底抽巷穿層鉆孔實施煤層巷道超前鉆探技術研究

吳亞

摘要：隨著礦井開采條件的日益復雜，礦井受水害的威脅也愈加嚴重。在巷道掘進過程中，探測其前方一定范圍的賦存情況，對于確保巷道的安全掘進有著極其重要的意義，也可以為煤礦防治水提供相應的依據，從而減少和避免潰水事故的發(fā)生?；诖?，對底抽巷穿層鉆孔實施煤層巷道超前鉆探技術進行研究，以供參考。

關鍵詞：探放水;底抽巷;穿層鉆孔;幫距;超前距

引言

治理煤礦中的瓦斯時，有以下幾個有效措施：治理瓦斯的采空區(qū)和煤礦鄰近層瓦斯穿層鉆孔預抽等，部分礦區(qū)在硬巖進行高位鉆孔以及在穿層孔施工時，具備極低的鉆進效率，會嚴重損壞鉆頭，導致施工的鉆孔時間久。尤其是出現(xiàn)鉆孔故障時，將大大降低施工質量并拖慢施工鉆孔的效率，導致抽放和抽采瓦斯的煤礦計劃受到影響，加大采煤時間。

1水文地質條件及超前探放原則

（1）安全區(qū)域，經綜合分析（地面物探、井下物探、生產采掘、理論推導等）確定不存在物探異常區(qū)、構造、封閉不良鉆孔和老空水等威脅，且頂板水（K8、K10）為弱富水，底板帶壓系數<0.06MPa/m的區(qū)域。該區(qū)域煤層巷道掘進采用常規(guī)物探方式，超前鉆探以地質盲區(qū)探測為主，且孔數不少于3個，并嚴格控制超前距和幫距。（2）受水威脅區(qū)域指掘進工作面受已知頂板水、底板承壓水、老空水或已知導（含）水構造等水體威脅的區(qū)域。（3）異常區(qū)包括物探異常區(qū)、查明構造（斷層、陷落柱等）和鉆探出水的區(qū)域。綜合分析煤礦采掘時堅持“預測預報、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則，巷道掘進前要對其前方一定范圍進行探測。探測過程中，嚴格執(zhí)行“物探先行、鉆探驗證、化探跟進”的操作規(guī)范，在巷道掘進前利用物探超前探測，同時結合底抽巷穿層鉆孔超前鉆探對巷道前方及兩幫進行探測，對異常區(qū)再進行加密探查。針對查明的異常區(qū)或受水威脅區(qū)域，采用超前疏放或注漿加固的方式進行治理后，方可繼續(xù)掘進;若掘進前方未發(fā)現(xiàn)異常區(qū)，則留足超前距離后可繼續(xù)掘進。

2PDC鉆頭鉆進高強較硬巖的具體回轉方式

（1）回轉鉆進煤礦井下使用鉆進方式最多的就是鉆孔施工回轉方法，動力提供依靠液壓鉆機，鉆桿將回轉器和油缸的回轉力及推進軸向力變?yōu)楹狭?，破碎巖石接收鉆頭孔底。鉆進井下煤礦回轉較硬巖時，當鉆桿與鉆機符合鉆進條件時，鉆進效率主要因鉆頭鉆具而影響，選擇的鉆進參數工藝直接決定鉆頭的單個進尺和使用壽命。（2）PDC鉆頭高強度鉆進回轉當巖層硬度具備較小的較硬程度時，采用PDC鉆頭高強度鉆進回轉，主要結構是刀翼式，可以采用最完美的角度保證各個切削齒的工作;冠部構成是拋物線狀態(tài)的三翼，設計弧角的刀翼，切削齒更方便切入巖石，具備極高的鉆進效率;分層錯峰的布齒方式，可以確保分層并多軌道切削巖石體積，具有較小的鉆進阻力，基本不需要二次破碎;PDC鉆頭的切削齒是弧面型的，可以使鉆頭體增加包鑲PDC的面積，具備的焊接強度好，能增加鉆頭抵抗沖擊的程度，減少崩齒和崩片的情況。（3）分析試驗效率選取某礦完成試驗，鉆孔試驗時選擇鉆孔是相同組內的，地層鉆進是泥巖互層和較硬砂巖，分析對比之前采用的鋼體式PDC鉆頭的不同類型，比如內凹的三翼及四翼所顯示的數據，得出PDC鉆頭選擇高強的三翼圓弧進行鉆進的效率是1.6倍的PDC鉆頭三翼內凹的鉆進效率，其中鉆頭單個進尺就增加4倍，相對于PDC鉆頭四翼內凹提高的鉆進效率達2倍之高，鉆頭的單個進尺就增加8倍。試驗時采用PDC鉆頭是四翼內凹以及三翼普通內凹都可以實現(xiàn)鉆進進尺的增大，但是PDC鉆頭同時出現(xiàn)很多的崩齒片，嚴重磨損了鋼體。

3有效抽采半徑效果考察

結合不同距離井的瓦斯抽放率與時間函數的關系，可以看出，當采區(qū)瓦斯抽放率達到49.33%的目標值時，η煤溶出率大于49.33%，即初始瓦斯含量為11.12 m3/t時，工作面井的合理距離為3 m，井的有效流出半徑為1.5m;;在100天預泵中，開采地點鉆孔的合理間距為4 m，有效排水半徑為2m;預泵120天時，工作面的合理距離為5 m，有效排水半徑為2.5m;160天預泵時，開采地點鉆孔的合理間距為6 m，有效排水半徑為3 m。

4穿層定向長鉆孔施工及下篩管工藝定型

1）在設備配置方面，定向鉆具復合定向鉆要求和扭矩超過4500N · m +螺旋槽有線耳/三角形螺旋鉆管+螺旋電機+ MWD系統(tǒng)等。2）鉆井技術：（1）根據煤巷布置水平線和煤層傾角確定適當的開傾角和煤層傾角，并使用定向鉆機開洞直至看到煤（確保看到煤在約50 m處），并在看到煤后繼續(xù)施工;（2）如果定向設計能夠跨越軟煤區(qū)，則繼續(xù)施工至規(guī)定深度，并收回鉆頭;（3）如果軟煤區(qū)的孔塌陷嚴重，更換三角螺旋鉆桿鉆頭，轉動摩擦孔，進入煤段后慢慢進入孔洗，排出更多礦渣。穿越軟煤區(qū)后，繼續(xù)施工約5 m，然后拉回鉆頭;（4）更換定向設計發(fā)動機，調整傾斜角度，使其基本符合煤層的傾角，繼續(xù)施工至規(guī)定深度，并收回鉆頭。為保持井眼排水通道，確保排水效果，主要采用空心鉆桿+開閉鉆實現(xiàn)全管道排水過程。特別是：（1）送中空鉆桿+開/關鉆桿至孔底，將32mm花筒引入空心鉆桿至孔底，然后將鉆桿向后拉;（2）降低50 ～ 75mm管用于二次孔保護，其中50 ～ 75mm固體管位于煤炭點外至少2 m處， 50 ～ 75mm花管位于煤炭點內至少5 ～ 10 m處（在32 mm花管外形成二次孔保護，以防止煤層氣界面出現(xiàn)孔崩）。

5“安全區(qū)域”探放方案

（1）“安全區(qū)域”物探設計方案。依據“物探先行，鉆探驗證”的規(guī)定，掘進巷道在超前探放水前需先進行井下瞬變電磁探測，其基本原理就是電磁感應定律。依據礦方實際條件，物探設備選用YCS160瞬變電磁儀和YCS256礦用本安型瞬變電磁儀，該設備專門為礦井井下頂底板探水、超前探測設置了回線邊長2m的小線框，勘探最大深度100～120m，并配有專門的解釋軟件，在國內許多礦井進行了實際應用，取得了較好的地質探測效果。瞬變電磁法超前探測設計4個方向，分別是3個橫向探測方向（與巷道頂板呈45°夾角向前方頂板探測、順巖層方向向前方探測、與巷道底板呈45°夾角向前方底板探測）和1個縱向探測方向，（2）“安全區(qū)域”超前鉆探設計方案。在煤層“安全區(qū)域”，巷道掘進采用常規(guī)物探方式，超前鉆探以地質盲區(qū)探測為主，并嚴格控制超前距和幫距。

6鉆進堅硬巖的沖擊回轉

（1）鉆進沖擊的回轉方法。井下煤礦選擇鉆進沖擊回轉可以很好地處理鉆進堅硬巖的低效率導致的一類施工鉆孔方法，具體是在之前鉆進回轉的普通組合鉆具內增加了沖擊液動器，使鉆頭承受的回轉合力及推進鉆桿時，還可以承受沖擊器所傳遞的沖擊功，完成沖擊聯(lián)合回轉將巖石破碎。沖擊器大多選擇小口徑低能量高頻型的，鉆進過程主要完成鉆進切削回轉，巖石被鉆頭切入的沖擊碎巖方式得以增加深度，可以用于巖石堅硬的較大塑性場合。（2）液動沖擊器選擇小口徑。液壓能的供給主要靠泥漿泵，沖擊器受到液動沖錘的往復上下驅動而運動，接著鉆頭受到連續(xù)不斷地沖擊施加荷載，試驗時的液動沖擊器選擇的是PDC鉆頭配套的高強圓弧胎體式。（3）分析鉆進試驗沖擊回轉的效率。選擇某礦完成試驗，選擇的巖層試驗規(guī)格是泥巖堅硬的硅質，具有較脆的高硬度的結核黃鐵礦，能達到13的硬度系數。以下對比了鉆進沖擊的不同回轉效果，主要針對沖鉆進擊選擇的回轉方法：①PDC鉆頭高強圓弧胎體式+液動沖擊器，6.55m/h的硅質泥巖平均效率，具備較好的施工環(huán)境，沖洗介質是水。②鉆頭內凹三翼，0.13m/h的硅質泥巖平均效率，具備較低的效率。以上的液動沖擊可得出鉆進回轉的效率是50倍的鉆進普通回轉模式。鉆進普通回轉大概消耗的鉆孔鉆頭有4～5個，而鉆進回轉沖擊才耗費1個鉆頭。試驗對比的結果顯示，液動鉆進沖擊回轉的最優(yōu)工藝參數是：3.5MPa的泵壓和165L/min的流量，110～150r/min的轉速和6～9MPa的給進壓力，還有5～8MPa的回轉壓力。

7底抽巷層位選擇

底抽巷布置層位選擇主要是對現(xiàn)有的底抽巷位置進行調整，以解決目前底抽巷存在的斷層等構造容易誤揭煤層、巷道頂板支護難、穿層鉆孔串孔及抽采鉆孔覆蓋范圍小等問題。

8異常區(qū)治理

異常區(qū)包括物探異常區(qū)、查明構造（斷層、陷落柱等）和鉆探出水的區(qū)域。針對瞬變電磁法或超前鉆探探測的異常區(qū)要進行加密鉆探探查，查明異常區(qū)的具體情況。若為水文地質異常區(qū)，則查明其導含水情況，并利用超前疏放或注漿加固的方式對其進行治理，防止掘進過程中出水，導致危險事故的發(fā)生。注漿技術要求如下。（1）現(xiàn)場制造漿液，由泥漿泵、注漿管路將漿液注入待注漿鉆孔內，注漿采用連續(xù)注漿方式。（2）漿液配比應遵循由稀到濃的原則，逐級改變，結束時又略變稀。（3）單孔注漿結束標準：注漿泵最低檔泵量35L/min，注漿結束壓力要大于區(qū)域靜水壓力的1.5倍，或根據注漿情況臨時調整。

結束語

隨著我國煤礦開采深度的不斷增加，礦井煤巖瓦斯動力災害日趨嚴重。防治煤與瓦斯突出災害的關鍵在于瓦斯抽采，瓦斯抽采是防治瓦斯災害的根本措施，是實現(xiàn)突出煤層安全高效開采的保證。封孔工藝及技術是保證瓦斯抽采效果的關鍵，國內眾多學者對瓦斯預抽鉆孔的封孔工藝及技術做了大量研究。

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