定向鉆進技術在底板水害超前探查中的應用

袁子航，葉根飛，趙永哲，孫 陽

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.中國煤炭科工集團有限公司，北京 100013)

礦井水害是煤礦重大自然災害之一，嚴重威脅著煤礦安全生產。隨著煤礦開采深度的加深，底板灰巖水害治理工作已經成為煤礦安全開采的重中之重，在淮南礦區尤為突出[1-4]。為預防巷道掘進過程中發生突水事故，實現巷道安全、連續掘進，目前在巷道掘進前主要采用常規前探孔和定向前探孔對巷道底板一定范圍內含水層進行超前探查，并要求超前探查距離不小于30m[5，6]。

由于定向鉆孔具有鉆孔軌跡可控、目標層位鉆遇率高、單孔探查距離遠等優勢[7-10]，采用定向長鉆孔進行底板防治水成為一種發展趨勢。本文以淮南顧北煤礦掩護底板巷道掘進水害超前探查項目為例，分析優化定向前探孔的設計及施工工藝，并將定向前探孔與常規前探孔的施工效果進行對比分析。

1 地質條件及施工目的

淮南顧北煤礦1#煤層底板距離石炭系太原組第一層灰巖平均18.32m，第一水平(-648m)灰巖水頭壓力達6.5MPa，超過1#煤層底板巖層允許承受的最大水壓值，且底部奧灰水可能因斷層或其它導水裂隙直接與太原組灰巖發生水力聯系。因此，1#煤層底板巷道掘進受灰巖水害威脅嚴重。為掩護巷道安全掘進，需施工鉆孔對底板水害進行超前探查。

圖1 地層柱狀圖

2 鉆孔設計

2.1 鉆孔軌跡設計

圖2 設計鉆孔軌跡

表1 鉆孔設計參數

2.2 孔身結構設計

表2 TD2-1及TD2-2孔身結構參數

3 配套機具

定向鉆進配套機具主要包括鉆機、泥漿泵、螺桿鉆具、隨鉆測量儀器等。煤礦井下定向鉆孔施工時，需根據施工目的、地層條件及鉆孔參數選用合適的定向鉆進設備。依據顧北煤礦地質條件復雜、灰巖硬度高、泥灰巖交界面不穩定、煤矸石薄層較為破碎等特點，選用的主要設備機具參數見表3。

表3 定向鉆進設備機具參數

4 施工工藝

4.1 鉆進規程及設備參數

鉆進規程參數主要指泵量、轉速和鉆壓。煤礦井下鉆孔施工使用清水作為循環液，為保證鉆渣順利返出鉆孔，環空流速應不小于1m/s。鉆頭轉速由轉盤轉速和螺桿轉速兩部分組成，定向鉆進過程中轉速由螺桿提供。式(1)表示返水流速與泵量的關系，式(2)表示螺桿鉆具轉速與泵量的關系，確定鉆具組合及返水速度后，可計算得到定向鉆進過程中泵量及定向鉆進轉速的取值。鉆壓的取值主要與巖石硬度有關。本次鉆孔施工過程中的鉆進規程參數選取見表4。

表4 鉆進規程參數

Q=0.06×A·v

(1)

式中，Q為泵量，L/min；A為環空間隙的面積，mm2；v為環空流速，m/s。

Q=N·q

(2)

式中，q為螺桿鉆具每轉的排量，L/r；N為螺桿鉆具的轉速，rpm。

4.2 一開鉆進

4.3 二開鉆進

二開鉆孔采用定向鉆具組合，以復合鉆進為主。由于泥巖及煤線較破碎、軟弱，易出現縮頸、掉塊甚至引起塌孔、卡鉆事故，因此當鉆入軟弱破碎地層時，應適當降低泥漿泵排量和轉速，從而降低螺桿鉆具產生的橫向振動[13，14]，減小對孔壁的破壞。鉆遇地層由軟巖鉆入硬巖時，應控制鉆壓，防止鉆孔軌跡產生較大偏斜，導致下套管時遇阻。二開鉆進同樣采用施工先導孔，然后擴孔的施工工藝。擴孔完畢后，進行沖孔排渣和通孔作業，最后安設次級套管并封固。

4.4 三開鉆進

5 現場應用效果分析

表5 鉆孔實際施工情況

表6 定向前探孔與常規前探孔應用情況

以現場應用情況為依據可分析得到，當探查距離約600m時，施工定向鉆孔與施工常規鉆孔進行水害超前探查相比較，前者鉆孔總進尺和輔助掘進工程量約為后者的1/5，有效探查進尺占比達92%，約為后者2.7～3倍，鉆孔施工工期減少約2/3；后者雖然目標層累計進尺可達前者3倍，但對含水層有效覆蓋孔間與終孔水量并無顯著提高。因此，兩種前探孔施工均可對一定范圍內含水層進行連續的、長距離有效探查，能滿足水害超前探查需求。但為掩護掘進長度大于600m的巷道進行水害超前探查時，采用定向前探孔相較于常規前探孔在經濟效益方面具有顯著提高。

6 結 論

1)巷道掘進超前探查定向鉆孔施工技術，具有工期短、經濟效益好、單孔探查距離長、有效探查進尺占比高等優勢，可滿足水害超前探查的需求。

2)通過參考臨近區域鉆孔施工資料，對定向鉆孔不同孔段施工工藝進行研究，總結出適用于該礦區的定向鉆孔施工工藝，可指導優化定向鉆進參數，提高鉆孔施工效率。

3)定向超前探查鉆孔的成功施工，為顧北煤礦水害超前探查提供了新模式，符合煤礦降本增效的開采理念和發展思路。