三灰觀測孔穿越厚層泥巖施工技術應用

高法民，于 雷，李延才，高東升，張茂增

（梁寶寺能源有限責任公司， 山東嘉祥縣 272404）

三灰觀測孔穿越厚層泥巖施工技術應用

高法民，于 雷，李延才，高東升，張茂增

（梁寶寺能源有限責任公司， 山東嘉祥縣 272404）

梁寶寺礦井在三灰孔施工過程中需穿過較厚的泥質粘土巖，經常出現卡鉆、糊鉆、斷鉆桿的現象。針對此種情況，結合梁寶寺煤礦3301工作面67號三灰觀測孔施工實際情況，研究應用了穿過厚粘土層施工三灰觀測孔技術。通過改進鉆具結構、優化施工工藝、更換沖洗液等綜合措施，使三灰觀測孔施工成功率由原來的89%提高至95%以上，減少了鉆探事故，避免了不必要的經濟損失，大大提高了工作效率。

泥巖；粘土層；三灰觀測孔；施工工藝

1 梁寶寺煤礦地質概況

梁寶寺煤礦是肥城礦業集團在巨野煤田投資新建的第一座大型現代化礦井，主采煤層為位于山西組中、下部的3煤層，3煤層下距太原組三灰平均60m。梁寶寺礦井三灰為石炭系上統太原組穩定巖層，自太原組頂界至六灰主要由粉砂巖及泥巖組成。此段泥巖常出現在2至5層，厚度為0.6～20 m，有膨脹度高、粘結性強等特點。

三灰巖溶裂隙含水層是影響礦井可采煤層回采的主要含水層，厚度為4.8～5.2m，平均5.1m，上距可采煤層3煤層平均60m；三灰單位涌水量為0.0121～0.1338L／s.m，富水性不均一，為弱至中等。為查明礦井各采區不同水文塊段內三灰的富水性、水壓、水量及隔水層厚度等水文地質情況，掌握三灰的水文地質特征，加大其疏放水量，保證采區內煤層的安全開采，各工作面回采前必須施工三灰觀測孔。由于礦井地處平原地區，三下壓煤情況嚴重，投產工作面多為條帶式開采，搬家撤面頻繁，所以工作面三灰觀測孔的施工也較多。

2 三灰觀測孔施工過程中遇到的問題

通過對建礦以來施工的所有三灰觀測孔進行統計，發現梁寶寺礦三灰觀測孔施工成功率為89%，考慮到三灰觀測孔施工周期長、鉆孔深、一次性投入大，每次打鉆投入的材料都是不可回收的，不高的成功率造成了相當程度的人力及材料浪費。經過長時間現場觀測，發現關鍵問題在于煤層底板至三灰間的泥巖粘土層難以穿越。影響鉆孔順利穿越粘土層的主要因素有以下3點。

（1）沒有合適的鉆具。常規鉆具對于泥巖層的穿越效果較差，過泥巖時極易造成塌孔、斷鉆桿，對三灰孔施工成功與否關系重大。

（2）鉆探用料不適應現場情況。采用常規的高壓清水當沖洗液，泥巖遇水膨脹，難以沖出，是造成鉆探事故的重要原因之一。

（3）地質條件復雜。井下現場斷層的互相牽引，泥巖被撕扯得支離破碎、粘結性相當高，是造成鉆探事故的主要原因。

3 三灰觀測孔施工方法改進應用實踐

結合梁寶寺礦3301工作面軌道順槽第67號三灰觀測孔施工情況，具體說明三灰觀測孔施工新工藝的應用情況。

3.1 現場概況

梁寶寺3301綜放工作面標高－899～－936 m，該面3煤為氣煤，總厚度為5.0～7.2m，平均6.5m，煤層結構較簡單，煤層傾角為7°～14°，平均11°，煤層普氏硬度系數f＝1.8。工作面掘進期間共揭露23條斷層，地質構造復雜。且從3301工作面施工三灰觀測孔，需穿越3層泥巖粘土層，其中最厚的一層泥巖達4m，加之打鉆區域內地質構造復雜，泥巖呈破碎狀態，粘結性極高，如仍然采用常規的打鉆沖孔方法施工，極易造成鉆孔失敗。

3.2 三灰觀測孔施工技術現場應用

3.2.1 合理設計鉆孔參數

三灰觀測孔的施工原則是盡量避開構造復雜區域，減少穿越泥巖厚度。根據這一原則，在達到防治水要求的前提下，應盡量避開斷層破碎帶，實行大傾角施工，減少穿越泥巖厚度。綜合考慮沖孔及鉆探機具性能，67號三灰觀測孔設計鉆探傾角為－45°，鉆孔直徑75mm，鉆孔深度122m（見圖1）。

圖1 67號三灰觀測孔施工參數示意

3.2.2 優化施工工藝

由于鉆進經過的泥巖層具有極強的粘結性、阻水性且厚度較大，鉆進泥巖過程中如用高壓清水沖洗鉆孔極易造成泥巖粘結鉆頭、粘土膨脹卡鉆、糊鉆等鉆探事故。通過實驗室及現場試驗，在應用了各種沖洗液材料后，發現在高壓水中摻入膨潤土作為沖洗液對泥巖層來說效果很好，因膨潤土光滑、吸附性極強，與粘土相溶性差，可以在粘土不膨脹的情況下很好地將泥巖帶出。

根據現場地點的巖性特征，具體制定出操作步驟。尤其當鉆機鉆進至泥巖粘土層時，及時在高壓水中摻入適量膨潤土作為沖洗液，防止粘土層膨脹粘鉆。同時要加快施工進度，三班施工人員現場交接班，做到停人不停鉆，盡快鉆過泥巖層，最大限度地防止在鉆進泥巖層過程中出現卡鉆、吸鉆現象。

3.2.3 改進鉆具結構

據經驗積累，發現以往三灰孔過泥巖層失敗大半情況下是泥巖段過去了，鉆頭在前鉆進另一個層位時，泥巖段的鉆桿旋轉擾動泥巖加之有水，使泥巖“抱”住鉆桿導致斷鉆桿事故。通過以上原因的剖析，本文認為保證泥巖段鉆孔的孔徑是確保鉆孔繼續鉆進的關鍵。因此決定在穿過泥巖段的鉆桿接頭上焊接三道合金翼，使其接頭直徑達到90mm，只在泥巖段使用，確保每2m掃擴孔一次（每根鉆桿長2m），有效將泥巖排出的同時保證泥巖段鉆孔孔徑比其他巖層處孔徑略大，可有效預防泥巖“抱”住鉆桿。

采用以上施工工藝后，3301工作面軌道順槽67號三灰觀測孔在45天的施工時間內，未出現過一次吸鉆、卡鉆及斷鉆桿事故。尤其是在穿過三段泥巖粘土層時，由于施工工藝先進，采取措施得力，有效地確保了成功穿越粘土層。同樣采用上述施工技術，礦山又在3408工作面、3404工作面、－708北翼回風等地點成功施工了7個三灰觀測孔，施工成功率達到了100%，沒有出現一例鉆探事故。

4 結 論

根據梁寶寺井下實際情況，總結改進了原有的三灰觀測孔施工技術并在現場進行了應用，成功率達100%。在提高工作效率的同時，保證了礦山各采區各工作面及時、順利安全地安裝回采，取得了較好的經濟效益，避免了不必要的材料浪費，為礦山安全生產提供了保障。

［1］國家安全生產監督管理總局.煤礦防治水規定［M］.北京：煤炭工業出版社，2009.

［2］聶文志.唐口煤業l30、230采區三灰承壓含水層的疏水降壓實踐［A］.山東省煤礦防治水技術研討會，2008.

［3］王 欣.青東煤礦副井井筒凍結段過粘土層采用外壁掘砌施工法的應用［J］.科技風，2009（19）.

［4］莫暖嬌.飽和軟粘土抗浮土層錨桿試驗研究［J］.隧道建設，2011（4）.

［5］楊振宏.預裂爆破參數計算及參數優化［D］.西安：西安建筑科技大學，1989.

2011－11－19）

；高法民（1962－），男，山東濟南人，研究員，總工程師，主要從事礦井開采及一通三防方面的技術研究。