靈新煤礦底板寶塔山砂巖含水層放水鉆孔施工工藝及應(yīng)用

王繼承， 金萬(wàn)海

(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)能源工程公司，寧夏 銀川 750002)

隨著靈新煤礦開采深度逐漸增加，計(jì)劃近期開采六采區(qū)下組煤，受到底板寶塔山砂巖水的威脅凸顯，開采14、15、16煤所面臨的底板水害威脅沒有臨近礦井的經(jīng)驗(yàn)可以參考，本礦井及臨近礦井對(duì)頂板水探放鉆孔施工工藝成熟，但對(duì)底板水探放鉆孔施工工藝及技術(shù)措施尚未有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。成功施工放水鉆孔是開展放水試驗(yàn)來評(píng)價(jià)寶塔山砂巖的可疏性及計(jì)算水文地質(zhì)參數(shù)的重要前提。結(jié)合靈新煤礦底板地層條件，通過現(xiàn)場(chǎng)試探不斷摸索出一套底板孔鉆探工藝、沖洗液配置、取心工藝和固管措施，最終高質(zhì)量完成了6個(gè)底板鉆孔，為將來底板寶塔山砂巖水探放鉆孔布置、施工工藝等問題提供依據(jù)。

1 六采區(qū)底板水探查孔施工必要性

根據(jù)地質(zhì)勘探鉆孔資料顯示16煤底板隔水層以下為寶塔山砂巖含水層，巖性主要為河床相沉積的中、粗粒沙巖，底部含有礫石，含水層以裂隙為主，孔隙為輔，裂隙率為7.6%，孔隙率為2.5%，合計(jì)給水度10.1%。一采區(qū)抽水試驗(yàn)顯示該含水層單位涌水量為0.293 L/(s·m) 和0.415 L/(s·m)，該含水層富水性中等。

靈新煤礦六采區(qū)706號(hào)水文鉆孔顯示該含水層靜水位標(biāo)高為+1 108 m，水位標(biāo)高超過六采區(qū)的最低標(biāo)高+855 m約253 m，靜水位壓力達(dá)到了2.5 MPa，16煤距寶塔山砂巖含水層頂板按12 m計(jì)算，突水系數(shù)T=0.207 MPa/m，大于《煤礦防治水規(guī)定》中正常塊段0.1 MPa/m標(biāo)準(zhǔn)，加之該采區(qū)可能存在未揭露的隱伏構(gòu)造，存在底板突水危險(xiǎn)。為確保礦井生產(chǎn)安全，準(zhǔn)確掌握寶塔山砂巖含水層水文地質(zhì)條件已顯得非常重要和緊迫。

2 放水試驗(yàn)鉆孔布置及鉆孔結(jié)構(gòu)

如圖1所示本次放水試驗(yàn)共布置4個(gè)下斜鉆孔，以及2個(gè)機(jī)動(dòng)下斜鉆孔。G1、G2鉆孔布置在+985 m水平，F(xiàn)S1、FS2鉆孔布置在+855m水平，2個(gè)機(jī)動(dòng)鉆孔位置待定；放水鉆孔設(shè)置在利于排水的區(qū)域。放水孔FS1鉆孔距離FS2鉆孔間距約120 m，G1距G2觀測(cè)孔約20 m，距706觀測(cè)孔約140 m。

圖1 放水試驗(yàn)探查孔布置圖

放水孔經(jīng)過三次換徑，采用三級(jí)結(jié)構(gòu)：

一開孔段：開孔孔徑Φ180 mm，鉆進(jìn)至9.5 m，下入Φ168 mm孔口管9 m；

二開孔段：二開孔徑Φ146 mm，鉆進(jìn)至16煤底板下1 m，下入Φ108 mm孔口管；

三開孔段：孔徑Φ85 mm，根據(jù)巖石力學(xué)物理參數(shù)成果，結(jié)合水壓、涌水量、水化學(xué)指標(biāo)等情況可對(duì)進(jìn)入含水層底板后的鉆探長(zhǎng)度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。將G1鉆孔鉆進(jìn)至寶塔山砂巖底板以下15 m(垂深)終孔，將FS1鉆孔取心鉆進(jìn)至寶塔山砂巖底板以下60 m(垂深)終孔，剩余4個(gè)鉆孔變更為鉆進(jìn)至寶塔山砂巖底板以下5 m(垂深)終孔。

3 探查鉆孔參數(shù)優(yōu)化

由于施工區(qū)段巷道高度4 m左右，若按原設(shè)計(jì)施工垂直鉆孔則鉆場(chǎng)高度需要達(dá)到6 m，施工時(shí)需搭高空作業(yè)平臺(tái)、巷道挑頂、支護(hù)等，施工難度大、工期長(zhǎng)且工程量大，鑒于此種情況將垂直鉆孔變更為傾斜鉆孔，并對(duì)鉆孔開孔位置及開孔參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

從技術(shù)方面分析，垂直鉆孔與傾斜鉆孔揭露巖層層位相同，傾斜鉆孔在寶塔山砂巖含水層中揭露長(zhǎng)度更長(zhǎng)，利于放水試驗(yàn)，且在同地層中將斜孔涌水量換算成直孔對(duì)求參結(jié)果無影響，所以技術(shù)可行；從經(jīng)濟(jì)方面分析，變更為傾斜鉆孔后不再需要施工鉆窩，省去因施工六個(gè)鉆窩而產(chǎn)生的開挖巖石工程量946.2 m3，經(jīng)濟(jì)上較為合理；從安全方面分析，變更后利用原有巷道布置鉆場(chǎng)，避免挑頂工序，最大限度保障施工安全，杜絕了施工中的在重大危險(xiǎn)源。

4 鉆探?jīng)_洗液技術(shù)

由于靈新煤礦16煤底板地層地質(zhì)條件復(fù)雜，下斜鉆孔深度的增加，經(jīng)常遇到的破碎、泥砂巖互層等復(fù)雜地層。在下斜孔鉆探施工中，遇到這類地層，對(duì)沖洗液的性能及維護(hù)要求相當(dāng)嚴(yán)格，處理不當(dāng)將產(chǎn)生包鉆、卡鉆、塌孔等一系列孔內(nèi)事故。

根據(jù)鉆機(jī)型號(hào)和泥漿泵型號(hào)，配掘一個(gè)臨時(shí)泥漿池，長(zhǎng)1.5 m×寬1.5 m×高1 m。

利用膨潤(rùn)土沖洗液材料，其攜帶巖屑能力強(qiáng)，可抑制鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢。對(duì)于易掉塊、坍塌的破碎地層，需適當(dāng)提高沖洗液的密度、粘度，保證沖洗液具有所需要的巖屑懸浮力。孔壁穩(wěn)定，泥漿流動(dòng)性好，進(jìn)尺效率較高，正常鉆進(jìn)時(shí)每天進(jìn)尺 50～80 m，鉆桿內(nèi)壁不結(jié)泥皮。沖洗液材料比較容易分散，整個(gè)配制沖洗液過程只需30～40 min即可完成，總體方法簡(jiǎn)單，使用方便，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)配沖洗液照片

5 鉆孔施工工藝

采用ZDY-4000S井下坑道鉆機(jī)施工下斜孔，在鉆窩底板打設(shè)4根金屬錨桿，用兩根工字鋼將鉆機(jī)底盤前后分別固定牢固，保證運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不晃動(dòng)，能應(yīng)付孔內(nèi)突然水壓加大。然后打好立(斜)柱，卡緊頂牢，立柱頂、底要支撐在堅(jiān)硬完整的巖石柱窩內(nèi)，嚴(yán)禁打在松動(dòng)的浮石上。

首先將鉆頭和鉆桿靠螺紋聯(lián)接在一起，再將鉆桿插入鉆機(jī)上，并將高壓泥漿泵打開通入鉆桿進(jìn)水道。向下打孔時(shí)，將鉆機(jī)調(diào)整角度，鉆頭斜向下，開動(dòng)鉆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)鉆桿和開啟泥漿泵，隨著鉆機(jī)的運(yùn)行，鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)破碎巖屑，鉆頭切削下的巖屑被破碎達(dá)到一定粒徑后，通過鉆頭前端的小孔噴出沖洗液，巖屑在高水流和沖洗液浮力作用下，沿著鉆孔壁向上順利排出孔外，隨著孔深的加大，孔底巖屑按照以上工藝不斷排出孔外，巖屑不在孔壁和鉆桿間停留而阻止鉆桿的轉(zhuǎn)動(dòng)使打孔深度不斷增加，最終鉆孔深度達(dá)到目的層。

在鉆進(jìn)過程中為防止大流量高壓水突然噴出造成人員傷害，采取孔口加裝防噴裝置，防噴裝置安裝在孔口法蘭盤，通過改變水流方向，提高施工安全性，如圖3所示。

圖3 底板鉆孔現(xiàn)場(chǎng)施工圖

6 鉆孔取心工藝

鉆井取心時(shí)，取心鉆頭在垂直載荷和扭矩的聯(lián)合作用下，對(duì)井底的巖石進(jìn)行環(huán)形破碎，中間保留一圓柱狀巖心進(jìn)入巖心筒，當(dāng)鉆進(jìn)取心到一定長(zhǎng)度后，采用與工具相匹配的方法和措施，將鉆頭端部的巖心割斷后起鉆，取心工具與鉆具一起提出地面后，即可取出巖心筒內(nèi)的巖心。

為提高巖心取心率，防止提鉆過程中取心管內(nèi)巖心滑出，特改進(jìn)了取心管結(jié)構(gòu)，在取心管前段安裝一套卡心器，在取心管接觸巖層時(shí)，卡心器自動(dòng)張開，取心管正常取心，在提鉆時(shí)卡心器自動(dòng)合攏，卡主巖心防止滑落，并有效提高了取心率，根據(jù)靈新煤礦FS1鉆孔取心情況，取心率達(dá)到95%以上。如圖4所示。

圖4 取心鉆探示意圖

7 固管工藝

該區(qū)域底板水為高承壓水，為施工過程中和放水過程中的安全，必須下設(shè)規(guī)定長(zhǎng)度的止水套管，使用水泥漿進(jìn)行固孔。

下設(shè)兩套不同孔徑的止水套管，然后采用多次加壓注漿工藝，注水泥漿固管。48 h后透孔，注入清水做耐壓試驗(yàn)，持續(xù)加壓30 min，孔口及孔壁周圍無滲水、漏水，無突然泄壓，試驗(yàn)合格。

在靈新煤礦施工的底板鉆孔，止水套管固管難度大，且多次耐壓試驗(yàn)失敗，注漿過程中發(fā)現(xiàn)漿液從巷道下幫及旁邊泥漿池溢出，分析認(rèn)為+985 m車場(chǎng)石門巷道底板受圍巖壓力，施工巷道及泥漿池時(shí)放炮擾動(dòng)，使巷道底板巖層出現(xiàn)較大破碎帶，破碎帶不小于4 m；G1鉆孔二開套管施工至15煤底板時(shí)，需要多次注漿才能使套管壓力達(dá)到要求，分析認(rèn)為15煤頂板發(fā)生厚生沖刷，巖性為厚層狀砂巖、弱含水性，不利于注漿，且16煤頂?shù)装逵心噘|(zhì)膠結(jié)的砂巖、粉砂巖，遇水發(fā)生膨脹，容易塌孔和堵孔。

后采取延長(zhǎng)止水套管長(zhǎng)度，注漿采用間歇式注漿，延長(zhǎng)候凝時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)耐壓試驗(yàn)合格。

8 結(jié)論

(1)為實(shí)現(xiàn)靈新煤礦順利開展底板水放水試驗(yàn)，結(jié)合該煤礦現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)鉆孔布置位置和鉆孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工，根據(jù)前期鉆探情況不斷摸索、優(yōu)化調(diào)整措施，解決了常規(guī)底板鉆孔存在的問題，實(shí)現(xiàn)底板鉆孔的安全有效施工。

(2)通過靈新煤礦六采區(qū)現(xiàn)場(chǎng)鉆探試驗(yàn)，總結(jié)了底板鉆孔鉆進(jìn)各節(jié)點(diǎn)注意事項(xiàng)，為底板孔施工技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。

(3)煤層底板高承壓含水層鉆孔施工技術(shù)是不斷發(fā)展的，這些鉆孔施工工藝不可能全部適應(yīng)下一步探放水鉆孔施工要求，應(yīng)積極不斷探索新技術(shù)、新工藝，進(jìn)一步簡(jiǎn)化鉆孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高鉆孔成孔率和安全性。