煤礦井下深孔定向超前鉆探技術(shù)研究與應(yīng)用

苗葳　丁榮飛

摘要：趙固二礦為河南能源焦煤集團(tuán)主力生產(chǎn)礦井。礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜，為煤與瓦斯突出礦井，礦井瓦斯與水害治理工期較長，造成鉆探與掘進(jìn)開拓工時矛盾嚴(yán)重，直接制約礦井接替。為緩解礦井接替緊張局面，采用深孔定向超前鉆探技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)超前探方式，采礦作業(yè)取得了很大的成效。

關(guān)鍵詞：煤礦開采；礦井；超前探；深孔定向鉆探；水害防治；水文地質(zhì) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TD50 文章編號：1009-2374（2017）10-0216-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.109

1 趙固二礦超前探注工程現(xiàn)狀

趙固二礦屬河南能源焦煤集團(tuán)主力生產(chǎn)礦井，開采山西組二1煤層，煤層埋深在500m以上，底板主要充水含水層為L8灰?guī)r含水層，水壓高達(dá)5MPa。為消除礦井水害隱患，礦井嚴(yán)格執(zhí)行“預(yù)測預(yù)報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水方針，對巷道實(shí)施超前探與底板注漿改造。但常規(guī)鉆孔存在以下問題，影響了鉆孔效果：（1）鉆孔軌跡不可控，容易存在注漿盲區(qū)，為保證注漿效果必須設(shè)置大量鉆孔，導(dǎo)致鉆孔浪費(fèi)，鉆探工作量大，施鉆人員勞動強(qiáng)度高；（2）鉆孔以大傾角開孔，鉆遇含水層的有效孔段較短，注漿加固效果不好且造成漿液的嚴(yán)重浪費(fèi)；（3）鉆孔孔深一般較淺，鉆孔軌跡不能改變方向，只能邊掘（邊采）邊進(jìn)行加固，在工作面鉆場未形成之前，不能實(shí)現(xiàn)區(qū)域超前底板加固，對礦井接替造成影響。因此，亟需研究新的底板注漿加固及超前探查技術(shù)方法。

2 鉆探設(shè)備選定

為提高礦井超前探功效，采用井下深孔定向鉆機(jī)實(shí)施超前探工程。定向鉆機(jī)由鉆機(jī)機(jī)身、移動泵站與隨鉆測量系統(tǒng)三部分組成，鉆機(jī)機(jī)身由廠家提供，為礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)，最大額定轉(zhuǎn)矩12000N·m、額定轉(zhuǎn)速50～150r/min，適用于鉆進(jìn)大直徑近水平長鉆孔及1500m以上超長定向鉆孔。移動泵站由礦井已有的噴霧泵改造而成，最大輸出泵量560L/min。隨鉆測量裝置由防爆計算機(jī)、防爆鍵盤、防爆數(shù)據(jù)存儲器和探管四部分組成，在孔底馬達(dá)鉆進(jìn)過程中，將探管連接在孔底馬達(dá)后，在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)測量時，防爆計算機(jī)通過通纜鉆桿和通纜水便向孔內(nèi)探管供電并下工作指令，探管啟動工作并采集鉆孔傾角、方位角、工具面向角等數(shù)據(jù)通過通纜鉆桿和水便傳送到防爆計算機(jī)，通過裝置軟件的分析處理，在防爆計算機(jī)顯示器上顯示鉆孔參數(shù)、設(shè)計軌跡、實(shí)鉆軌跡等信息，通過系統(tǒng)軟件可實(shí)現(xiàn)裝置分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)測量并以數(shù)字量形式進(jìn)行顯示、存貯、通信、處理分析成圖等功能。數(shù)據(jù)測量結(jié)束后，防爆計算機(jī)停止為孔內(nèi)探管供電，探管停止工作。

3 深孔定向鉆探設(shè)計及要求

3.1 設(shè)計方案

本次在即將開拓掘進(jìn)的11151工作面上順槽進(jìn)行試驗，利用工作面下順槽已形成的鉆場對上順槽方向進(jìn)行超前探與底板加固工程。共設(shè)計兩個探煤鉆孔與一個底板鉆孔，設(shè)計鉆孔進(jìn)尺3299m。探煤孔鉆進(jìn)層位為二1煤層，平均煤厚為5.88m，底板孔鉆進(jìn)層位為L8灰?guī)r底部細(xì)粒砂巖中，該層砂巖平均厚度4.91m，層位穩(wěn)定，上距L8灰?guī)r平均5.14m。

先施工探煤鉆孔，探煤鉆孔每隔50m留設(shè)一個分支點(diǎn)，每隔70～100m探頂一次，確保提前探明工作面順槽內(nèi)煤巖層產(chǎn)狀及構(gòu)造特征。

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)及固管要求

下設(shè)兩級套管，開孔孔徑Φ193mm，一級套管Φ178mm，二級套管Φ146mm，終孔孔徑Φ120mm。

要求鉆孔下入套管前必須利用隨鉆測量系統(tǒng)進(jìn)行測孔，確定鉆孔軌跡與設(shè)計要求無偏差時方可繼續(xù)下入套管，否則利用擴(kuò)孔鉆頭對該孔進(jìn)行擴(kuò)孔，糾正鉆孔軌跡后方可繼續(xù)下入套管。

開孔使用Φ153mm鉆頭回轉(zhuǎn)鉆過設(shè)計一級孔口管長度多0.5～1.0m，再用Φ193mm鉆頭擴(kuò)孔至孔底，然后下入設(shè)計長度的Φ178mm套管，用井下注漿泵采用水灰重量比1∶0.5～1∶1的水泥漿進(jìn)行管內(nèi)注漿固管（使用不小于0.1m?的容器進(jìn)行攪拌），凝固時間不少于24小時（加水玻璃凝固時間不少于8小時），然后用Φ153mm鉆頭透孔，透出一級套管0.5～1m后進(jìn)行耐壓試驗，耐壓試驗壓力穩(wěn)定在10MPa，穩(wěn)壓時間不少于30min，孔壁周圍不漏水、不滲水為合格，否則重新固管。

一級套管耐壓試驗合格后用Φ153mm鉆頭回轉(zhuǎn)鉆過設(shè)計二級孔口管長度0.5～1.0m，然后下入設(shè)計長度Φ146mm套管，用井下注漿泵采用水灰重量比1∶0.5～1∶1的水泥漿進(jìn)行管內(nèi)注漿固管（使用不小于0.3m3的容器進(jìn)行攪拌），凝固時間不少于24小時（加水玻璃凝固時間不少于8小時），然后用Φ133mm鉆頭透孔，透出二級套管0.5～1.0m后進(jìn)行耐壓試驗，耐壓試驗壓力穩(wěn)定在15MPa，穩(wěn)壓時間不少于30min，孔壁周圍不漏水、不滲水為合格，否則重新固管。

二級套管耐壓試驗合格后用Φ120mm鉆頭+Φ89mm單彎螺桿+隨鉆測量儀器進(jìn)行定向鉆進(jìn)至終孔，鉆進(jìn)過程中每施工3m對孔底進(jìn)行一次參數(shù)測定，根據(jù)測定的參數(shù)和已掌握的現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)情況調(diào)整鉆進(jìn)方向，力求鉆孔按照設(shè)計軌跡和要求鉆進(jìn)。

3.3 施工期間注意事項

3.3.1 鉆探期間應(yīng)時刻注意鉆孔巖性變化，鉆進(jìn)時關(guān)注孔口返水及鉆機(jī)鉆壓情況，并在每根鉆桿行程后撈取巖粉觀測形狀、顏色等。要根據(jù)返出的巖粉及鉆進(jìn)壓力初步判定鉆進(jìn)層位及巖性。當(dāng)巖性判斷困難時及時通知施工班組長到現(xiàn)場查看鑒定。

3.3.2 鉆進(jìn)時要在孔口下放置接納巖粉容器，并保證孔底返水流入容器。每當(dāng)換層或返水變化時及時停鉆將巖粉取出。沖洗干凈并干燥后的巖屑采用“大段攤開、宏觀細(xì)找，遠(yuǎn)看顏色、近查巖性，干濕結(jié)合、挑分巖性，參考鉆時”的原則。重點(diǎn)記錄鉆孔穿層、斷裂構(gòu)造帶巖性變化情況及斷層泥、破碎帶厚度、破碎程度與膠結(jié)情況。

3.3.3 要求鉆孔定向鉆進(jìn)期間每3m測孔一次（包含鉆孔傾角、方位角、工具面等數(shù)據(jù)），并及時丈量孔外鉆具長度，井上、下要有記錄本，每班做好詳細(xì)的原始記錄；施工單位要建立工程施工臺賬，并每天將生產(chǎn)情況報地測科。

3.3.4 鉆進(jìn)過程中絕不允許鉆桿摩擦孔口閘閥或孔口管，發(fā)現(xiàn)有摩擦現(xiàn)象時要立即停止施工，重新調(diào)整鉆機(jī)角度，直到鉆進(jìn)方向與孔口管方向一致為止。

3.3.5 施工時若鉆孔突然發(fā)生突水，施工單位要及時匯報，并詳細(xì)記錄出水位置、鉆孔深度，測出水量、水壓，并把詳細(xì)情況及時上報，必要時，取水樣送驗。

3.3.6 鉆孔鉆進(jìn)過程中，若孔內(nèi)出水大于30m3/h，則對鉆孔進(jìn)行地面注漿，注漿材料選用黏土水泥混合漿，黏土漿與水泥漿比重為為1.12～1.18，一般是先稀后稠再稀。注漿終壓15MPa，穩(wěn)壓30min。

4 鉆探成果

通過實(shí)施本次井下深孔定向超前鉆探，在3個月內(nèi)探明了11151工作面上順槽通尺175～645m范圍內(nèi)煤層賦存情況與地質(zhì)構(gòu)造情況，并對上順槽通尺167～546m范圍內(nèi)底板L8灰?guī)r與圍巖裂隙進(jìn)行注漿加固，超前探控制范圍470m，在接替工期緊張的情況下保證實(shí)現(xiàn)安全不間斷掘進(jìn)。

4.1 構(gòu)造區(qū)域分析

4.1.1 根據(jù)鉆探資料顯示，煤層探1與探2號鉆孔在上順槽通尺376～465m之間均發(fā)生較為嚴(yán)重的塌孔、泵壓增高現(xiàn)象。根據(jù)三維地震勘探資料，DF29斷層在11151工作面上順槽預(yù)計揭露位置為397～400m，位于塌孔范圍內(nèi)，不排除由于DF29斷層影響，最終致使鉆孔在揭露該斷裂破碎帶期間出現(xiàn)塌孔等異常情況。根據(jù)斷層兩端探得的頂板標(biāo)高計算，預(yù)計該斷層落差1.6～1.8m。探測段煤層產(chǎn)狀未發(fā)生較大變化，沒有明顯褶皺，斷層斷面沒有向底板L8灰?guī)r下延伸跡象。

4.1.2 根據(jù)探煤層頂、底板資料，探煤1#鉆孔鉆進(jìn)至上順槽通尺577～604m處煤層出現(xiàn)明顯變薄情況，煤厚由5.8m變薄至4.3m，孔口反渣為煤層夾帶泥巖，但位于該煤層變薄段西側(cè)20m處的煤層探2#鉆孔并未出現(xiàn)煤層異常情況，根據(jù)揭露資料分析，該煤層變薄區(qū)域為分布范圍較小，不會對巷道掘進(jìn)造成影響。

4.2 水文地質(zhì)情況分析

底板L8灰?guī)r厚8.24m，L8灰?guī)r底界面細(xì)粒砂巖厚4.91m。根據(jù)底板注1#孔資料，七個分支鉆孔總出水量為35.1m3/h，其中水量最大的為底板注1-1#鉆孔，水量25.7m3/h，經(jīng)注漿后，該出水點(diǎn)已基本無水。其余分支鉆孔水量均小于10m3/h，且不存在鉆孔水量驟增情況，反應(yīng)出探測段垂向裂隙不發(fā)育。

5 今后改進(jìn)方向及效益

（1）在今后設(shè)計中，應(yīng)保證鉆孔軌跡平直，盡量減小鉆孔彎曲度，從而可有效降低鉆桿與孔壁摩擦，減少給進(jìn)壓力在拐彎處消耗，延長鉆孔控制范圍。鉆探巖粉在鉆孔拐彎及低洼處不易排出，可采用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)與定向鉆進(jìn)相結(jié)合的方式將孔內(nèi)存積的巖粉帶出，減少鉆孔埋鉆風(fēng)險。在鉆進(jìn)過程中通過及時對比檢查鉆孔漏失量，可有效查明煤、巖層內(nèi)孔隙、裂隙及斷裂破碎帶分布規(guī)律，為巷道掘進(jìn)提供堅實(shí)可靠的地質(zhì)資料；（2）該技術(shù)在趙固二礦及類似礦區(qū)的推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下水害區(qū)域治理的突破，緩解礦井工作面接替緊張局面，可為國內(nèi)地質(zhì)及水文地質(zhì)條件相似的礦井提供寶貴經(jīng)驗，可在焦作礦區(qū)乃至全國范圍內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用，對實(shí)現(xiàn)在新背景新要求下的煤礦安全高效開采具有深遠(yuǎn)意義。

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作者簡介：苗葳（1988-），男，河南焦作人，供職于河南能源焦煤集團(tuán)新鄉(xiāng)能源有限公司，研究方向：礦井地質(zhì)及防治水。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）