千米定向鉆高效探測近煤層老空區邊界技術與實踐

韓志遠

(山西煤炭運銷集團忻州有限公司,山西 忻州 034000)

山西煤炭運銷集團泰山隆安煤業有限公司是由四座煤礦兼并重組整合而成,批準開采813號煤層,批采標高1 180 m～680 m。目前泰山隆安煤業進入薄煤層開采,煤層厚度1.8 m～2.7 m左右,11號上組煤厚度1.4 m左右,11號下組煤厚度1.8 m～2.5 m,平均2.2 m,11下303回采工作面北為11號煤西翼集中回風下山，南為原廢棄民采平硐采空區,東為原橋頭鎮辦煤礦采空區，西為11301回采工作面。根據前期礦方對原橋頭鎮辦煤礦資料調查和走訪老工人,推斷出11下303工作面東南有原橋頭鎮辦煤礦采空區,該采空區可能存在積水,推測積水量為34 047 m3。為了進一步驗證泰山隆安礦11303工作面南部和11305工作面中部的原橋頭鎮辦煤礦采空區,及時掌握老窯采空區的分布及積水情況就顯得尤為重要。

1 千米定向鉆的工作原理

定向鉆進技術是利用自然造斜規律并結合專用工具使鉆孔軌跡設計延伸鉆進至指定目標層位的一種鉆探方法[1-2]。定向鉆進技術不僅能大幅提高單孔的施工進度還能夠實現一個主孔內多個分支孔的施工，從而大幅度提高探測范圍，并且具有精度高、直觀性強、適應面寬等優點。近年來,定向鉆進技術以其獨有的技術優勢在煤礦安全和地質勘探領域得到了廣泛的應用，特別是在煤礦瓦斯防治、構造探測、水害防治及其它隱蔽致災因素探查中發揮著越來越重要的作用[3-5]。

2 千米定向鉆設備參數及施工設計方案

2.1 千米定向鉆設備參數

本次老空區探測使用設備為VLD-1000型履帶式液壓鉆機,由導向裝置、孔底馬達、注漿泵等組成。機身長度3 742 mm,寬度2 100 mm,高度1 666 mm,重量12 500 kg,動力部分主要靠電動馬達、液壓泵、主泵、液壓水泵、輔助泵等五部分組成。鉆進過程中鉆桿不轉動,鉆頭通過中空鉆桿提供的高壓水驅動,做工之后的水攜帶鉆屑從鉆桿與鉆孔之間流出。鉆頭能夠隨時顯示空間位置,并能夠實現鉆進方向的調節,實現定向鉆進。

2.2 設計依據

結合泰山隆安煤礦地質報告、采掘平面圖、泰山隆安煤業11301和11303工作面煤層頂底板綜合柱狀圖以及泰山隆安煤業采掘現狀,在保證正常掘進的前提下制定了鉆探施工方案。

2.3 設計方案

本次老空區在11301回風順槽計劃施工2個定向探放水鉆場進行鉆探:在11301回風順槽775 m處的硐室內布置1號鉆場，在11301回風順槽450 m處的硐室內布置2號鉆場分階段探測。鉆孔軌跡平面設計示意圖,見圖1。

圖1 鉆孔軌跡平面布置設計示意圖Fig.1 Plane layout of drilling trajectory

2.4 技術方案

1)在1號鉆場內施工1號定向鉆孔,1號定向鉆孔孔徑100 mm,開孔方位角120°,開孔傾角1°,目標方位角180°。1號鉆孔主孔長度630 m(0～630 m),主孔層位于11號下煤層內,鉆探范圍為:11303回風順槽1 270 m至1 387 m,輪廓線向東25 m的區域(即橋頭鎮辦煤礦西南側巷采采空區)。

在施工完1號定向鉆孔后,根據鉆探結果再施工分支孔,主孔每隔100 m施工分支孔向上探至11號上煤層頂板,共計施工5個分支鉆孔,每個探頂分支長度70 m,計劃在3號、5號、7號向11號下煤層頂板進行分支探測,每分支長度150 m,總進尺1 430 m。

2)在2號鉆場內施工2號定向鉆孔,2號定向鉆孔孔徑100 mm,設計開孔方位角93°,開孔傾角6°,目標方位角90°。2號定向鉆孔共3個主分支,主孔層位于11號下煤層內,其中1號主分支長度516 m(0～516 mm),鉆探范圍為:305回風順槽377 m至460 m,輪廓線向西40 m的區域。2號主分支長度366 m(204 m～570 m),鉆探范圍為:305回風順槽460 m至506 m,輪廓線向東25 m的區域。3號主分支長度354 m(180 m～534 m),鉆探范圍為:305回風順槽506 m至665 m,輪廓線向西89 m的區域。

在施工完成主分支孔后,根據鉆探結果在鉆孔的主分支每隔100 m向11號上煤層頂板施工分支孔,每個探頂分支長度50 m,共施工4個分支孔。

3 定向鉆進施工工序

根據本次定向鉆孔設計要求和鉆機操作規程進行施工工序為:移機定位→開孔和擴孔→耐壓試驗→定向施工。

3.1 移機定位

根據鉆孔設計的要求和鉆機操作規程的規定將鉆機搬移至開孔位置,按照規定方位角和傾角固定鉆機。

3.2 開孔和擴孔

使用Φ98 mm打鉆鉆頭和普通鉆桿采用旋轉鉆進方式直接開孔,然后用Φ153 mm擴孔鉆頭和普通鉆桿采用旋轉鉆進方式直接擴孔。

3.3 耐壓試驗

依據《煤礦防治水規定》探放老空積水的超前鉆距,下長度不小于10 m的止水套管。使用的水泥標號不低于425號,無變質、結塊現象，按照0.5:1水泥漿封閉固結。48 h后進行耐壓試驗，試驗壓力必須達到1 MPa,穩定30 min,孔口管管壁及管口四周不漏水為耐壓試驗合格。耐壓試驗經驗收合格后安裝好法蘭盤、水壓表、高壓防水球閥及反噴裝置(抗水壓2 MPa)。

3.4 定向鉆施工

1)校正彎頭方向。將孔內馬達放入并連接孔底工具鉆桿,退回鉆桿使彎頭方向標記露出孔外并將彎頭方向設置為360°,進行一次檢查測量確認彎頭方向為360°,加上鉆桿直到孔內馬達、孔底工具以及銅鉆桿全部進入孔內。

2)開新孔操作。將孔內馬達送入已擴好孔的孔底,啟動水泵,待孔中返出水,確認返渣正常后,用孔內馬達鉆進至9 m處。按復位按鈕進行檢查測量,記錄方位角讀數。正常鉆進操作每6 m進行一次測量,與設計軌跡進行對比,根據偏移情況決定彎頭方向的調整策略。

3)開分支操作。從圖上找到分支點,要求有至少0.5°的爬升, 記下孔外電腦上欲開分支點的孔深米數和左側的測量編號。

4)完孔。當鉆孔施工至設計深度后,應進行一次洗孔,以確保退鉆順利和通道暢通。完孔后應及時將井下記錄的終孔參數進行處理并輸入數據庫,將鉆孔軌跡及時描繪在礦圖上。

5)撤鉆。鉆孔施工完畢后將鉆桿全部退出,卸下孔底馬達,斷開地錨與鉆機之間的聯接。退出鉆桿后,連接高壓軟管引入礦方排水系統。若鉆孔探測結果為無水,退出鉆桿后及時對鉆孔用水泥漿進行封堵,封堵長度不小于0.5 m,并在孔口加裝法蘭堵板。

4 施工分析評價

4.1 定向鉆進施工分析

本次探放水鉆孔施工以11號下煤為目標層位。

由于11號下煤層較薄、斷層多、鉆孔施工時轉彎半徑大的原因,導致4號鉆孔見煤孔段較少,后經過調整鉆進工藝參數，5號鉆孔見煤孔段較多。根據2個鉆孔孔內返水、返渣情況及鉆機工作參數判斷煤層沿鉆孔方向高程變化及是否存在采空區。

根據探放水鉆孔實測，鉆孔施工已經鉆進至預定區域，1號定向鉆孔未探出采空區及積水，2號定向鉆孔已經完整覆蓋305工作面煤層推斷的采空區，并探測至305回風順槽東側，未發現采空區及積水。施工過程中存在煤層起伏與原有等高線不符、構造等情況，導致與設計線路軌跡有個別出入,通過不斷探頂分支的施工確定煤層的頂底板，使施工軌跡始終保持在11號下煤層中，直至老空區及煤層積水區域。

4.2 勘探效果評價

本次探放水工程質量合格，依據煤礦探放水質量驗收制度,本次探放水工程嚴格按照設計和施工安全措施施工,詳細記錄鉆孔施工中的數量、角度、孔深和孔內情況等數據。嚴格按照現場驗收規定對已經施工完畢的鉆孔進行驗收記錄并遞交鉆孔參數。

5 結束語

本次采用千米定向鉆高效地完成了對泰山隆安煤業近煤層探測，老空區邊界探測定向鉆孔施工按照設計鉆進至預定區域，達到了設計預期的效果，準確地探明泰山隆安11303工作面南部和11305工作面中部的原橋頭鎮辦煤礦老空區情況,及時掌握了老窯采空區的分布及積水情況,消除了泰山隆安煤礦井下采掘施工作業中的水害隱患，緩解了采掘銜接緊張的局面,增加了資源回收率，為礦井的安全回采創造了良好條件。