復雜構造下小窯破壞區遠距離精準探測技術及應用

郭啟琛

(山西焦煤集團公司 西山煤電西曲礦, 山西 古交 030200)

近年來,全國煤礦水害事故發生的數量雖明顯減少,但仍時有發生,這其中又以老空水害事故居多。2019—2021年,全國煤礦發生各類水害事故(含涉險事故)27起,其中因小窯老空透水造成的水害事故占33%[1]. 與其他類型水源不同,小窯老空水因其孤立、分散、隱蔽性強、瞬時水量大等特點一直是水害防治當中的難點[2]. 目前對于小窯老空水的防治主要手段是“探”[3]. 李曉龍等提出采用定向長鉆孔“大落差、遠距離、高精度”截引老空水,并利用下斜-上仰型定向鉆孔成功中靶,確保了主運巷的安全掘進[4]. 方俊等將隨鉆測量定向鉆進與常規回轉鉆進技術結合,實現了采空區積水的精確探查和疏放[5]. 朱先龍等將定向鉆孔設計成U型實現了遠距離疏放大礦采空區積水,避免了巷道揭露鉆孔時突水的風險[6]. 但目前對于小窯老空水的探測仍存在較大缺陷,由于區域工程地質條件的不同,小窯空巷本身復雜、基本無規律,常規的物探手段存在一定誤差,而地面鉆探只能探測某一點,無法反映區域小窯破壞的真實情況。井下常規鉆探受限于鉆距短、誤差大等因素的影響,探放水工作量大而探測范圍小,并且安全隱患較高。因此,利用遠距離定向鉆進技術解決探放小窯老空水難度高、隱患大的問題,成為小窯老空水防治的新方向。

1 研究區概況

西曲井田位于太原西山煤田北緣,井田面積31.007 2 km2,地層自老到新出露的有石炭系上統太原組,二疊系下統山西組、下石盒子組,上統上石盒子組及新近系、第四系,礦區目前主采8號煤,屬太原組。其中,南六盤區位于井田西南部,8號煤層平均埋深150 m,厚度2.50～4.50 m,平均3.50 m,且由東向西存在變薄現象。同時南六盤區位于井田構造發育帶附近,盤區地質條件較為復雜,初步預計盤區內至少存在落差大于5 m的斷層8條,陷落柱17個,直徑在10～100 m.

南六盤區南部小煤礦在關閉之前曾對8號煤局部采用以掘代采的方式進行了破壞,但空巷資料并不精確。初步預計破壞區距離礦井現有生產系統約500 m,破壞面積達5 800 m2(圖1). 由于小窯破壞區分散、孤立和隱蔽的特點,空巷內積水積氣的情況均不清楚,所以對小窯破壞區進行精確探測是盤區下一步開發治理的首要工作。

圖1 南六盤區四鄰關系示意圖

2 小窯破壞區探測方案

井下常規鉆探技術鉆進距離最遠在200 m左右,鉆探工程量大且精度低,對小窯破壞區的控制非常有限[7]. 因此利用定向鉆機定向精度高、鉆孔軌跡可隨鉆調控、鉆孔深度大的特點[8],以定向長孔“線”性探查代替短孔“點”狀探查。

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南六盤區8號煤小窯破壞區的資料信息極少,只有大致的范圍和推斷的煤層標高,且附近只有1處可參考的地質鉆孔S9. 可以確定的是破壞區肯定存在于8號煤層內,因此要確保探測質量,基本的探測思路是必須將定向鉆孔控制在傾角多變、地質構造復雜、厚度約3.5 m的煤層內,并充分利用盤區內的地質鉆孔、鉆進期間的反水、鉆進速度、鉆進壓力等數據來分析鉆孔當前層位,從而達到準確圈定8#煤小窯破壞區破壞范圍的目的,同時實現盤區整體煤層的起伏情況和地質構造精細化勘探的目標。

2.1 鉆場位置確定

南六盤區煤層向南傾斜,因此沿煤層鉆進的順層鉆孔為負角度鉆孔。將鉆孔控制在8#煤層內,提升鉆孔見煤比例,最合適的開孔層位是在8#煤層上開孔,可以節省鉆孔找煤的進尺,也減輕了鉆桿彎曲強度,能夠增加單孔進尺,使得鉆探成果效益最大化。

盤區外圍系統巷道距離8號煤層位20～30 m,因此施工南翼地質補勘探巷作為1#鉆場,鉆場層位為8#煤,且為下一步工作面順槽掘進位置。該次鉆探采用ZDY6000LD(C)型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機。

2.2 鉆孔設計方案

由于小窯破壞區分散、孤立、規律不明顯,單一的長距離鉆孔探測精度顯然不足,因此以鉆場為圓心,定向鉆孔呈扇形布置,從而達到破壞區“面狀區域探測”的目的。針對南六8#煤小窯破壞區的探測,在綜合考慮設備性能的情況下,還應兼顧以下原則:1) 以破壞區附近的S9地質勘探孔8#煤標高為定向鉆進靶點,控制鉆孔在煤層內。2) 若探通一處空巷,立刻以該探通點為圓心進行環繞探測,達到圈定小窯破壞區的目的。3) 對鉆孔見巖情況進行實時分析,頂底板、斷層、陷落柱見巖要分別采取不同的鉆進方案,提升鉆孔見煤比例。

刊載于《新青年》第6卷第6號(1919年11月)的《我們現在怎樣做父親》，表達出魯迅五四高潮之際對父子關系的思索，向來為人們所關注。實際上，魯迅這方面的思考并不限于此篇雜文，從五四前后直至晚年，在其雜文、散文、散文詩、小說、詩歌、書信、日記及翻譯作品里，都能看到他對這一問題的深邃思索與真情流露。本文對此試做梳理與分析。

實際施工期間,研究區內南六1#定向鉆場累計施工探放水孔主孔5個,分支鉆孔13個,總進尺5 819 m,鉆孔在非構造區域見煤率普遍能夠達到70%以上。其中,1-2#孔、2-2#孔和2-2-1#孔分別在513 m、510 m和541 m處探通了8#煤小窯空巷;1-2#孔探通時水量13 m3/h,2-2#孔探通時水量5 m3/h,兩孔提鉆后合計水量最大為37 m3/h,截止2023年1月已排放小窯老空水4.36萬m3,圈定盤區內小窯破壞范圍在距離鉆場510 m的范圍之外,與前期調查收集的小窯資料基本吻合,資料可信度高。并據此重新圈定了受小窯老空影響的范圍、老空水“三線”位置及空巷內預計積水量(圖7).

圖2 南六盤區小窯破壞區探測方案設計圖

3 順層鉆進技術

3.1 鉆進工藝

小窯破壞區定向鉆孔綜合采用螺旋鉆桿回轉鉆進和螺桿馬達隨鉆測量定向鉆進多種方法耦合的鉆進工藝[5]. 施工采用“開孔→固管→鉆進→測量→鉆進→測量→完孔”的工藝流程[9],見圖3.

圖3 定向鉆孔施工工藝流程圖

開孔套管段先采用回轉鉆進的方式施工先導,然后更換擴孔鉆頭擴孔鉆進至孔底,掃孔沖孔后下入套管并固管注漿,在套管試壓合格后再使用螺桿馬達隨鉆測量定向鉆進工藝沿煤層完成剩余段施工。

當鉆孔長距離見巖且反水顯示巖性有急劇變化時,則為陷落柱所致,此時鉆孔軌跡遵循小型陷落柱(≤25 m)“直接通過”,大型陷落柱(>25 m)“避繞”的原則。

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3.2 套管段鉆進技術

鉆場處標高為+975 m,結合小窯破壞區范圍,預計老空水水壓最大為0.1 MPa,根據《煤礦防治水細則》的要求,煤層中鉆進套管段長度取10 m. 套管段鉆孔以φ153 mm開孔鉆進11 m,由于孔徑大易偏斜,因此前11 m鉆進期間要保證開孔傾角和方位盡量與設計值一致,不能超過允許值;采用清水介質成孔工藝,鉆進時選取低鉆壓、小扭矩的鉆進參數,利用大直徑螺旋鉆桿保直和排粉,實現慢速穩定保直鉆進,以便于套管的下入[4];套管下入后將孔口封閉,并固定好,管內預埋用以注漿時排出空氣的小管;在注漿結束凝固48 h后掃孔,并注水做耐壓試驗,試驗壓力不得小于1.5 MPa,符合要求后方可繼續進行鉆探。

3.3 順煤層段鉆進技術

近年來，環境問題日益受到世界各國的重視，煤炭在為我國經濟社會持續平穩發展提供能源保障的同時，其帶來的資源、環境、生態和安全問題也越來越突出。所以，在煤炭從開發到利用全過程中，減少污染排放、提高利用效率成為必然趨勢。2017聯合國組織的能源會議上，參與會議國家和企業承諾，要發展CCUS。CCUS（Carbon Capture，Utilization and Storage）碳捕獲、利用與封存是應對全球氣候變化的關鍵技術之一，即把生產過程中排放的二氧化碳進行提純，繼而投入到新的生產過程中，可以循環再利用。在對于煤炭行業來說，積極推廣該技術，從長遠看，有較高的社會效益和綜合經濟利益。

利用定向鉆機定向精度高、鉆孔軌跡可控、鉆孔深度大的特點,以 “點”代“線”,又以“線”結“面”,實現了對南六盤區大范圍、廣區域小窯破壞區的探查,同時也結合構造探測成果,對南六盤區采掘工程平面圖進行了更新,為盤區下組煤設計提供了準確的水文地質基礎資料,實現了在構造復雜區域小窯破壞區的準確圈定和地質構造精細化探測。

丁小慧才不相信許諾是那種人，她是認識許諾的。當初，許諾開著一個小加工廠，想跟丁小慧的爸爸談合作，承包一個金屬零件的制作。可是，他的技術水平有限，做出來的零件并不符合規范，丁爸爸一口回絕了他。許諾很固執，一次又一次拿著新樣品上門，每次都比上次更好一點。最后那次，丁小慧看他滿臉失望地下了樓，樓下一個模特般的女孩在等他，他克制著自己的失落，努力沖她笑。

1) 見巖為煤層頂、底板時。

8號煤平均厚度約3.50 m,頂板為2.40 m的石灰巖,底板為4.70 m的細粒砂巖,頂底板厚度穩定,硬度相差大且反水特征明顯易判斷,因此見巖為頂板或底板較易區分(表1).

表1 8#煤頂底板巖性鉆進特征表

首先根據地質勘探鉆孔推測的等高線對鉆孔施工傾角進行合理設計,然后開孔進行鉆進。順煤層施工期間遵循 “主動見頂-開分支-主動見底-再開分支…”的鉆進方法,結合區域煤層傾角,沿煤層施工要每隔一段孔深(一般為60～120 m)主動探頂或探底,在遇到頂底板后主動提鉆開分支(一般提鉆18～27 m),并結合更新預測的煤層傾角對鉆孔軌跡進行微調,見頂向下,見底向上,進一步主動探頂或底,使鉆孔在煤層中呈波浪線式前進(圖4),同時結合見頂或見底的標高計算煤層厚度及傾角等參數,進一步完善盤區8#煤底板等值線,對單孔設計軌跡進行動態更新,提升鉆孔見煤長度。

圖4 鉆孔見煤層頂底板后施工示意圖

2) 見巖為斷層時。

當鉆孔長距離見巖(超過20 m)時,要立刻判斷是否遇到斷層或者陷落柱,若反水巖性無急劇變化,則可判斷為斷層導致煤層錯斷,此時鉆孔軌跡遵循“大角度調整”的策略。

將鉆孔控制在煤層內施工主要存在兩個難點:煤層厚度2.50 m～4.50 m,平均3.50 m,且傾角多變,鉆孔施工中極易見頂或見底,導致在巖層中鉆進而錯過揭露小窯空巷;施工區域內斷層、陷落柱發育,進一步對鉆孔順煤層鉆進造成干擾。

要結合盤區地表地質調查結果、原始地質資料、周邊生產巷道盡可能地對盤區地質構造進行細化預測,然后根據鉆進距離、鉆孔見巖情況推測斷層性質、煤層錯斷方向及斷層落差等參數,同時立刻調整鉆孔傾角追煤,在見煤后重新將鉆孔角度調整為煤層傾角施工,根據前后兩次見煤點的標高推算斷層落差(圖5).

圖5 鉆孔見斷層后施工示意圖

3) 見巖為陷落柱時。

化學作為一門傳統的理工類學科，其實驗復雜繁多，在進行實驗教學中也很容易產生許多問題，導致教學效率緩慢.但是在高中化學實驗教學中應用信息化技術可以極大地避免一些問題的發生，從而提高課堂的教學效率.在高中化學實驗教學課堂中引入信息化技術的必要性具體表現在以下幾個方面.

結合各個鉆孔見煤巖情況,分析1-1#、2#、2-1#和2-2-1#孔分別在598 m、413 m、328 m和518 m處探到F41斷層,并利用2-1#孔見煤標高對斷層落差進行了探測,分析斷層落差約為8 m. 此外,利用其余鉆孔見巖數據對預測地質構造進行驗證分析,如3-2#孔在225～255 m段、4-1#孔在396～425 m段反水巖性變化明顯,并快慢交替有卡鉆現象,可以判定為陷落柱。此次定向勘探共計探測到落差3 m以下斷層5條,落差3～10 m斷層4條,陷落柱6個,鉆孔基礎數據見表2.

某高速公路大修改擴建工程，全長68.4km，本項目沿線地形為山嶺重丘，相對高差為10～40m，地質情況從起點到終點有燕山期花崗巖、白堊系礫巖，部分河流地段有沖積粉質黏土、粉土等。

4 探測成果及分析

4.1 探測成果

結合勘探區域預測的破壞區范圍和地質構造情況,探測共設計主鉆孔5個,分支鉆孔5個,見圖2.

圖7 南六盤區小窯破壞區探測成果示意圖

要結合前期預測陷落柱的位置、大小進行推算:若陷落柱直徑大于25 m,則提鉆選擇在煤層內重開分支孔,避繞該陷落柱;若不是前期推測得到的陷落柱或預測陷落柱直徑不超過25 m時,則按照煤層傾角直接穿過陷落柱,在反水穩定后找到煤層繼續鉆進(圖6).

表2 1#鉆場所有鉆孔基礎數據表

4.2 成果分析

針對以上兩個難點,提出順煤層定向鉆孔“淺波浪線順層鉆進技術”: 即鉆孔軌跡順煤層施工時采取“主動見頂-開分支-主動見底-再開分支…”的鉆進方式,使得軌跡在煤層中呈類似波浪線的形態,直到終孔探通煤層中的小窯空巷為止。結合盤區探測期間可能遇到的地質構造,該次探測對施工中見巖的3種情況分別制定了不同的鉆進方案:

1-2#孔和2-2#孔兩孔提鉆后合計水量最大為37 m3/h,結合探通處煤層標高及鉆場處實測標高,預計破壞區內積水標高至少在+976 m以上,因此空巷內仍存有積水約5.0萬m3;同時圍繞探通點沿煤層環繞探測,并對終孔位置精確定位,切實達到小窯破壞區“查全、探情”的目的,為下一步“放凈、驗準”治理工作和盤區工作面設計等問題提供了基礎資料。

4.3 經濟效益對比

相比以往在探測小窯破壞區時的方法及工作量,定向鉆機的使用極大地減少了超前探循環次數和鉆孔數量,投入成本降低,節省了大量人力、物力、財力,真正做到了“一優三減”。定向鉆孔以破壞區附近S9#鉆孔8#煤的底板標高為定向鉆進靶點,將鉆孔基本控制在煤層內,鉆孔在非構造區域見煤率普遍能夠達到70%以上,實現了在構造復雜區域小窯破壞區的準確探測,縮短工作面的準備時間、探放水工作量,降低了人力資源成本,保證了礦井安全生產;同時間接對盤區范圍內較大地質構造分布情況進行了驗證,提升了礦井地質工作的效率。

根據礦井以往探地質構造孔和探放水孔的施工經驗以及成本,結合南六盤區地質構造探測成果,初步預計實際施工中平均每月需要3天時間探測地質構造,需要施工孔深約50 m的探構造孔至少12個,鉆孔施工成本約為80元/m,則一年至少可節約57.6萬元的鉆探成本;同時定向鉆已累計排放小窯老空水4.36萬m3,實際施工中,按照單孔涌水量40 m3/h計算,每日排水960 m3,至少需要施工46個超過60 m的探小窯鉆孔方能疏放完4.36萬m3水,因此定向鉆孔遠距離疏放小窯老空水后,累計可減少施工普通探放水孔2 760 m,按照探放水孔施工成本約為100元/m,可節約施工成本27.6萬元;節約施工班次至少60個,約240人,按照200元/人計算,可節約人力成本4.8萬元;同時,可減少鉆桿磨損、鉆機維護、材料損耗費約40萬元,排水泵的更換、維護等投入約30萬元,合計可以節約至少160萬元/年的費用。

5 結 論

1) 將破壞區附近地質勘探孔作為靶點控制鉆孔軌跡在煤層內,并以鉆場為圓心扇形布置定向鉆孔的方案對小窯破壞區的探測成效明顯。該次探測查清了盤區內小窯破壞范圍在距離鉆場510 m的范圍之外,與前期調查收集的小窯資料基本吻合,資料可信度高,實現了破壞區探測由 “線形單一探測”向 “面狀區域探測”的轉變。

2) 提出順煤層定向鉆孔“淺波浪線順層鉆進技術”,使得鉆孔能夠很好地適應煤層變薄、斷層、陷落柱等復雜地質條件下的鉆孔軌跡順煤層控制,利用8#煤頂底板明顯的鉆進特征區別,遵循遇斷層“大角度調整”,遇陷落柱“直接穿過”或“拐彎避繞”,順煤層施工“主動見頂-開分支-主動見底-再開分支…”的原則,最終鉆孔在非構造區域見煤率普遍達到70%以上,進一步驗證了盤區范圍內較大地質構造,為下一步的生產設計提供了準確的基礎資料。

TIO的致病腫瘤大多數為良性腫瘤，來源于間葉組織，最常見的病理類型為磷酸鹽尿性間葉組織腫瘤，其他還包括神經纖維瘤、血管外皮細胞瘤、腱鞘巨細胞瘤、前列腺癌、霍奇金淋巴瘤、多骨型骨纖維異常增殖綜合征等[6-9]。本研究35例TIO腫瘤病理證實為磷酸鹽尿性間葉組織，2例未行免疫組織化學染色，病理為梭形細胞瘤，但是磷酸鹽尿性間葉組織腫瘤形體學上主要是由彌漫或成束排列的梭形或星芒狀細胞組成[10]，所以形態學上符合磷酸鹽尿性間葉組織腫瘤的特征。

3) 通過對探通處標高進行精確定位,結合鉆場處實測標高,預計破壞區內仍存有積水約5.0萬m3;在減少探放水工作量,降低人力資源成本的同時,也對下一步老空水“放凈、驗準”治理提供了依據,對礦井安全高效生產具有重要的意義。