煤層底板超前注漿加固定向鉆進技術與裝備*

李泉新 石智軍 方 俊

(中煤科工集團西安研究院)

煤礦底板突水與瓦斯、沖擊礦壓等災害并列，是礦山建設與礦山生產過程中的主要安全災害之一，其破壞性巨大，給煤礦安全生產帶來了很大隱患和損失［1-2］。在我國華北及華東地區部分礦區，甚至是影響煤礦安全高效生產最主要的原因，需要花費大量人力、物力對底板進行注漿改造，從而保證巷道掘進和回采安全。

從目前我國煤礦井下底板水害防治的需要出發，將目前世界最先進的煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術引入到煤礦井下工作面底板注漿加固領域，實現煤礦井下底板超前注漿加固定向鉆孔施工。

隨鉆測量定向鉆進技術目前主要應用于煤礦瓦斯抽采和治理領域，并逐漸開始應用于地質構造探測和探放水等領域［3-4］。但是該技術還未應用于煤層底板注漿加固領域，相應鉆探裝備、鉆孔設計和鉆進成孔工藝均需要進行研究突破。

1 定向鉆孔底板超前注漿加固原理

煤礦底板突水是指礦山在建設開發過程中，不同形式、不同水源的水通過某種途徑從地板突入礦井，給礦山建設和生產帶來不利影響和災害的過程，主要受含水層的富水性和透水性、隔水層的隔水性、地下裂隙的導通性、地下水系的連通性、靜水壓力和礦山壓力等因素的共同影響［5］。

底板注漿加固技術通過注漿加固底板和填充含水層裂隙，一方面提高底板強度，一方面截斷或阻滯地下水徑流通道，確保安全生產，該技術是解決底板，尤其是奧陶系突水威脅的有效途徑之一。

定向鉆孔進行底板注漿加固時，先利用常規回轉鉆進施工大傾角下斜鉆孔至預定層位并下入設計規格和強度的套管，然后以先進的隨鉆測量技術為依托，利用隨鉆定向鉆進技術進行造斜鉆進，通過對實鉆鉆孔軌跡的實時準確測量和精確控制，使鉆孔在欲加固的層位內延伸，并可在需加固的工作面進行分支鉆進，成孔后高壓注漿，將目的層位和鉆孔鉆遇的導水裂隙填滿，形成隔水層，由于其施工鉆孔長，可在工作面巷道未施工前加固煤層底板，從而實現工作面煤層底板超前注漿加固。定向鉆孔超前注漿加固原理如圖1所示。

圖1 定向鉆孔超前注漿加固原理

2 鉆進裝備

為實現煤層底板超前注漿加固定向鉆孔施工，研制改進了ZDY6000LD型定向鉆機，選擇了合適的隨鉆測量系統和定向鉆進用螺桿馬達，并加工試制了各種規格的配套鉆具。

2.1 定向鉆機

目前用于煤礦井下定向鉆進技術研究的定向鉆機規格型號較多，但由于施工底板注漿加固鉆孔時鉆孔開孔傾角較大，且需要進行大直徑套管段施工，因此對鉆機要求更高更多。根據鉆進工藝要求，在分析模擬基礎上對ZDY－6000LD履帶式全液壓鉆機進行了局部改造，并在鉆機軌道機身后支撐上增加輔助橫梁，使其調角范圍從 －10°～20°變化到－30°～20°。鉆機設計結構見圖2。

2.2 隨鉆測量系統

圖2 鉆機設計

隨鉆測量系統是定向鉆進的基礎與關鍵，選用YHD1－1000(A)型隨鉆測量系統作為鉆孔軌跡測量與控制的儀器，主要由YHD1－1000T隨鉆測量探管、KJD31礦用隔爆兼本安型計算機和KJS31礦用本安型計算機鍵盤組成，系統部分實物如圖3所示。YHD1－1000(A)隨鉆測量系統是YHD1－1000隨鉆測量系統的升級版本，采用防爆計算機作為系統主機、計算機鍵盤為人機交互工具，以127 V井下電源供電，顯示效果清楚，便于井下觀察，且功能齊全，擴展性好，可安裝在鉆機上或單獨放置使用，具有可靠性高、干擾小、維護方便等許多新特點，使儀器的實用性大大提高。

圖3 隨鉆測量防爆電腦及測量探管實物

2.3 螺桿馬達

螺桿馬達作為孔底碎巖動力，具有定向鉆進效果好、易側鉆分支、不用反復起下鉆具、施工工序簡單、可以和測斜儀器配合準確控制鉆孔軌跡等特點，是定向鉆進的關鍵［6］。

根據鉆進工藝的需要，選用了1.25°和1.5°的螺桿馬達。1.25°的螺桿馬達主要用于鉆孔穩斜鉆進，1.5°的螺桿馬達主要用于鉆孔強造斜鉆進。

2.4 配套鉆具

(1)泥漿泵。泥漿泵用于提供鉆進時排粉及定向鉆進孔底動力需要的沖洗液。可選用衡陽探礦機械廠生產的3NB－300/12－45型泥漿泵，該泵屬電驅機械變量臥式三缸單作用往復柱塞泵，具有壓力高、泵量大的特點，可用于孔徑90～200 mm、孔深800 m的全面或取芯鉆進。

(2)鉆桿。煤層底板超前注漿加固定向鉆孔施工時，施工工藝較復雜，需要綜合采用回鉆鉆進、定向鉆進等多種工藝方法，為保障施工正常進行，研制選配了中心通纜鉆桿、外平鉆桿、無磁鉆桿、螺旋鉆桿和順孔鉆具等5種鉆桿。其中中心通纜鉆桿主要用于螺桿馬達定向鉆進時隨鉆測量信號傳輸;外平鉆桿用于回轉鉆進;無磁鉆桿用于螺桿馬達定向鉆進時為測量儀器提供無磁環境;螺旋鉆桿主要用于套管段施工時排渣保直;順孔鉆具主要用于套管段施工時鉆孔順孔，以便于套管下入。以上鉆桿實物見圖4所示。

圖4 鉆桿實物

(3)鉆頭。煤層底板超前注漿加固定向鉆孔結構復雜，尺寸較多，為滿足施工需要，共研制選型了5種規格型號鉆頭，分別用于不同孔徑段施工，實物如圖5所示。

圖5 鉆頭實物

(4)穩定器。穩定器用于鉆頭和鉆桿或鉆桿和鉆桿之間的連接，起到穩定鉆具和控制鉆孔軌跡的作用。在回轉鉆進施工階段，通過調整穩定器的位置形成不同的鉆具組合，以達到鉆孔保直或造斜的鉆進效果。

研制了直徑為95 mm和113 mm 2種規格穩定器，實物如圖6所示。

圖6 穩定器實物

(5)中心通纜式單向閥。由于底板加固定向鉆孔施工時，孔內經常會出水，且出水量和出水壓力均較大，為避免高壓出水從鉆桿內流出，研制了中心通纜式單向閥，其既可以傳遞測量信號，還可以起到單向液流控制作用，實物如圖7所示。

圖7 中心通纜式單向閥實物

(6)水便。水便分為中心通纜式水便和普通水便兩種，其中普通水便用于和外平鉆桿連接進行回轉鉆進施工;中心通纜式水便不但能保證鉆孔過程中正常的沖洗液流通，而且能夠進行定向鉆進隨鉆測量信號傳輸，用于隨鉆測量定向鉆進施工。中心通纜式水便的中心通纜裝置被固定于水便內，信號傳輸體的外層均設有絕緣層，用以保證信號的正常傳輸。工作時，信號從通纜水便右端探頭輸入，從水便左端的快速接線柱輸出至孔口防爆計算機，進行數據接收分析。

3 鉆孔設計

3.1 加固層位及鉆孔間距

通過分析我國水害較嚴重區域煤層底板情況，定向鉆孔的布孔層位可布置太原組中上段，具體層位的選取可根據底板地層埋深情況及巖層硬度是否適合定向鉆進范圍來確定。

定向鉆孔時鉆孔間距按照鉆孔單孔注漿擴散半徑確定，一般注漿擴散半徑為25～30 m，因此在設計定向鉆孔時鉆孔間距確定為50～60 m。

3.2 鉆孔結構設計

煤層底板超前注漿加固定向鉆孔由于要進行多次高壓注漿，需要下入多級套管以封固孔口煤層和不穩定地層，為后期注漿上壓提供基礎，且鉆具組合復雜、尺寸較大，因此應對鉆孔結構進行合理設計，各級套管間間隙應滿足施工要求，并保證后期定向鉆孔孔徑滿足設計要求。鉆孔可由套管孔段、回轉鉆進孔段、定向造斜孔段和定向穩斜孔段組成，鉆孔結構設計如圖8所示。

圖8 鉆孔結構示意

3.3 鉆孔布置與軌跡設計

(1)鉆孔方位設計。定向鉆孔為達到整個工作面超前注漿加固目的，應盡量沿工作面方向布置，且僅設計1個定向鉆孔是不夠的，需要布置1個集束型鉆孔群。集束型鉆孔群設計時，先確定中間鉆孔的開孔方位，再根據鉆孔注漿加固半徑合理設計兩邊鉆孔的開孔方位及方位變化規律，保證鉆孔水平穩斜段間距控制在注漿加固范圍內。所有鉆孔的主設計方位和水平穩斜段方位均應與工作面平行。

(2)開孔傾角設計。鉆孔傾角設計時候主要考慮以下4個因素:①鉆孔排渣;②定向造斜段的施工;③L8灰巖前隔水層主要為泥巖，容易發生各種鉆探事故，部分地區L8灰巖層堅硬鉆進困難，因此應盡量減少這2部分孔段的距離;④鉆孔傾角越大，越容易發生掉鉆等事故，且由于巷道空間有限，不利用施工操作。綜合以上考慮設計鉆孔開孔傾角為－20°～ －25°。

(3)套管段設計。套管段設計時根據設計鉆孔結構的不同，進行不同的設計。第1級套管下入到孔口以下垂距10 m位置;第2級套管下入到穩定地層以下垂距3 m位置;如果下入第3級套管則設計長度為進入L8灰巖1 m的位置。所有套管均應滿足試壓要求。

(4)回轉鉆進段設計。回轉鉆進段位于套管段和定向鉆進段之間，用于堅硬地層或不穩定地層施工，以保證定向鉆具的安全。回轉鉆進段設計時應考慮擬選用的穩定組合鉆具性能設計鉆孔的傾角變化情況。

(6)定向造斜段設計。當鉆進至目的層位后，需下入螺桿馬達定向鉆具盡快調整鉆孔傾角至與目的層位平行，且位于目的層位中。定向造斜段設計時應充分考慮地層起伏狀況，并考慮到使用的螺桿鉆具造斜能力及通纜鉆桿彎曲強度，合理設計傾角和方位角造斜強度。

(7)定向穩斜段設計。定向鉆孔進入目的層后，應盡量在目的層內延伸。定向鉆孔水平穩斜段設計時以地層傾角及起伏狀況為依據，使鉆孔設計傾角與地層相一致，盡量沿著目的層位鉆進。水平穩斜段長度設計時計算依據為鉆孔設計總長度－直孔段長度－造斜段長度。

4 鉆進工藝

4.1 鉆進工藝流程

煤層底板超前注漿加固定向鉆孔鉆進時需要綜合采用螺旋鉆桿回轉鉆進、穩定組合鉆具定向鉆進和螺桿馬達隨鉆測量定向鉆進等多種工藝方法耦合。鉆孔成孔工藝流程見圖9所示。鉆進時首先采用螺旋鉆桿回轉鉆進工藝進行套管段施工，成功下入設計結構的套管并試壓合格;然后采用穩定組合鉆具定向鉆進工藝鉆穿堅硬地層至目的層位，使鉆孔傾角略為增加，以減少后期定向鉆進傾角調整難度;再使用螺桿馬達隨鉆測量定向鉆進完成定向造斜段和穩斜段施工，使鉆孔按設計軌跡在目的巖層中延伸直至達到設計要求。

圖9 鉆孔施工工藝流程

4.2 定向鉆進與原理

定向鉆孔的主要孔段需要采用隨鉆測量定向鉆進技術進行定向鉆進。該技術將隨鉆測量與螺桿馬達孔底鉆進技術結合，以螺桿馬達為孔底碎巖動力，通過安裝固定在螺桿馬達后無磁外管內的隨鉆測量探管實時監測鉆孔軌跡參數和螺桿馬達工具面參數，對比實鉆軌跡與設計軌跡的偏差，調整彎頭方向來調整工具面向角并保持鉆進過程中不發生變化，使鉆孔朝設計方向鉆進，從而對鉆孔的傾角和方位進行較為直觀、精確的控制。

采用螺桿鉆具進行定向鉆孔鉆進時，整個鉆桿不旋轉，僅螺桿鉆具和鉆頭回轉碎巖鉆進，減少了鉆桿與孔壁的摩擦阻力，因而在較小動力損失的情況下就能達到較大的鉆進能力［7］。在定向鉆孔的施工中，選用合適口徑的螺桿鉆具用于造斜鉆進或正常定向鉆進時，不同大小的螺桿彎角可達到不同的造斜效果。

5 現場應用

煤層底板超前注漿加固定向鉆進技術與裝備在焦煤集團趙固一礦11151工作面進行了應用，試驗目的是加固11151工作面煤層底板，保障工作面巷道掘進及回采安全。

5.1 工作面概況

11151工作面位于趙固一礦東盤區，工作面走向長460 m，寬195 m，工作面煤層為21煤層，煤層厚度為6.0～6.4 m，平均厚度為6.24 m，回采面積89 700 m2，可采儲量75.9萬t。煤層賦存穩定，結構較簡單產狀為 S4°～90°W∠0°～6.6°。

該工作面水文地質條件較復雜，主要充水水源為底板L8灰巖水，L8灰巖厚7.8～9 m，隔水層厚度為24～27 m，水壓為4.8～5.4 MPa，突水系數為0.225 MPa/m，存在有突水危險性。

5.2 鉆孔設計

11151工作面為預留工作面，暫時未計劃進行開采。為進行定向鉆孔施工共布置了2個鉆場，均在回風巷道內，且回風巷道為煤巷。

鉆孔設計時先在11151上巷迎頭處設置1個鉆場即1#鉆場，在該鉆場設計了1#和5#鉆孔。其中1#定向鉆孔設計為沿11151上巷延伸，為未來11151上巷掘進超前探水和底板加固，5#定向鉆孔設計為沿11151下巷延伸，為未來11151下巷掘進超前探水和底板加固。

1#和5#鉆孔施工完成后，將鉆場搬至東回風巷道內11151上巷以西75 m處，即2#鉆場，并設計了3個鉆孔，加固11151工作面上下巷之間的底板。3個定向鉆孔穩斜段距離11151上巷平距分別為50 m、100 m和150 m，鉆孔設計要求其相對開孔點左右位移為－25 m、25 m和75 m。定向鉆孔均應平行于11151工作面，鉆孔主設計方位均為149.3°。

鉆孔設計參數見表1，設計平面圖見圖10。

表1 定向鉆孔設計參數

圖10 鉆孔設計與實鉆剖面

5.3 鉆孔施工

現場試驗時采用上述鉆進裝備和鉆進工藝，在趙固一礦東區11151工作面的2個鉆場一共施工了6個鉆孔，其中在東區11151工作面上巷迎頭共施工2個鉆孔，分別為1#鉆孔和5#鉆孔;在東回風巷道內11151工作面上巷以西75 m處鉆場施工4個鉆孔，分別為 2#、4#、3#和 5 － 補#鉆孔。施工完成的6個定向鉆孔，終孔孔徑均為96 mm，所有鉆孔的軌跡偏差均控制在5‰以內，鉆孔深度均大于400 m，總進尺達到3 455 m，鉆孔施工參數見表2，鉆孔實鉆軌跡平面圖見圖10。

表2 定向鉆孔實鉆數據 m

5.4 注漿效果分析

現場試驗施工過程中，鉆孔成孔后采取分段注漿的形式進行底板加固，以保證鉆孔的注漿效果，即鉆孔遇出水大于30 m3/h或鉆孔進尺達到100 m，則提鉆進行高壓注漿，每次注漿壓力達到13 MPa后，注漿結束。

現場試驗完成的6個定向鉆孔，鉆孔完成次序為 1#鉆孔、5#鉆孔、4#鉆孔、2#鉆孔、5 － 補#鉆孔及 3#鉆孔，6個鉆孔共注入黏土水泥漿18 310.81 m3，水泥1 642.09 t，黏土4 289.012 t，干料合計5 931.102 t。6個鉆孔出水及注漿情況見表3，從鉆孔出水量和注漿量可以看出先施工的定向鉆孔出水最多，同時注漿量也最多，由于先施工的定向鉆孔區域注漿影響使得后施工的定向鉆孔出水量和注漿量明顯減少，充分體現了定向鉆孔區域注漿的效果。

表3 鉆孔出水次數、出水量及注漿量統計

11151工作面上巷和下巷掘進過程中，未出現底板起鼓或突水現象。此外在鉆場內布置了72個常規檢驗孔，定向鉆孔注漿加固范圍內的檢驗孔施工時孔內出水量均未超過規定值，底板注漿加固效果顯著。

6 結論

采用隨鉆測量定向鉆進技術施工煤層底板超前注漿加固定向鉆孔進行注漿堵水是定向鉆進技術在防治水領域的重要推廣，豐富和完善了煤礦底板水害防治手段，實現了煤層底板水害超前防治的重大突破，對煤礦安全高效開采意義重大。

(1)研制的新型定向鉆機及其配套裝備具備強大的鉆孔事故處理能力，還可通過分支孔施工技術，繞開危險孔段，用于煤層底板注漿加固定向鉆進，取得了良好的使用效果，保障施工安全進行。

(1)針對煤層底板注漿加固定向鉆孔施工特點，研究了鉆孔設計方法和鉆進成孔工藝，形成了一套系統工藝方法，很好地保障了定向鉆孔的施工。

(1)試驗孔注漿情況及檢驗孔施工情況均表明采用定向鉆孔進行底板注漿加固效果明顯，煤層底板注漿加固定向鉆孔可與常規回鉆注漿加固鉆孔結合取得良好的底板加固效果，保障了煤礦安全生產。

［1］ 丁 華，徐建文，張海君.淺談煤礦底板突水機理及防治［J］.山西焦煤科技，2011(4):35-37.

［2］ 徐建文，王 平，田素川，等.礦井突水災害防治技術淺析［J］.煤炭技術，2010，29(12):89-90.

［3］ 姚寧平，張 杰，李喬喬.煤礦井下近水平定向鉆技術研究與應用［J］.煤炭科學技術，2011，39(10):53-57.

［4］ 姚寧平.我國煤礦井下近水平定向鉆進技術的發展［J］.煤田地質與勘探，2008，36(4):78-80.

［5］ 鄧 華，修 濤.煤礦底板突水因素分析及防治［J］.山東煤炭科技，2011(4):221-222.

［6］ 姚寧平，姚亞峰，張 杰，等.煤礦井下梳狀定向孔鉆進技術與裝備［J］.煤炭科學技術，2012，40(10):12-16.

［7］ 石智軍，田宏亮，田東莊，等.煤礦井下隨鉆測量定向鉆進使用手冊［M］.北京:地質出版社，2012.