定向鉆孔探煤技術研究

趙子葵

(延安市禾草溝煤業(yè)有限公司，陜西 延安 716000)

0 引言

我國煤炭資源豐富，但是隨著我國煤礦開采深度的增加，地質條件也隨之變得愈加復雜，煤層間距、厚度變化越大[1-2]。在井田開拓延伸過程中，經常會遇到復雜的地質構造，同樣會揭開潛在煤層。在巷道掘進的過程中，掘進工作面前方地質構造不明確，同時存在誤揭煤層的危險性[3]。通過有效的定向鉆孔進行探煤工作顯得尤為必要。目前，對地質構造的勘探手段主要有地面三維地震、井下槽波地震、電勘探法等物探手段。這些手段存在勘探精度低、不準確，對工作面布置和順槽掘進的指導性不強等缺點。煤礦井下定向鉆進技術是指在煤巷或巖巷內沿設計方向按照預先設計的鉆孔軌跡進行定向施工鉆孔技術。隨著煤礦井下定向鉆進技術及裝備不斷改進和完善，其應用領域也不斷擴大，目前，該項技術已逐漸應用于煤層頂板高位鉆孔、頂底板梳狀瓦斯抽采鉆孔、地質勘探鉆孔、長距離探放水鉆孔以及煤層頂底板注漿加固鉆孔等煤礦井下鉆孔工程[4-6]。蜀河興煤礦經過現場進行鉆煤探孔驗證，利用探煤技術探明煤層走向，鉆孔預測結果準確，對我國煤礦定向鉆孔探煤預測技術研究具有指導作用[7]。針對近煤層巖巷掘進過程中存在誤揭煤層而導致煤與瓦斯事故，為保證掘進工作面施工安全，賈曉亮[8]提出近煤層巖巷掘進工作面“兩探一預測”的探煤技術，并在宏發(fā)煤礦+1 650 m集中運輸大巷得到驗證。

井下千米定向鉆進技術具有單孔成孔距離長、鉆探軌跡可控、鉆進效率高等優(yōu)點[9]，所以在煤礦井下針對相近煤層以及不明確的地質構造進行定向鉆孔探測可發(fā)揮顯著的作用。定向探煤鉆孔即在預計距離煤層最小法向距離前，向巷道前方定向施工穿透頂底板煤層的鉆孔，分別控制巷道前方上下左右的煤層[11-12]。

1 概述

延安市禾草溝煤業(yè)有限公司成立于2010年，公司位于延安市子長礦區(qū)，是國有大型煤炭開采和加工企業(yè)。其擁有稀缺優(yōu)質45#氣煤煤炭資源，屬于國家明確規(guī)定的“兩區(qū)一種”保護性開發(fā)資源。該礦商品煤生產能力3.0 Mt/a，主要由礦井和配套洗煤廠組成。

根據已知地質資料，禾草溝煤礦位于鄂爾多斯盆地陜北三疊紀煤田子長礦區(qū)的西南部，構造位置為鄂爾多斯盆地之延安斜坡中部、屬于構造相對穩(wěn)定的區(qū)段。構造形態(tài)總體為北西向緩傾的單斜構造，局部發(fā)育有寬緩的波狀起伏。區(qū)內主要為近水平的平緩單斜地層，傾向NW，傾角為1°～3°，東部邊緣地帶有古河道沖刷帶。區(qū)內含煤地層為三疊系上統(tǒng)瓦窯堡組，勘探鉆孔揭露該組地層平均厚度為273.95 m，含煤層(煤線)8層，自上而下編為5上、5、4、3-1、3-2、3-3、2、1煤層，煤層總厚度平均9.33 m，含煤系數為3.4%，可采煤層厚度平均3.32 m，可采煤層含煤系數為1.2%[10]。其中5、3-2煤層全區(qū)分布，2煤層局部可采，其余煤層均不可采。具有開采價值的5、3-2、2煤層的煤層穩(wěn)定性評價見表1。

表1 煤層穩(wěn)定性評價

根據已揭露地質情況及鉆孔(H109-H110)資料分析，禾草溝煤礦50214回風巷巷道頂板為油頁巖與鋁土質泥巖互層且層理發(fā)育的復合頂板，底板為泥質粉砂巖。煤層頂底板及其變化情況見表2。

表2 煤層頂底板及其變化情況

巷道工作面掘進至1 295 m時，揭露沖刷帶，目前沿沖刷帶掘進140 m，東西向影響范圍預計600 m，南部向影響范圍預計100 m。為了探明巷道工作面內部及掘進工作面前方煤層賦存情況，利用定向鉆孔探煤技術進行精確探煤，避免在巷道掘進過程中發(fā)生誤揭煤層、瓦斯突出等危險。

2 鉆探設計

鉆探定向鉆孔是利用已知的地質資料，如巖層與煤層的厚度、傾角、硬度變化、埋藏深度等。在施工所允許范圍內有規(guī)律地隨著深度的變化改變鉆孔傾角，使鉆孔以理想的角度穿過礦體。禾草溝煤礦定向鉆孔探煤技術具體設計參數如下。

2.1 鉆孔方位角及傾角設計

50214工作面回風巷掘進方位角為269.3°，總計布置3個鉆孔。1#鉆孔的設計開孔方位角為332.3°；2#鉆孔的設計開孔方位角為269.3°；3#鉆孔的設計開孔方位角為50°(開孔位置根據鉆場的實際寬度確定距南幫的距離，根據開孔位置確定開孔方位角)。

各個探煤鉆孔具體施工過程：1#鉆孔沿方位332.3°施工228 m，50 m加補分支鉆孔探頂；2#鉆孔沿方位270.7°施工500 m，50 m加補分支鉆孔探頂；3#鉆孔沿方位50°施工280 m，50 m加補分支鉆孔探頂。根據5號煤層底板等高線可知，預計1#鉆孔開孔傾角為-5°，鉆進至巖石層傾角調整為0°；2#鉆孔開孔傾角為-5°，鉆進至巖石層傾角調整為0°；3#鉆孔開孔傾角為-5°，鉆進至巖石層傾角調整為0°。

2.2 鉆孔軌跡設計

探煤鉆孔沿油頁巖底板砂巖定向鉆進。施工順序為1#、2#、3#鉆孔依次施工。為確保鉆孔能精準尋找到煤層，定向鉆孔在施工過程中需要主動探頂施工，鉆孔預計每50 m進行一次主動探頂作業(yè)，每次主動探頂施工預計有6 m左右，鉆孔軌跡平面圖如圖1所示。1#、2#、3#鉆孔的剖面圖分別如圖2、3、4所示。

圖1 鉆孔軌跡平面

圖2 1#鉆孔軌跡剖面

圖3 2#鉆孔軌跡剖面

圖4 3#鉆孔軌跡剖面

2.3 鉆孔施工

鉆場配備ZDY-6000LD(B)型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機和履帶式泥漿泵車。煤礦井下定向鉆孔是采用水力排渣、隨鉆測量的一種鉆孔施工工藝，主要是利用泥漿泵將靜壓水通過加壓以后，通過鉆桿內側供水通道送達至孔底，然后再驅動孔底螺桿馬達旋轉，為鉆頭旋轉切削煤巖提供動力。加壓水沿著鉆桿與孔壁之間的間隙排除孔內的鉆屑。在施工過程中通過隨鉆測量系統(tǒng)實時測出孔底鉆具的具體空間參數，比如傾角、方位角、工具面向角等。現場操作人員通過對比施工參數與設計參數，調整孔底鉆具工具面向角，然后進行下一次鉆進，依次按照此步驟施工直至實際鉆孔軌跡沿著設計軌跡鉆進至終孔。

定向鉆孔施工前必須將鉆孔的設計參數導入井下電腦以指導定向鉆進，定向鉆進流程如圖5所示。具體是：下入定向鉆具→校正孔口工具面初值→定向鉆進3 m或者6 m→測量一次當前鉆孔孔底參數→對比設計軌跡參數→調整孔底馬達工具面→下一次鉆進，每鉆進一次就要進行一次探管檢測，檢測鉆孔孔底當前傾角、方位角，然后調整孔底馬達繼續(xù)鉆進，依次進行下去至終孔。

圖5 定向鉆進流程

3 定向鉆孔工藝效果

3.1 1#鉆孔施工

1#鉆孔施工情況：1#鉆孔于4月15日夜班開孔，開孔方位角334.2°，開孔傾角-5°，4月18日早班完成1#主孔施工，主孔孔深207 m，共計設計2個分支，其中3次探到煤層頂板，按照實際進尺計取96 m，累計進尺303 m。

1#鉆孔施工流程：①1#鉆孔開孔后鉆孔按傾角-5°施工，孔深90 m后開始增傾角進行主動探頂，111 m位置見煤，后繼續(xù)鉆進至129 m(1-1#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度1.2 m；②提鉆至孔深90 m處開分支鉆孔，108 m后開始增傾角進行主動探頂，138 m位置見煤，鉆進至孔深147 m(1-2#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度1.6 m；③提鉆至孔深108 m處開分支鉆孔，111 m后開始增傾角進行主動探頂，138 m位置見煤，鉆進至孔深207 m(1-3#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度1.9 m。

具體施工情況見表3。

表3 1#鉆孔施工情況

3.2 2#鉆孔施工

2#鉆孔施工情況：2#鉆孔于4月19日夜班開孔，開孔方位角274.15°，開孔傾角-5°，4月25日中班完成2#主孔施工，主孔孔深411 m，共開分支2個，其中2次探到煤層頂板，按照實際進尺計取153 m，累計進尺564 m。

2#鉆孔施工流程：①2#鉆孔開孔后鉆孔按傾角-5°施工，孔深114 m后開始增傾角進行主動探頂，153 m位置見煤，后繼續(xù)鉆進至171 m(2-1#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度1.9 m；②提鉆至孔深114 m處開分支鉆孔，351 m后開始增傾角進行主動探頂，195 m位置見煤，鉆進至孔深411 m(2-2#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度2.5 m；③提鉆至孔深54 m處開分支鉆孔，66 m后開始增傾角進行主動探頂，126 m位置見煤，鉆進至孔深138 m(2-3#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度1.2 m。

具體施工情況見表4。

表4 2#鉆孔施工情況

3.3 3#鉆孔施工

3#鉆孔施工情況：3#鉆孔于4月26日夜班開孔，開孔方位角50.3°，開孔傾角-5°，5月1日中班完成3#主孔施工，主孔孔深303 m，共開分支3個，其中4次探到煤層頂板，按照實際進尺計取204 m，累計進尺507 m。

3#鉆孔施工流程：①3#鉆孔開孔后鉆孔按傾角-7°施工，孔深78 m后開始增傾角進行主動探頂，鉆進至180 m(3-1#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度0 m；②提鉆至孔深108 m處開分支鉆孔，135 m后開始增傾角進行主動探頂，222 m位置見煤，鉆進至孔深243 m(3-2#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度0.16 m；③提鉆至孔深180 m處開分支鉆孔，186 m后開始增傾角進行主動探頂，240 m位置見煤，鉆進至孔深255 m(3-3#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度1.05 m；④提鉆至孔深192 m處開分支鉆孔，201 m后開始增傾角進行主動探頂，276 m位置見煤，鉆進至孔深303 m(3-4#鉆孔)，確定是煤層頂板，煤層厚度2.3 m。

具體施工情況見表5。

表5 3#鉆孔施工情況

根據3個鉆孔的施工結果分析來看，本次施工3個定向探煤鉆孔平均主動向上探頂3次，1#定向探煤鉆孔向上探頂3次，在巷道北幫103 m處探到煤厚1.2 m；巷道北幫128 m處探到煤厚1.6 m；在巷道北幫177 m處探到煤厚1.6 m；巷道北幫182 m處探到煤厚1.9 m。

2#定向探煤鉆孔向上探頂3次，在鉆場前方129 m處探到煤厚1.2 m；在鉆場前方153 m處探到煤厚1.9 m；鉆場前方378 m處探到煤厚2.5 m。

3#定向探煤鉆孔向上探頂4次，在巷道北幫158 m處探到煤厚1.05 m；巷道北幫182 m處探到煤厚2.3 m；終孔時沒有出水，未見瓦斯、CO及硫化氫氣體涌出異常。

4 結論

(1)在普通定向鉆孔的基礎之上，研究了隨鉆孔深度的變化改變鉆孔傾角，每隔一定距離向上主動探頂，實現定向鉆孔定方向鉆進。

(2)從3個定向探煤鉆孔施工結果的角度分析，每個定向探煤鉆孔平均通過3次主動探頂實現精準探煤，并且施工工作量少，效率高。

(3)針對禾草溝50214回風巷工作面布置的定向鉆孔，通過定向鉆孔超前鉆探不僅可以實現精準探煤，還可有效探測大斷層等特殊地質構造的走向、落差，為巷道掘進提供有效的指導，從而避免誤揭煤層等導致安全事故。