煤礦井下定向鉆進頂板水疏放技術

馬沈岐，王建峰，王 龍

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077；2.寧夏銀川神華寧煤環安公司，寧夏銀川753000）

煤礦井下定向鉆進頂板水疏放技術

馬沈岐*1，王建峰2，王 龍2

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077；2.寧夏銀川神華寧煤環安公司，寧夏銀川753000）

應用定向鉆進技術，在紅柳煤礦復雜的地層中實施定向鉆孔，探查疏排煤層頂底板低滲透性含水層的水，取得了很好的效果。介紹了紅柳煤礦定向鉆孔的施工工藝、軌跡控制技術和復雜地層的處理技術，結合實際應用對煤礦井下頂板水疏放技術進行了探討，對其他礦區頂底板水疏放有一定參考價值。

定向鉆進技術;低滲透性含水層;疏排水鉆孔;鉆孔事故

寧煤集團東礦區煤層頂底板低滲透性含水層的水，已往采用回轉鉆進方式，形成鉆孔進行疏放水的效果較差，其原因在于：（1）回轉鉆進形成的鉆孔軌跡較難控制，設計的靶標位置很難打準；（2）鉆孔軌跡單一，不能形成多頭終孔；（3）遇到復雜地層時，無法繞過，只能退回等，上述原因導致難于解決頂底板水患對礦井安全生產的威脅。寧煤集團紅柳煤礦在應用定向鉆進技術解決瓦斯抽采取得了良好的經驗和效益，在掌握定向鉆進技術抽采瓦斯的基礎上，研究在中硬完整地層條件下，鉆進中長距離鉆孔和開分支孔，定向鉆孔布孔間距，以及鉆孔系統對疏水影響半徑的確定，通過研究和實踐，達到用該項技術解決頂板水患問題，獲得較為滿意的效果。本文結合上述工作進行論述，對定向鉆進技術應用于煤礦水患治理工作，具有很好的指導意義。

1 紅柳煤礦3121工作面頂板水文地質條件

根據試驗區周邊巷道、排水通道與工作面傾斜情況，鉆場布置在31采區回風聯絡巷與原3121工作面設計邊界泄水巷交匯處(HF1測點處)。其水文地質條件為，2#煤老頂直羅組粗砂巖裂隙孔隙含水層下段是影響本井田的主要含水層，該含水層分為上下分層，為了探明上下分層含水層的涌水情況和不同工藝施工的成孔疏水效果，將鉆孔設計在上下分層中，對含水層的賦存水進行疏放。

2 定向鉆進技術解決頂板水的有利條件

該礦在進行600～800m中長距離的瓦斯地質孔鉆進中，取得了較為成熟的定向鉆進技術，瓦斯抽采效果也很好。在此項技術的基礎上，按照礦井水害治理的條件進行重新的改造和設計，已期達到中長距離水害治理的目的。

鉆進中長距離的水害治理鉆孔，可以在較大范圍內探查采區的儲水體具體位置和實施抽放計劃的落實。針對粗砂巖涌水情況，了解巖層間的水力聯系通道，確定探放水的影響半徑，以及定向鉆孔的疏水效果。為了查明探放水的影響半徑，設計在上分層含水層平面布孔間隔為50m，在下分層含水層平面布孔間隔為60m。

開分支孔的目的有兩個，一個是在硬巖中開上向分支孔，利于排渣和排放水，另一個是觀察開分支孔后，排放水的效果對比。例如5#孔設計軌跡與實鉆主孔和開分支孔的剖面圖（圖1）。

3 定向鉆進技術參數設計

3.1 鉆孔空間位置布局

目標區域2#煤老頂為直羅組粗砂巖裂隙、孔隙含水層，下段是影響本井田的主要含水層，該含水層分上分層和下分層，為了探明上下分層含水層的涌水情況及各種工藝鉆孔的疏水效果，本次鉆孔空間層位布置根據不同的試驗內容差別進行，鉆孔的空間位置具體情況是：2#、4#孔間隔120m布置在下分層含水層中部進行施工，主要是對下分層含水層賦水進行疏放；1#、3#、5#分別間隔100m布置在上分層含水層中進行施工，主要對上分層含水層賦水進行疏放，為了試驗在巖石中開分支孔工藝及分支孔疏放水效果，在3#、5#鉆孔中分別布置了2個分支孔。其中3-1#為水平分支孔，目的是試驗水平分支孔的施工工藝；3-2#、5-1#、5-2#三個分支孔均為上向分支孔，目的是試驗上向分支孔的施工工藝及增加疏放水通道，提高疏放水效果；6#鉆孔作為預留孔，其終孔層位為上分層含水層中部。3121工作面試驗鉆場，實鉆鉆孔平面布置如圖2所示。

圖1 5#孔設計軌跡與實鉆剖面圖

圖2 實鉆鉆孔軌跡平面布置圖

3.1.1 鉆孔平面位置布局

鉆孔平面布置：本次試驗定向探放水影響半徑，上分層含水層按照50m進行布置，下分層含水層按照60m進行布置，試驗區共布置了6個主孔4個分支孔。鉆孔編號依次為：1#、2#、3#、3-1#、3-2#、4#、5#，5-1#、5-2#、6#，設計總工程量為3204m，其中主孔設計工程量為2781m，分支孔設計工程量為423m。

3.1.2 鉆孔空間位置布局

鉆孔空間位置:試驗區目標區域2煤老頂直羅組粗砂巖裂隙孔隙含水層下段是影響本井田的主要含水層，該含水層分上分層和下分層，為了探明上下分層含水層的涌水情況及各種工藝鉆孔的疏水效果，本次鉆孔空間層位布置根據不同的試驗內容而不同，具體情況為：2#、4#孔間隔120m布置在下分層含水層中部進行施工，主要是對下分層含水層賦水進行疏放；1#、3#、5#分別間隔100m布置在上分層含水層中進行施工，主要對上分層含水層賦水進行疏放，為了能夠試驗巖石中開分支孔工藝及分支孔疏放水效果，在3#、5#鉆孔中分別布置了兩個分支孔。其中3-1#為水平分支孔，主要目的是試驗水平分支孔的施工工藝；3-2#、5-1#、5-2#三個分支孔均為上向分支孔，其主要目的是試驗上向分支孔的施工工藝及增加疏放水通道，提高疏放水效果，6#鉆孔為本次試驗項目的預留孔，其終孔層位為上分層含水層中部。

3.2 鉆孔結構

井下定向試驗疏水鉆孔均自煤層頂板完整粉砂巖段開孔，鉆孔開孔至煤層直接頂板粉砂巖、泥巖段，采用?165mm擴孔鉆頭進行擴孔鉆進30m，在含水層中以?96mm鉆頭，裸孔鉆進至終孔位置。如圖3所示。

圖3 疏水鉆孔結構拋面示意圖

3.3 鉆具級配關系

鉆具的級配關系分為開孔、擴孔、鉆進3種形式展開，具體級配關系為：

3.3.1 開孔鉆具級配

?113mm鉆頭+?73mm通纜鉆桿+?73mm水便。

圖4 一開鉆具組合示意圖

3.3.2 擴孔鉆具級配

?165mm鉆頭+?73mm通纜鉆桿+?73mm水便。

圖5 擴孔鉆具組合示意圖

3.3.3 鉆進鉆具級配

?96mm鉆頭+?73mm螺桿馬達+?76mm下無磁鉆桿+?76mm測量短節+?76mm上無磁鉆桿+?73mm通纜鉆桿+?73mm水便。3.4 鉆孔孔口結構與裝置

圖6 裸孔鉆進鉆具組合示意圖

3.4.1 鉆孔孔口結構

試驗定向疏水鉆孔均自煤層頂板完整砂巖段開孔，鉆至煤層直接頂板粉砂巖、泥巖段，采用?165mm擴孔鉆頭進行擴孔后放置?127mm，壁厚6mm的孔口管。然后在含水層中以?96mm鉆頭，裸孔鉆進至終孔位置。

圖7 鉆孔孔口結構示意圖

3.4.2 孔口裝置

探放水或需要收集放水時的水量、水壓等資料時，需要安裝質量合格耐壓達3.5MPa的控水閥門（?127mm閘板閥或蝶閥）和壓力表。孔口裝置要同鉆孔套管的法蘭盤連接在一起，并且易于拆開，在測量過程中要求密封不漏水。為了不影響鉆探施工進度，在孔口管固孔牢固后將孔口三通連接好，并且安裝好孔口閥門后方可下鉆。鉆進入含水異常體部位并出水后，邊鉆進邊進行水量與水壓觀測。

圖8 孔口裝置示意圖

3.5 鉆孔孔口封孔要求

（1）封孔必須采用專用設備進行施工，封孔深度穿過煤層直接頂板粉砂巖、泥巖段0.1～0.2m。

（2）孔口管外端必須超出巷幫0.2～0.3m，并采用封孔專用設備向孔內注入固孔液(水泥砂漿和高分子封孔材料)，注完后必須保證靜置到固孔液凝固為止。

（3）封孔凝固結束后對孔口管必須進行耐壓試驗，試驗壓力為3.5MPa并穩定30min后，孔口管周圍不漏水時方可鉆進。

4 鉆進主孔水文資料分析

此次，應用定向鉆進技術完成了1#、2#、3#、4#、5#、6#六個井下定向主孔，總進尺2769m，鉆孔的中控位置分別在上下分層的粗砂巖中。

4#孔鉆遇巖性見表1。

表1 4#鉆孔實鉆巖性統計表

該孔終孔深度為492m，鉆進30m時初次見水，涌水量為0.5m3/h，隨后的鉆進中涌水量逐漸增大，到終孔時涌水量達到129m3/h，水壓0.4MPa，水溫始終保持在18℃，總疏放時間217d，水壓降低為0.13MPa，涌水量降為14m3/h。

從統計數據看，1#、2#、4#、6#等4個孔的總進尺1695m，總涌水量約29×104m3，水溫基本保持在18℃，終孔水壓衰減比較大。

5 鉆進分支孔水文資料分析

3#鉆孔開孔方位角161.6°，開孔傾角30°，封孔長度28m，主孔終孔孔深480m；3-1#孔從3#主孔264m處開分支，終孔深度為441m；3-2#孔從3#主孔366m處開分支，終孔深度為453m。圖9所示為3#鉆孔設計與實鉆軌跡剖面圖。

3#孔、3-1#孔、3-2#孔終孔層位均為直羅組粗砂巖含水層，當主孔鉆進到132m進入上分層含水層時，用水量逐漸增大到129.6m3/h，水壓為0.38MPa，水溫180C，總疏放時間為186d，水壓降至0.25MPa，涌水量降為72m3/h。

圖9 3#鉆孔實鉆軌跡剖面圖

6 鉆遇復雜地層的處理

3121工作面頂板地層的鉆進中，所遇到的復雜地層包括遇水膨脹的泥巖、含礫石泥巖、硬度較大的粗礫砂巖。因為礦區的地質條件是清楚的，所以在鉆孔軌跡設計時，全面考慮了完鉆的綜合技術，包含了孔口的封孔設施設計和封孔材料的實驗和選擇，遇到復雜地層采取什么手段，針對在硬度較大的粗礫砂巖中怎樣開分支孔等項技術，根據定向鉆進瓦斯孔的技術和經驗，做了相應的技術準備，但在實際鉆進中，還是遇到了一定的困難，解決這些困難采取了相應的技術手段。

（1）泥巖段的位置處在下段下分層含水層，現場條件有限，僅對泥巖塊做了浸水侵泡試驗，通過24h的浸泡觀察，泥巖塊膨脹的體積適中，膨脹體的硬度相對較軟，據此分析出現粘鉆和抱鉆事故，應是鉆具在孔內滯留時間較長引起的。為了解決這個難題，一是決定采用擴徑和改變定向鉆進工藝方法，即先用?113mm復合片鉆頭回轉鉆進出泥巖段1m左右，后用提鉆換?165mm的擴孔鉆頭，繼續鉆進出泥巖1m左右提鉆，然后下?127mm的套管固孔解決；二是加快鉆進速度，縮短鉆進、擴孔鉆進、下套管的總體時間，盡量在泥巖膨脹體積較小的情況下完成施工。共施工了6個鉆孔，較好地解決了泥巖膨脹產生的抱鉆和粘鉆問題。 （2）在下段上分層含水層，有一層含礫石泥巖，其特點是遇水極易膨脹，礫石的粒徑較小。鉆進時易發生粘鉆和小粒石堵鉆頭水眼，造成水流量減小，使孔內返渣情況受阻，形成一定程度的積渣事故等。這個問題主要從鉆進工藝上來解決，在這層含礫泥巖段，使用?145mm的擴孔鉆頭，采用回轉鉆進方式鉆進，當鉆孔擴徑后，礫石可以有效的排出，從而使泥巖的縮徑狀況減小。在其他巖層段仍然使用定向鉆進的方式鉆進，效果良好。

（3）由于鉆孔的傾角在25°～30°之間，較大傾角的開孔不利于套管的穩定和影響固孔質量，因此在原設計的基礎上，將鉆孔擴至?165mm，增大套管和孔壁間隙，從而增加固孔材料充填量，為了防止套管下滑，設計了專用夾板將套管固定確保了固孔強度。

（4）在較硬的巖石中開分支孔，導致螺桿馬達的彎外管磨損較大，主要的原因是原設計是每6m傾角增加1°，垂深增加0.1m，重新設計后改為每6m傾角增加3°，垂深增加0.3m，通過增大鉆孔傾斜角度，增加開分支孔的磨孔受力位置，減少了彎外管的磨損程度。

（5）采用定向鉆進與回轉鉆進相結合的方法，進行復合鉆進工藝方法鉆進，比較容易的解決了孔內坍塌和積渣問題，并且順利的排出涌水。針對涌水量較大，影響鉆進時，在孔口安裝了四通裝置，確保了鉆進中涌水能從疏水管中排出，終孔后通過孔口閘門隨時控制鉆孔的排水量。

7 結束語

定向鉆進技術可以有效地控制鉆孔軌跡變化，探查地層中的富集水，并且可以實現分層治水的效果，有效地降低大水壓、長時間的抽放水，對鉆孔壁造成較大的損傷。通過實踐確定定向鉆進技術可以在復雜的地層中實現探放水鉆進，并且取得了很好的效果。

[1]紅柳煤礦3121工作面實驗鉆場施工總結[R].

[2]馬沈岐.瓦斯地質鉆探工藝研究[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2007（2）.

[3]馬鐘路，馬沈岐.煤礦坑道水文地質鉆探工藝[J].甘肅科技，2008.

[4]馬沈岐,曹明,汪蕓,劉桂芹.瓦斯地質鉆探中孔內事故分析與處理方法[J].煤礦安全，2008（11）.

[5]馬沈岐，王建峰，王龍.煤礦防治水患鉆探工程問題探討[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2013（增刊）.

TD743

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1004-5716(2015)06-0055-05

2014-06-16

2014-06-20

馬沈岐（1957-），男（漢族），山西平順人，高級工程師，現從事煤礦瓦斯地質鉆探工藝研究以及技術推廣等工作。