煤礦水害防治工作中鉆探技術的應用研究

姬乃強

（中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710065）

1 引言

XX煤礦為區域內主力生產礦井，煤層埋深在480m以上，底板主要充水含水層為L7灰巖含水層，水壓高達4.8MPa。為消除礦井水害隱患，XX礦井嚴格執行“預測預報、鉆探為主、先治后采”的方針，對區域內鉆孔進行了改造升級。但是在XX礦井實際生產過程中，仍然存在鉆孔軌跡不可控、含水層有效孔段短、鉆孔孔深淺等問題。本文對XX煤礦礦井水害防治中鉆探技術的優化應用進行了簡單分析，具體如下。

2 煤礦水害災害類型及事故特點

我國煤礦水害類型主要包括六個類型，即華北石炭—二疊紀煤田的巖溶——裂隙水水害區為I類；華南晚二疊紀煤田巖溶水水害區為II類；東北及內蒙侏羅紀煤田砂礫巖裂隙水水害、西北侏羅紀煤田砂礫巖裂隙水水害分別為III類、IV類；西藏及滇西中生代煤田裂隙水水害、臺灣第三紀煤田裂隙——孔隙水水害分別為V類、VI類[1]。

通過對“十三五”期間我國煤礦水害事故特征統計得出：根據所有制煤炭企業類型的差異，水害事故特征也具有一定變化。一般來說，鄉鎮煤礦水害事故發生概率遠高于國有地方及國有重點煤礦水害事故發生概率。其中地質構造誘發的煤礦突水發生概率最大，煤礦突水水害對礦井安全生產造成了極大的威脅。因此，老空積水、地表水等突水水害為煤礦水害防治要點。

3 煤礦水害防治工作中鉆探技術的應用措施

3.1 鉆探設備選定

依據MT/T 790-2006《煤礦坑道勘探用鉆機》、MT/T356-2005《煤礦井下安全工程鉆機》的相關要求，本次鉆探工程中主要用鉆探設備為ZDY1300型煤礦用全液壓坑道鉆機及ZG型R780高強度外平鉆桿。煤層施工采用靜壓水作為沖洗介質的普通回轉鉆進工藝。配套設備包括：新型ZDY3200L全液壓鉆機、Φ113四翼內凹PDC鉆頭、Φ73整體式寬葉片螺旋鉆桿等附屬設備。鉆孔直徑為113mm，最大深度為10～180m，鉆孔傾角范圍-90°～+90°、方位角 0～180°；底孔用鉆桿為 Φ110/73mm×1m插接式雙頭螺旋鉆桿，鉆桿接頭采用內加厚方式局部增加壁厚，通過摩擦焊與鉆桿相連，芯桿直徑73 mm，鉆桿外直徑為110mm；煤層施工用鉆桿為Φ73mm×1m整體式寬葉片螺旋鉆桿，鉆桿接頭采用內加厚方式局部增加壁厚，通過摩擦焊與鉆桿相連，采用螺紋式連接；底板鉆孔用的鉆頭為Φ120mm插接式螺旋合金鉆頭，該鉆頭為高品質硬質合金切削齒；煤層鉆孔選用的為Φ113mm四翼內凹PDC鉆頭，該頭采用優質金剛石復合片（PDC）作為切削齒。

圖1 煤礦用全液壓鉆進系統

3.2 鉆探方案設計

本次鉆探主要是在即將開掘的11562工作面上順槽進行鉆探施工，即依據工作面下順槽已形成鉆探場地，沿順槽方向，進行超前探與底板加固作業。在前期鉆探面設計過程中，需在底板鉆孔的基礎上，設計兩探煤鉆孔。即設計探煤孔鉆進層位平均煤厚為6.22m，底板孔鉆進層位為L7灰巖底部細粒砂巖，該層位置較穩定，距離灰巖4.89m。

在11562工作面下順槽鉆探期間，主要依據上順槽鉆探方向，經大幅度拐彎，在巷道兩側進行探煤鉆探[2]。由于底板注漿口位于巷道下方，為保證探煤鉆孔作業順利進行，施工人員需合理設置一分支探頂節點，保證順槽口內煤層構造穩定。

3.3 鉆探方案實施

首先，在鉆孔結構設計期間，需在兩級套管下部開設孔徑為φ113mm的鉆孔。其次，在鉆孔軌跡確定之后，可采用φ50.0mm金剛石復合片可開閉式鉆頭，回鉆一級孔口管，隨后下放設計內徑為φ105mm的套管，并利用井下注漿泵，依照水灰比為1/1.0的比例進行水泥漿拌合，在套管內進行注漿固管作業。為保證固管效果，應保證水泥漿凝固時間在24h以上。在這個基礎上，利用φ105mm鉆頭透出套管0.6m后進行耐壓試驗，保證耐壓試驗階段周邊水壓在11MPa左右。若套管壁周邊無水分滲出，則表明固管效果良好，反之則需要重新進行固管作業。最后，在鉆頭鉆設過程中，根據鉆扣類型的差異，需要采取不同的鉆孔模式，如在全煤層鉆進期間，需要采用螺旋鉆桿在煤層鉆進成孔。

在鉆進煤層與設計煤層呈90°時，施工人員需要利用高角度上仰施工方式，在頂板條件較好的位置進行鉆桿架設，然后在原有孔口管的基礎上增設一套管，以控制上孔口與地表距離在2.00m以下，避免擊發距離過長對鉆進效果的影響。

在斜下孔鉆設期間，由于鉆孔順層鉆進期間巖層自重的影響，巖層破碎風險較大，據此，可在煤層下方設置鉆桿。并在鉆頭距離孔底16m時調整泵壓，避免憋泵現象對鉆進穩定性的不利影響。若在煤礦水害防治階段不需進行鉆芯取樣，則可直接進行沖孔提鉆作業，即沿正常鉆進軌道，待沖孔20.0min后，提出鉆桿。

在松軟層跟管鉆進階段，施工人員需要綜合考慮鉆進到一定深度后遭遇松軟層及開孔階段遭遇松軟層等情況。若在鉆進一定深度后遇到松軟層，相關人員需要首先下放一孔徑口管，然后進行巖芯管的鉆進。一般來說巖芯管內徑應比鉆頭大一徑。這種情況下，若鉆進階段遭遇松軟層，施工人員就可以及時拉鉆。并利用跟管鉆進的方式，持續鉆進，保證鉆進階段孔壁穩定；若在開孔之初遭遇松軟層，施工人員需要配置與止水管端口相符的合金鉆頭。結合后端螺絲頭的設置，可避免松軟層鉆進階段套管管壁失穩。

4 煤礦水害防治工作中鉆探技術的應用優化

鉆探技術在煤礦水害防治中的應用，不僅可以驗證前期物探結果，而且可以揭示富水異常區水文地質特點[3]，進而幫助施工方了解導水構造水文地質條件及其與水源間的關系。但是，在現階段煤礦水害防治工作開展過程中，鉆孔軌跡不可控、含水層有效孔段短、鉆孔孔深淺等問題的存在，嚴重影響了鉆探水害防治效果。因此，在今后鉆探技術應用過程中，設計人員應在保證鉆孔軌跡平直的基礎上，最大程度控制鉆孔彎曲程度，避免鉆桿與孔壁頻繁摩擦影響鉆探給進壓力。

其次，為降低鉆孔埋鉆風險因素，煤礦水害防治人員可采用回轉鉆機+定向鉆進的模式，將鉆進孔內多余雜質帶出，同時在鉆進階段對鉆孔漏失量進行觀測，探究巖層破碎帶水害分布情況，為后期水害治理提供依據。

最后，為保證后期巷道掘進工作穩定進行，緩解礦井工作面緊張程度，同時相關人員可借鑒與工程水文地質條件類似工程經驗，進一步調整煤礦水害區鉆探方案。

5 結語

綜上所述，煤礦井下水害事故是煤礦生產作業安全主要威脅因素之一。因此，煤礦鉆探企業可以井下水防治為要點，依據煤礦區水害類型，選擇合理的煤礦鉆探設備、鉆探方式及實施方案，同時綜合考慮斜下孔鉆進、高角度上仰鉆進、全煤層孔螺旋鉆進等類型，合理調整鉆進模式，保證鉆進階段煤層穩定，降低巖層破碎對煤礦水害防治效果的影響。