煤礦井下深孔定向超前鉆探技術研究與應用

苗葳　丁榮飛

摘要：趙固二礦為河南能源焦煤集團主力生產礦井。礦井水文地質條件復雜，為煤與瓦斯突出礦井，礦井瓦斯與水害治理工期較長，造成鉆探與掘進開拓工時矛盾嚴重，直接制約礦井接替。為緩解礦井接替緊張局面，采用深孔定向超前鉆探技術代替傳統超前探方式，采礦作業取得了很大的成效。

關鍵詞：煤礦開采；礦井；超前探；深孔定向鉆探；水害防治；水文地質 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD50 文章編號：1009-2374（2017）10-0216-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.109

1 趙固二礦超前探注工程現狀

趙固二礦屬河南能源焦煤集團主力生產礦井，開采山西組二1煤層，煤層埋深在500m以上，底板主要充水含水層為L8灰巖含水層，水壓高達5MPa。為消除礦井水害隱患，礦井嚴格執行“預測預報、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水方針，對巷道實施超前探與底板注漿改造。但常規鉆孔存在以下問題，影響了鉆孔效果：（1）鉆孔軌跡不可控，容易存在注漿盲區，為保證注漿效果必須設置大量鉆孔，導致鉆孔浪費，鉆探工作量大，施鉆人員勞動強度高；（2）鉆孔以大傾角開孔，鉆遇含水層的有效孔段較短，注漿加固效果不好且造成漿液的嚴重浪費；（3）鉆孔孔深一般較淺，鉆孔軌跡不能改變方向，只能邊掘（邊采）邊進行加固，在工作面鉆場未形成之前，不能實現區域超前底板加固，對礦井接替造成影響。因此，亟需研究新的底板注漿加固及超前探查技術方法。

2 鉆探設備選定

為提高礦井超前探功效，采用井下深孔定向鉆機實施超前探工程。定向鉆機由鉆機機身、移動泵站與隨鉆測量系統三部分組成，鉆機機身由廠家提供，為礦用履帶式全液壓坑道鉆機，最大額定轉矩12000N·m、額定轉速50～150r/min，適用于鉆進大直徑近水平長鉆孔及1500m以上超長定向鉆孔。移動泵站由礦井已有的噴霧泵改造而成，最大輸出泵量560L/min。隨鉆測量裝置由防爆計算機、防爆鍵盤、防爆數據存儲器和探管四部分組成，在孔底馬達鉆進過程中，將探管連接在孔底馬達后，在需要進行數據測量時，防爆計算機通過通纜鉆桿和通纜水便向孔內探管供電并下工作指令，探管啟動工作并采集鉆孔傾角、方位角、工具面向角等數據通過通纜鉆桿和水便傳送到防爆計算機，通過裝置軟件的分析處理，在防爆計算機顯示器上顯示鉆孔參數、設計軌跡、實鉆軌跡等信息，通過系統軟件可實現裝置分析、數據處理、數據測量并以數字量形式進行顯示、存貯、通信、處理分析成圖等功能。數據測量結束后，防爆計算機停止為孔內探管供電，探管停止工作。

3 深孔定向鉆探設計及要求

3.1 設計方案

本次在即將開拓掘進的11151工作面上順槽進行試驗，利用工作面下順槽已形成的鉆場對上順槽方向進行超前探與底板加固工程。共設計兩個探煤鉆孔與一個底板鉆孔，設計鉆孔進尺3299m。探煤孔鉆進層位為二1煤層，平均煤厚為5.88m，底板孔鉆進層位為L8灰巖底部細粒砂巖中，該層砂巖平均厚度4.91m，層位穩定，上距L8灰巖平均5.14m。

先施工探煤鉆孔，探煤鉆孔每隔50m留設一個分支點，每隔70～100m探頂一次，確保提前探明工作面順槽內煤巖層產狀及構造特征。

3.2 鉆孔結構及固管要求

下設兩級套管，開孔孔徑Φ193mm，一級套管Φ178mm，二級套管Φ146mm，終孔孔徑Φ120mm。

要求鉆孔下入套管前必須利用隨鉆測量系統進行測孔，確定鉆孔軌跡與設計要求無偏差時方可繼續下入套管，否則利用擴孔鉆頭對該孔進行擴孔，糾正鉆孔軌跡后方可繼續下入套管。

開孔使用Φ153mm鉆頭回轉鉆過設計一級孔口管長度多0.5～1.0m，再用Φ193mm鉆頭擴孔至孔底，然后下入設計長度的Φ178mm套管，用井下注漿泵采用水灰重量比1∶0.5～1∶1的水泥漿進行管內注漿固管（使用不小于0.1m?的容器進行攪拌），凝固時間不少于24小時（加水玻璃凝固時間不少于8小時），然后用Φ153mm鉆頭透孔，透出一級套管0.5～1m后進行耐壓試驗，耐壓試驗壓力穩定在10MPa，穩壓時間不少于30min，孔壁周圍不漏水、不滲水為合格，否則重新固管。

一級套管耐壓試驗合格后用Φ153mm鉆頭回轉鉆過設計二級孔口管長度0.5～1.0m，然后下入設計長度Φ146mm套管，用井下注漿泵采用水灰重量比1∶0.5～1∶1的水泥漿進行管內注漿固管（使用不小于0.3m3的容器進行攪拌），凝固時間不少于24小時（加水玻璃凝固時間不少于8小時），然后用Φ133mm鉆頭透孔，透出二級套管0.5～1.0m后進行耐壓試驗，耐壓試驗壓力穩定在15MPa，穩壓時間不少于30min，孔壁周圍不漏水、不滲水為合格，否則重新固管。

二級套管耐壓試驗合格后用Φ120mm鉆頭+Φ89mm單彎螺桿+隨鉆測量儀器進行定向鉆進至終孔，鉆進過程中每施工3m對孔底進行一次參數測定，根據測定的參數和已掌握的現場實際地質情況調整鉆進方向，力求鉆孔按照設計軌跡和要求鉆進。

3.3 施工期間注意事項

3.3.1 鉆探期間應時刻注意鉆孔巖性變化，鉆進時關注孔口返水及鉆機鉆壓情況，并在每根鉆桿行程后撈取巖粉觀測形狀、顏色等。要根據返出的巖粉及鉆進壓力初步判定鉆進層位及巖性。當巖性判斷困難時及時通知施工班組長到現場查看鑒定。

3.3.2 鉆進時要在孔口下放置接納巖粉容器，并保證孔底返水流入容器。每當換層或返水變化時及時停鉆將巖粉取出。沖洗干凈并干燥后的巖屑采用“大段攤開、宏觀細找，遠看顏色、近查巖性，干濕結合、挑分巖性，參考鉆時”的原則。重點記錄鉆孔穿層、斷裂構造帶巖性變化情況及斷層泥、破碎帶厚度、破碎程度與膠結情況。

3.3.3 要求鉆孔定向鉆進期間每3m測孔一次（包含鉆孔傾角、方位角、工具面等數據），并及時丈量孔外鉆具長度，井上、下要有記錄本，每班做好詳細的原始記錄；施工單位要建立工程施工臺賬，并每天將生產情況報地測科。

3.3.4 鉆進過程中絕不允許鉆桿摩擦孔口閘閥或孔口管，發現有摩擦現象時要立即停止施工，重新調整鉆機角度，直到鉆進方向與孔口管方向一致為止。

3.3.5 施工時若鉆孔突然發生突水，施工單位要及時匯報，并詳細記錄出水位置、鉆孔深度，測出水量、水壓，并把詳細情況及時上報，必要時，取水樣送驗。

3.3.6 鉆孔鉆進過程中，若孔內出水大于30m3/h，則對鉆孔進行地面注漿，注漿材料選用黏土水泥混合漿，黏土漿與水泥漿比重為為1.12～1.18，一般是先稀后稠再稀。注漿終壓15MPa，穩壓30min。

4 鉆探成果

通過實施本次井下深孔定向超前鉆探，在3個月內探明了11151工作面上順槽通尺175～645m范圍內煤層賦存情況與地質構造情況，并對上順槽通尺167～546m范圍內底板L8灰巖與圍巖裂隙進行注漿加固，超前探控制范圍470m，在接替工期緊張的情況下保證實現安全不間斷掘進。

4.1 構造區域分析

4.1.1 根據鉆探資料顯示，煤層探1與探2號鉆孔在上順槽通尺376～465m之間均發生較為嚴重的塌孔、泵壓增高現象。根據三維地震勘探資料，DF29斷層在11151工作面上順槽預計揭露位置為397～400m，位于塌孔范圍內，不排除由于DF29斷層影響，最終致使鉆孔在揭露該斷裂破碎帶期間出現塌孔等異常情況。根據斷層兩端探得的頂板標高計算，預計該斷層落差1.6～1.8m。探測段煤層產狀未發生較大變化，沒有明顯褶皺，斷層斷面沒有向底板L8灰巖下延伸跡象。

4.1.2 根據探煤層頂、底板資料，探煤1#鉆孔鉆進至上順槽通尺577～604m處煤層出現明顯變薄情況，煤厚由5.8m變薄至4.3m，孔口反渣為煤層夾帶泥巖，但位于該煤層變薄段西側20m處的煤層探2#鉆孔并未出現煤層異常情況，根據揭露資料分析，該煤層變薄區域為分布范圍較小，不會對巷道掘進造成影響。

4.2 水文地質情況分析

底板L8灰巖厚8.24m，L8灰巖底界面細粒砂巖厚4.91m。根據底板注1#孔資料，七個分支鉆孔總出水量為35.1m3/h，其中水量最大的為底板注1-1#鉆孔，水量25.7m3/h，經注漿后，該出水點已基本無水。其余分支鉆孔水量均小于10m3/h，且不存在鉆孔水量驟增情況，反應出探測段垂向裂隙不發育。

5 今后改進方向及效益

（1）在今后設計中，應保證鉆孔軌跡平直，盡量減小鉆孔彎曲度，從而可有效降低鉆桿與孔壁摩擦，減少給進壓力在拐彎處消耗，延長鉆孔控制范圍。鉆探巖粉在鉆孔拐彎及低洼處不易排出，可采用回轉鉆機與定向鉆進相結合的方式將孔內存積的巖粉帶出，減少鉆孔埋鉆風險。在鉆進過程中通過及時對比檢查鉆孔漏失量，可有效查明煤、巖層內孔隙、裂隙及斷裂破碎帶分布規律，為巷道掘進提供堅實可靠的地質資料；（2）該技術在趙固二礦及類似礦區的推廣應用，實現了煤礦井下水害區域治理的突破，緩解礦井工作面接替緊張局面，可為國內地質及水文地質條件相似的礦井提供寶貴經驗，可在焦作礦區乃至全國范圍內進行推廣應用，對實現在新背景新要求下的煤礦安全高效開采具有深遠意義。

參考文獻

[1] 張孝廣.煤巷空間地質異常體超前綜合物探研究與應用[J].山東煤炭科技，2016，（2）.

[2] 許延春，陳新明，李見波，姚依林.大埋深高水壓裂隙巖體巷道底臌突水試驗研究[J].煤炭學報，2013，（S1）.

作者簡介：苗葳（1988-），男，河南焦作人，供職于河南能源焦煤集團新鄉能源有限公司，研究方向：礦井地質及防治水。

（責任編輯：秦遜玉）