“三軟”煤層防塌孔鉆進技術(shù)的研究

田云鵬　侯艷華

摘? ? 要：在煤礦礦井鉆探過程中，如遇低硬度煤巖層，頂?shù)装寮懊簩铀绍洠此^的“三軟”煤層，則極易產(chǎn)生塌孔，給施工帶來諸多不便。在井下探放水過程中，需根據(jù)水壓大小，選擇不同長度的套管來保證安全探放水，下完套管注漿加固后，由于管內(nèi)水泥凝固硬度較大，特別有利于正常鉆進。為此，我們可以采用下多級套管，多次循環(huán)注漿加固，多次循環(huán)鉆進的方法預(yù)防塌孔事故的發(fā)生，較好地解決了“三軟”煤層鉆進過程中的塌孔問題。

關(guān)鍵詞：煤礦;探放水;鉆探;套管;注漿加固

一、實施背景

石壕煤礦主采煤層為二1煤層，特厚煤帶主要分布于井田西部，厚煤帶分布于井田中部及南部，不可采范圍及無煤帶主要分布于井田中部，煤層厚度基本上呈南部較厚，北部相對較薄之趨勢。煤層厚度變化主要有三個特征：

1.煤層厚度局部短距離內(nèi)有突然增厚變薄現(xiàn)象。

2.薄、無煤帶較少，全區(qū)僅6處，多位于礦區(qū)中部，沿走向零星分布。

3.煤層頂板較平整，而底板起伏不平。一般情況下，在煤層底板突起處，煤層變薄或尖滅，而底板坳陷處煤層變厚，結(jié)構(gòu)變復(fù)雜。

井田內(nèi)二1煤層厚度的變化主要受成煤環(huán)境和后期改造等因素影響。

自然地質(zhì)條件決定了石壕煤礦典型的“三軟”煤層特征，即煤層的頂、底板較軟，易變形，且裂隙發(fā)育，打鉆過程中，容易發(fā)生塌孔事件，一旦塌孔，鉆桿和鉆頭很難拔出，損失較大，給井下探煤、探水等施工帶來了一定難度。

二、技術(shù)方案

井下探放水過程中，下完套管后，由于管內(nèi)水泥凝固，硬度較大，特別有利于正常鉆進，避免了塌孔事件的出現(xiàn)。因此，我們可以大膽猜想，如果不下套管或只下第一級套管，也能夠在孔內(nèi)將水泥凝固成一個整體，這樣就較好保證了塌孔，因為硬巖中鉆進的塌孔幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軟巖。

可采用多次循環(huán)注漿，加固孔口管，固結(jié)破碎煤巖的措施，分段循序漸近，進行鉆探施工。開鉆時，需先下一級套管，套管孔徑為最大孔徑，目前為?133，下一定長度的?127套管，鉆進一定長度后，安裝悶蓋進行首次注漿封孔，待凝固24小時后，換?113鉆頭繼續(xù)鉆進至一定深度，下二級套管，比如?108套管，繼續(xù)注漿封孔，下三級套管，依次類推，打一段，注一段，保證了鉆進深度，避免了塌孔。通過這種分段注漿加固，分段鉆進的方式，有效減少了塌孔事件的發(fā)生。

漿液技術(shù)要求，注漿時的水灰比例，一般為5：1～1：0.7，依據(jù)巖層硬度和鉆進深度，需通過多次實驗不斷調(diào)整，進行適當(dāng)調(diào)整，水泥凝固時間需24小時以上方能重新掃孔。也可加水玻璃進行輔助注漿，水泥與水玻璃體積比為：0.3：1～0.5：1。采用水玻璃輔助注漿時，凝固時間可縮短至12小時，但成本較高。

三、優(yōu)缺點分析：

1.優(yōu)點：采用多次注漿，多次鉆進的方式，避免了塌孔，增加了鉆進深度，有效防止透水、孔口瓦斯突出等事故的發(fā)生。

2.缺點：施工工期長，耗費材料多，施工過程繁瑣，不使用于工期短，時間緊迫的工程。

四、應(yīng)用效果分析及存在的問題

1.孔內(nèi)事故分析

孔內(nèi)事故按其成因可以分為人為事故和自然事故

人為事故：指事故發(fā)生的主要原因是操作人員或有關(guān)人員沒有嚴(yán)格執(zhí)行鉆探操作規(guī)程，沒有根據(jù)生產(chǎn)的具體情況采取相應(yīng)的技術(shù)措施而造成的事故。例如，斷脫鉆具、跑鉆、燒鉆等事故。

自然事故：指由于復(fù)雜的地質(zhì)條件等客觀因素所引起的事故。例如，大塊石卡鉆、掉塊擠夾鉆具，孔壁坍塌埋鉆等事故。

2.孔內(nèi)事故預(yù)防

（1）鉆具折斷、脫扣事故的預(yù)防

①開鉆前應(yīng)將鉆場清理到硬底或?qū)︺@場底板進行硬化處理，壓柱一定要頂牢，保證鉆機安放平穩(wěn)，固定牢固。

②檢查鉆頭是否完好，鉆桿有無裂紋，絲扣是否完好，有質(zhì)量問題的材料嚴(yán)禁使用。

③鉆進過程中的給進壓力必須均勻，嚴(yán)禁忽大忽小。

④鉆機移動二次對孔時，必須對正，當(dāng)鉆桿在孔內(nèi)不出現(xiàn)磨擦孔口管、上下活動順暢、無阻力時，將鉆機固定牢靠方可鉆進。施工過程中如發(fā)現(xiàn)鉆桿磨擦孔口管，有扭勁現(xiàn)象，必須停止施工，重新對孔。

⑤施工時操作人員應(yīng)集中注意力，聲音增大、壓力、水循環(huán)等有變化時，應(yīng)立即停鉆，查明原因并處理后方可繼續(xù)鉆進。

（2）卡鉆、埋鉆事故的預(yù)防

①保證壓力水暢通，盡可能增加循環(huán)水的壓力和流量。確?？椎讕r粉沖洗干凈。

②鉆進遇軟巖時，應(yīng)慢速鉆進，穿過軟巖后，應(yīng)反復(fù)順孔，防止縮徑導(dǎo)致卡鉆。

③施工過程中發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)阻力大，有憋泵現(xiàn)象，應(yīng)停止給壓鉆進，保證壓力水能夠循環(huán)，將鉆具慢慢上下移動（上阻下放，下阻上提），使孔內(nèi)通暢，壓力水恢復(fù)正常循環(huán)后，方可正常鉆進，禁止有異常時強行提拉鉆具，冒險作業(yè)。

④停止鉆進時，應(yīng)將鉆具提起一定高度，保證巖粉沉淀不埋鉆，重新鉆進時，應(yīng)先沖孔后鉆進，緩慢鉆至孔底后方可正常鉆進。

五、鉆孔彎曲的原因與規(guī)律

地質(zhì)因素

影響鉆孔彎曲的地質(zhì)因素主要是巖石的各向異性和軟硬互層。地質(zhì)因素是客觀存在的，只能通過工藝技術(shù)措施來減弱或抵消它的促斜作用

1.巖石的各向異性

某些具有層理、片理等構(gòu)造特征的巖石，其可鉆性具有明顯的各向異性。鉆頭沿垂直于巖層方向鉆進的巖石破碎效率最高，平行于層理方向效率最低，傾斜方向破巖效率居中。因此在傾斜巖層中鉆進時，極易產(chǎn)生鉆孔向垂直于層面的方向彎曲。鉆孔彎曲強度與巖石各向異性強弱和鉆孔遇層角的大小有關(guān)。鉆孔遇層角是鉆孔軸線與其在層面上的正投影的夾角。當(dāng)遇層角約為45?時，鉆孔彎強最大。

2.軟硬互層

（1）鉆孔以銳角穿過軟硬巖層界面，從軟巖進入硬巖時，由于軟、硬部分抗破碎阻力的不同，使鉆孔朝著垂直于層面的方向彎曲。

（2）鉆孔從硬巖進入軟巖時，則鉆具軸線有偏離層面法線方向的趨勢。但由于上方孔壁較硬，限制了鉆具偏倒，結(jié)果基本保持著原來的方向，鉆孔通過軟巖進入硬巖又從硬巖進入軟巖時，最終還是沿層面法線方向延伸。

（3）鉆孔遇層角存在著臨界值。超過此值時，鉆孔頂層進;低于此值時，鉆孔將沿硬巖的層面下滑（俗稱順層跑）。說明鉆進中粗徑鉆具傾斜面方向穩(wěn)定是客觀存在的。

3.技術(shù)因素

（1）開孔階段

開孔階段的鉆孔彎曲會影響整個鉆孔軸線軌跡，使鉆孔軌跡產(chǎn)生很大的偏差。這一階段引起鉆孔彎曲的技術(shù)因素有：? ? 鉆機基礎(chǔ)不平;鉆機立軸安裝不正確;未下孔口管或孔口管方向不合要求;主動鉆桿過長;鉆進參數(shù)不合理等。

（2）鉆進階段

鉆進過程中造成鉆孔彎曲的技術(shù)是鉆具的結(jié)構(gòu)和尺寸。由于存在孔壁間隙，在壓力作用下，鉆桿柱將產(chǎn)生彎曲變形，產(chǎn)生水平分力，使粗徑鉆具偏倒。

當(dāng)鉆進各向異性巖石遇且遇層角為銳角時，鉆頭唇部形狀會影響鉆孔彎曲方向及強度：

①唇部平面或橢圓形鉆頭：孔底碎巖向阻力最小方向偏移（垂直層面方向）;②外錐形鉆頭：向順層方向偏移;③內(nèi)錐形鉆頭：鉆孔向垂直巖層面偏移。

六、應(yīng)用推廣價值

多次循環(huán)鉆進防塌孔鉆進技術(shù)，可以有效地防止塌孔，對于松軟地層，地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水賦存不穩(wěn)定的區(qū)域，應(yīng)用效果較好。

但由于此方法需多次循環(huán)鉆進，多次注漿封孔，浪費了大量封孔注漿材料，耗費工時較多，對于硬巖和地質(zhì)條件較好的地層，不推薦使用。

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