(yù)判4502 工作面探放水鉆孔軌跡是否達(dá)到探放水驗(yàn)證要求提供技術(shù)資料。采用YZG6.4 礦用鉆孔軌跡測量儀在該礦4502工作面開展探放水鉆孔軌跡分析，YZG6.4礦用鉆孔軌跡測量儀采用九軸運(yùn)動(dòng)感測追蹤組件（三軸互相垂直的加速度傳感器測傾角、距離，三軸互相垂直的磁阻傳感器測方位角，三軸互相垂直的陀螺儀輔助校正），利用捷聯(lián)慣導(dǎo)（SINS）系統(tǒng)原理（不依賴于任何外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)）的一款新型鉆孔軌跡測量儀。在軟件上，測量儀采用運(yùn)動(dòng)感測融合演算進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及運(yùn)動(dòng)校正韌件進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，保證鉆孔軌跡的高精度、高穩(wěn)定性及智能化、自動(dòng)化。適用于煤礦井下有甲烷、煤塵爆炸性混合物的場所，適用于直徑65mm及65mm以上的各類孔徑的軌跡測量。如：煤礦井下地質(zhì)勘探孔、瓦斯抽放孔、探放水孔、注漿加固等鉆孔軌跡的測量。

2 鎮(zhèn)城底礦探放水孔測斜分析

2.1 探放水孔設(shè)計(jì)

根據(jù)鎮(zhèn)城底礦4502工作面物探結(jié)果和現(xiàn)場收集的水位地質(zhì)資料，結(jié)合相鄰礦井和工作面防治水工作經(jīng)驗(yàn)，擬對(duì)煤層頂板中礫巖、砂礫巖孔隙裂隙承壓含水層和物探結(jié)果表明的4502 工作面相鄰3511 采空區(qū)最低點(diǎn)兩側(cè)400m范圍內(nèi)存在的低阻富水區(qū)進(jìn)行疏放，以防止工作面采后大量頂板水通過冒落裂隙帶和3511采空區(qū)最低點(diǎn)低阻富水區(qū)積水向工作面集中涌出，保障4502 工作面安全回采。通過對(duì)頂板水的超前可控探放，減小工作面采后涌水量，減輕礦井排水負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)“預(yù)先疏放、削峰平谷”目的，使頂板水均勻泄出，化解開采期間的水害威脅。

2.2 測斜數(shù)據(jù)分析

2.2.1 11#鉆孔測斜分析

11#號(hào)鉆孔位于4502 下順槽42-20 點(diǎn)前（切眼方向）43m。設(shè)計(jì)方位角20.5°，設(shè)計(jì)傾角80°，鉆孔深度132m，實(shí)測孔深到達(dá)129m，測量過程中采集點(diǎn)數(shù)130個(gè)，終孔水平東南方偏20.5m，終孔垂直下偏2.34m，11#鉆孔X-Y平面軌跡投影、X-Z剖面軌跡投影如圖1、圖2所示。

根據(jù)圖1、圖2 分析：11#鉆孔實(shí)際的開口方位角受套管干擾無法識(shí)別，套管段的方位角均設(shè)置為20.5°，實(shí)際開口的傾角為79°；平面投影圖中顯示終孔偏差為東南方偏20.5m；剖面圖中顯示終孔垂直偏差為下偏2.34m。根據(jù)成果圖及數(shù)據(jù)顯示，鉆孔傾角在垂直向上逐漸小幅波動(dòng)，最大傾角達(dá)到85°，且方位角變化較大，總體趨勢(shì)為向東南方向偏移，因此終孔的位置與設(shè)計(jì)的終孔的位置水平偏差較大。垂直方向上因?yàn)閮A角逐漸加大，且方位角偏移較大因此最終到達(dá)的高度幾乎等同于設(shè)計(jì)軌跡。鉆孔的傾角傾斜規(guī)律平滑，無較大跳點(diǎn)，符合正常鉆孔傾斜規(guī)律。

2.2.2 12#鉆孔測斜分析

12#鉆孔深度134m，設(shè)計(jì)方位角20.4°，設(shè)計(jì)傾角70°，實(shí)測孔深到達(dá)130m。采集點(diǎn)數(shù)131 個(gè)，終孔水平西南方偏差40.97m，終孔垂直上偏6.84m。12#鉆孔XY平面軌跡投影、X-Z剖面軌跡投影如圖3、圖4所示。

根據(jù)圖3、圖4 分析：12#鉆孔實(shí)際的開口方位角受套管干擾無法識(shí)別，套管段的方位角均設(shè)置為20.4°，實(shí)際開口的傾角為70°；平面投影圖中顯示終孔偏差為西南方偏差40.97m；剖面圖中顯示終孔垂直偏差為上偏6.84m。根據(jù)成果圖及數(shù)據(jù)顯示，鉆孔在17m處傾角已經(jīng)逐漸向上傾至80°，并且傾角一直趨于垂直向上，因此終孔的位置與設(shè)計(jì)的終孔的位置水平偏差較大。垂直方向上因?yàn)閮A角逐漸加大，因此最終到達(dá)的高度要高于設(shè)計(jì)軌跡。鉆孔的傾角傾斜規(guī)律平滑，無較大跳點(diǎn)，符合正常鉆孔傾斜規(guī)律。

2.2.3 YJ1#鉆孔測斜分析

YJ1#鉆孔深度108m，設(shè)計(jì)方位角64°，設(shè)計(jì)傾角52°，實(shí)測孔深到達(dá)106m。采集點(diǎn)數(shù)107 個(gè)，終孔水平右偏37.56m，終孔垂直上偏17.26m，YJ1#鉆孔X-Y平面軌跡投影、X-Z剖面軌跡投影如圖5、圖6所示。

根據(jù)圖5、圖6 分析：YJ1#鉆孔實(shí)際的開口方位角為63.01°，實(shí)際開口的傾角為48.79°；平面投影圖中顯示終孔偏差為右偏37.56m；剖面圖中顯示終孔垂直偏差為上偏17.26m。根據(jù)成果圖偏差顯示，水平方向上：在鉆孔42m位置附近開始大幅度向右偏移。垂直方向上鉆孔從10m處開始逐漸向上偏移直至終孔。鉆孔的傾斜規(guī)律平滑，無較大跳點(diǎn)，符合正常鉆孔傾斜規(guī)律。

2.3 高位探放水孔傾斜規(guī)律分析

通過以上三組數(shù)據(jù)的分析對(duì)比，在高位探放水鉆孔施工過程中，角度大于50°后鉆孔的傾斜在逐漸地接近垂直方向，且角度越大，鉆孔的傾斜接近垂直越快，因此很難固定達(dá)到預(yù)定的地點(diǎn)。且鉆孔水平方向上的傾斜均向右偏斜（鉆機(jī)正傳方向）。

3 鉆孔軌跡偏斜原因分析

3.1 地質(zhì)客觀原因

由于鉆孔在煤層內(nèi)會(huì)因?yàn)榈刭|(zhì)條件因素發(fā)生偏移，從軟巖層向硬巖層穿時(shí)，在進(jìn)入硬巖層之前會(huì)向較軟巖層偏；穿層孔從軟巖層向硬巖層穿，在進(jìn)入硬巖層之后會(huì)向較硬巖層偏；鉆孔穿過的巖層越破碎，裂隙越發(fā)育，鉆孔偏斜越嚴(yán)重，而且偏斜方向不確定性越大。具體分析原因有以下幾點(diǎn)：①鉆孔中遇有較大的孤石或探頭石；②在有傾斜的軟硬地層交界處，巖面傾斜鉆進(jìn)；或者粒徑大小懸殊的砂卵石層中鉆進(jìn)，鉆頭受力不均；③擴(kuò)孔較大處，鉆頭擺動(dòng)偏向一方。

3.2 鉆機(jī)原因

安裝鉆機(jī)一定要符合操作規(guī)程，地基要求平整，鉆機(jī)底座要水平、穩(wěn)固，立柱安裝規(guī)范，鉆機(jī)整體固定要符合標(biāo)準(zhǔn)。鉆頭質(zhì)量不過關(guān)，鉆頭不鋒利鉆進(jìn)不動(dòng)的時(shí)候，由于有鉆進(jìn)的壓力存在，鉆頭會(huì)向任意方向傾斜；鉆桿質(zhì)量不過關(guān)，在鉆進(jìn)過程中鉆桿會(huì)發(fā)生彎曲，最終導(dǎo)致鉆頭的傾斜方向發(fā)生改變。

3.3 鉆進(jìn)工藝

施工過程要嚴(yán)格按照鉆機(jī)的操作說明，壓力適中、水壓正常、鉆進(jìn)速度適中、需要特殊異常體后要保持低鉆速、低鉆壓。鉆進(jìn)前要先空轉(zhuǎn)排渣一定時(shí)間。

4 鉆進(jìn)方法改進(jìn)

4.1 設(shè)計(jì)上的改進(jìn)

首先通過鎮(zhèn)城底礦的鉆孔測斜數(shù)據(jù)分析其傾斜規(guī)律，然后根據(jù)規(guī)律來適當(dāng)?shù)丶哟蠡蛘哒{(diào)小鉆孔的開孔方位角與傾角，再通過鉆孔的數(shù)據(jù)分析逐步地找到本礦適用的鉆孔設(shè)計(jì)方案。只有通過大量的鉆孔測斜數(shù)據(jù)的支撐，才能最終確定鉆孔的方位角和傾角的設(shè)定。

4.2 鉆機(jī)的使用

4.2.1 使用質(zhì)量過關(guān)的鉆機(jī)

打鉆使用的鉆機(jī)必須是鉆孔的探放水鉆機(jī)，質(zhì)量要嚴(yán)格把控，鉆具也要使用質(zhì)量過硬的產(chǎn)品，盡量選擇大廠家生產(chǎn)的鉆機(jī)與鉆具。鉆頭的質(zhì)量也要嚴(yán)格把控，鉆頭不鋒利，割不動(dòng)，在鉆壓的作用下，鉆頭比如會(huì)向任意方向偏斜。鉆桿質(zhì)量（硬度，韌性），打鉆過程中，容易發(fā)生彎曲變形，造成鉆孔偏斜。

4.2.2 鉆機(jī)要安裝正、水平

開孔是保證孔斜符合要求的關(guān)鍵所在，每孔開孔前必須保證鉆機(jī)安裝平穩(wěn)，必要時(shí)需要澆筑底座，使天車、立柱、孔位三點(diǎn)呈一線。

4.2.3 鉆機(jī)固定要牢固。

包括鉆機(jī)機(jī)座安裝要牢固，立柱安裝標(biāo)準(zhǔn)，打鉆過程中，鉆機(jī)加壓，鉆機(jī)才不會(huì)發(fā)生位移，鉆桿方向不發(fā)生變化，減少發(fā)生卡鉆、夾鉆的現(xiàn)象。

4.2.4 鉆機(jī)調(diào)試問題

鉆機(jī)夾持器要保證完好可用，立柱角度安裝正確。鉆機(jī)夾持器壓緊圈過松，會(huì)使鉆桿角度改變，造成鉆孔偏斜。

4.3 不同地層的鉆進(jìn)方法

4.3.1 泥巖層的鉆進(jìn)

泥巖層鉆進(jìn)阻力小，吸附性強(qiáng)，不易脫落，且通過水力鉆進(jìn)時(shí)候會(huì)將泥巖帶有更大的附著性，因此在泥巖層鉆進(jìn)的過程中一定要快速鉆進(jìn)，盡量快速地通過，可以加大水壓、加大推進(jìn)速度、加大鉆速等方法快速通過。已防止泥巖層附著鉆頭產(chǎn)生卡鉆，切不可在泥巖層附近停留過長時(shí)間，如果已經(jīng)發(fā)生輕微卡鉆，則將鉆桿后退，然后停止推進(jìn)，將孔內(nèi)清洗干凈后在嘗試快速鉆進(jìn)。

4.3.2 硬巖層的鉆進(jìn)

在砂巖和灰?guī)r等較硬巖石中鉆進(jìn)時(shí)候，可以使用快鉆速、低推進(jìn)的方式慢慢鉆進(jìn)，要嚴(yán)格控制鉆進(jìn)的速度，以防止鉆孔的傾斜度加大。

4.3.3 一般巖石及煤層中的鉆進(jìn)方法

在一般巖石及煤層中鉆進(jìn)過程中，要保持穩(wěn)定的鉆速和推進(jìn)速度，不能忽快忽慢，在每隔一段時(shí)間要進(jìn)行沖孔等待，保證鉆孔不會(huì)發(fā)生卡鉆等現(xiàn)象。在鉆進(jìn)過程中如果發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)扭曲過大，鉆進(jìn)難度加大后要及時(shí)停鉆，進(jìn)行測斜分析看是否鉆孔已經(jīng)傾斜嚴(yán)重。嚴(yán)禁為了趕工期而在鉆桿已經(jīng)明顯發(fā)生嚴(yán)重扭曲時(shí)候繼續(xù)鉆進(jìn)。

5 結(jié)語

通過對(duì)鎮(zhèn)城底礦4502 工作面下順槽11#鉆孔、12#鉆孔、YJ1#鉆孔三個(gè)高位鉆孔測斜分析，角度大于50°后鉆孔施工過程中的傾斜在逐漸地接近垂直方向，且角度越大，鉆孔的傾斜接近垂直越快，鉆孔水平方向上的傾斜均向右偏斜（鉆機(jī)正傳方向）。在鉆孔施工過程中，要保證鉆機(jī)安裝正、水平，并且固定要牢固，在不同硬度巖層鉆進(jìn)過程中要采取不同的鉆進(jìn)方法，以保證鉆孔的鉆進(jìn)效果。