寺河礦地質(zhì)異常體探查鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

張 韌

（山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司寺河煤礦，山西 晉城 048205）

寺河煤礦存在采空區(qū)、斷層、陷落柱等地質(zhì)異常體，這些地質(zhì)異常體常因富含水或瓦斯而影響了煤礦的安全生產(chǎn)。采用隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)地質(zhì)異常體進(jìn)行探查，全面綜合分析圖紙資料、調(diào)查測(cè)繪、物探成果，確定鉆孔的數(shù)量及深度，做到鉆探、物探成果相互補(bǔ)充和驗(yàn)證，有效掌握井下地質(zhì)異常體的具體情況，為水害和瓦斯防治等安全工作提供技術(shù)支撐依據(jù)。

1 地質(zhì)異常體定向鉆進(jìn)技術(shù)分析

1.1 地質(zhì)異常體探查鉆進(jìn)技術(shù)

1.1.1 無(wú)孔底側(cè)鉆開(kāi)分支技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)立體化探查地質(zhì)異常體，可施工多個(gè)分支孔從不同角度和位置查明地質(zhì)異常體準(zhǔn)確空間信息，而無(wú)孔底側(cè)鉆開(kāi)分支技術(shù)是分支孔施工的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)定向鉆孔長(zhǎng)距離延伸的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)開(kāi)分支模型的力學(xué)分析，開(kāi)發(fā)了低速磨削分支法和高速反復(fù)磨削法兩種工藝。其中，低速磨削分支法將由單彎螺桿馬達(dá)組合組成的導(dǎo)向鉆具下至預(yù)開(kāi)分支點(diǎn)，將工具面向角調(diào)至180°左右，開(kāi)泵緩慢鉆進(jìn)，直到開(kāi)出新的分支孔。反復(fù)磨削法是指開(kāi)泵以較快速度鉆進(jìn)，機(jī)身鉆具（3 m）全部送入孔內(nèi)后，再將其提出鉆孔，再次以相同方法送入孔內(nèi)，以類似方法再磨削1～2 次，可加桿繼續(xù)磨削2 次，之后再加桿向前正常鉆進(jìn)，直至分支開(kāi)出。根據(jù)分支孔工藝流程，可分為后退式分支孔工藝和前進(jìn)式分支孔工藝兩種。其中，后退式分支孔工藝也稱從內(nèi)往外分支孔，即先完成主孔施工，在起鉆的同時(shí)進(jìn)行分支孔施工。前進(jìn)式分支孔工藝也稱從外向內(nèi)開(kāi)分支孔，即在主孔鉆進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行分支孔施工。

1.1.2 長(zhǎng)鉆孔成孔技術(shù)

在煤層起伏變化未知區(qū)域，結(jié)合無(wú)孔底側(cè)鉆開(kāi)分支技術(shù)，采用“探頂—開(kāi)分支—再探頂再分支”的主孔鉆進(jìn)方法，可實(shí)現(xiàn)定向鉆孔長(zhǎng)距離成孔，提高探查和覆蓋面積。即采用前進(jìn)式開(kāi)分支技術(shù)施工，每鉆進(jìn)一定距離（50～80 m）進(jìn)行一次人為主動(dòng)探頂，探測(cè)頂板起伏情況，然后提鉆一定距離（12～30 m）開(kāi)分支，直至達(dá)到設(shè)計(jì)深度。同時(shí)，為全面摸清施鉆煤層起伏情況，可采用后退式開(kāi)分支技術(shù)，在定向鉆孔達(dá)到目標(biāo)孔深后退鉆時(shí)利用分支孔探查煤層底板起伏情況。

1.2 地質(zhì)異常體探查鉆進(jìn)技術(shù)特點(diǎn)

采用定向鉆孔進(jìn)行地質(zhì)異常體探查，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）探查距離遠(yuǎn)，可在工作面未形成之前進(jìn)行施工，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)異常體區(qū)域超前探查和治理。

（2）探査精度高，且可實(shí)現(xiàn)立體化探查，可準(zhǔn)確計(jì)算探查到的地質(zhì)異常體的三維坐標(biāo)，為工程施工提供技術(shù)資料。

（3）探查工作量少，減少了不必要的重復(fù)浪費(fèi)。

（4）鉆孔軌跡可隨鉆測(cè)控，避免探查盲區(qū)，提高了鉆孔鉆遇地質(zhì)異常體的概率。

1.3 地質(zhì)異常體探查鉆進(jìn)適用條件

地質(zhì)異常體探查鉆進(jìn)技術(shù)適用于普氏硬度系數(shù)f ≥1 的較完整煤層，避免在煤層破碎帶布置定向鉆孔；鉆孔主要為近水平鉆孔，傾角一般為-30°～45°；鉆孔直徑≥96 mm；鉆孔傾角彎曲強(qiáng)度應(yīng)不大于0.05 rad/6m（3°/6 m）；鉆孔方位角彎曲強(qiáng)度應(yīng)不大于0.035 rad/6m（2°/6 m）；探查精度為垂直偏差≤孔深的2%，水平偏差≤孔深的5%。

2 礦井概況

寺河礦位于沁水煤田東南部，東區(qū)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為10.8 Mt/a，主采3 號(hào)煤層，采用傾向長(zhǎng)壁式一次采全高工藝進(jìn)行開(kāi)采。3 號(hào)煤層位于山西組下部，上距下石盒子組底界砂巖（K8）37.00 m 左右，下距K7 砂巖9.10 m 左右，煤層厚度6.55～6.92 m，平均6.76 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含0～1 層夾矸，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖。

5310 工作面為該礦井首采工作面。受地質(zhì)條件和工藝手段的限制，常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工探測(cè)斷層難度較大，而井下近水平定向鉆進(jìn)技術(shù)能夠有效延長(zhǎng)鉆孔深度，可精確確定斷層的產(chǎn)狀、走向、斷距等，因此，該礦采用定向鉆探技術(shù)對(duì)三維地震解釋的斷層進(jìn)行驗(yàn)證。探查內(nèi)容為：（1）鉆孔對(duì)F5310斷層前后100 m 范圍加以探查，以驗(yàn)證三維地震解釋的F5310 斷層是否存在；（2）確定控制區(qū)域內(nèi)F5310 斷層的走向、斷距；（3）對(duì)5310 工作面煤層變化情況進(jìn)行探測(cè)。

3 定向鉆孔探查實(shí)踐

3.1 探查鉆孔設(shè)備

地層異常體探查定向鉆孔目前主要鉆孔孔徑為Φ98 mm，其施工的關(guān)鍵裝備包括定向鉆機(jī)、定向鉆頭、螺桿馬達(dá)、定向鉆桿、隨鉆測(cè)量裝置等，可直接采用疏放水定向鉆孔鉆進(jìn)裝備。采用不同隨鉆測(cè)量裝置施工時(shí)的鉆具組合為：

（1）采用礦用有線隨鉆測(cè)量裝置施工時(shí)的鉆具組合：Φ98 mm 定向鉆頭+Φ73 mm 螺桿馬達(dá)+Φ76 mm 下磁+Φ76 mm 探管外管（內(nèi)部裝有礦用有線隨鉆測(cè)量裝置）+Φ76 mm 上無(wú)磁+Φ73 mm 通纜鉆桿+Φ73 mm 通纜鉆桿+Φ73 mm 通纜送水器。

（2）采用礦用無(wú)線隨鉆測(cè)量裝置施工時(shí)的鉆具組合：Φ98 mm 定向鉆頭+Φ73 mm 螺桿馬達(dá)+Φ76 mm 下無(wú)磁+Φ76 mm 探管外管（內(nèi)部裝礦用無(wú)線隨鉆測(cè)量裝置）+Φ73 mm 高韌性高強(qiáng)度外平鉆桿+Φ73 mm 高韌性高強(qiáng)度外平鉆桿+Φ73 mm普通送水器。

同時(shí)，考慮地質(zhì)異常體探查時(shí)孔內(nèi)工況的復(fù)雜性，為提高鉆進(jìn)裝備的事故處理能力，可以采用以下特殊鉆具：

① 螺旋螺桿馬達(dá)。通過(guò)在螺旋桿馬達(dá)定子外喉上鏡洗螺旋槽，提高近鉆頭無(wú)磁鉆具的排碴能力。

② 整體式寬翼片螺旋鉆桿。在定向鉆進(jìn)用中心通纜式鉆桿或外平鉆桿外銳洗螺旋槽，以提高復(fù)合定向鉆進(jìn)時(shí)鉆孔排碴效果。

3.2 鉆孔施工

在對(duì)寺河礦5310 工作面地質(zhì)異常體進(jìn)行探測(cè)時(shí)，第一步：確定該處是否存在斷層，必須明確；第二步：在斷層明確基礎(chǔ)上確定斷層空間結(jié)構(gòu)；第三步：根據(jù)斷層含水量確定探測(cè)方法。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案先進(jìn)行2 號(hào)孔的施工作業(yè)，在對(duì)2 號(hào)孔進(jìn)行探測(cè)時(shí)鉆遇斷層，嚴(yán)重影響施工安全，因此調(diào)整設(shè)計(jì)方案。繼續(xù)在2 號(hào)孔中施工穿斷層分支孔，探明斷層斷距，一共施工進(jìn)尺1412 m。施工定向主孔1 個(gè)，進(jìn)尺620 m，探頂分支孔5 個(gè)，累計(jì)進(jìn)尺792 m，探斷層分支孔6 個(gè)。實(shí)鉆軌跡如圖1、圖2 所示。

圖1 實(shí)鉆鉆孔軌跡水平投影圖

圖2 實(shí)鉆鉆孔軌跡垂直剖面圖

4 F5310 斷層驗(yàn)證效果分析

三維地震結(jié)果表明：F5310 斷層（H=0～38 m，正斷層，SE ∠55°）控制程度可靠，由于斷層未揭露，推測(cè)埋深720 m。

施工的2 號(hào)探斷層鉆孔位置在斷層上盤(pán)，在2號(hào)主鉆孔有探頂分支孔5 個(gè)。2-S6-1、2-S6-2、2-S6-3這3 個(gè)分支孔的實(shí)鉆結(jié)果表明：3 個(gè)分支孔在孔深為574～620 m 的范圍內(nèi)地層破碎，靠近F5310 斷層有掉塊塌孔引起的卡鉆憋泵現(xiàn)象；越靠近斷層，斷層帶充填物煤屑越細(xì)小。在鉆進(jìn)2-S6-3 分支孔到孔深620 m 時(shí)，鉆機(jī)的給進(jìn)起拔壓力達(dá)20.5 MPa 時(shí)，經(jīng)過(guò)多次強(qiáng)力回轉(zhuǎn)和起拔，最終才將鉆具從孔內(nèi)安全起出。

在2 號(hào)探斷層鉆孔施工過(guò)程中，成孔難度大，無(wú)法繼續(xù)其他主孔鉆進(jìn)，調(diào)整施工辦法為探頂分支孔的鉆探方法，先后嘗試了多達(dá)5 種的鉆探方法才完成施工任務(wù)。在2-S6 的601 m 和2-X1 的580 m處鉆遇細(xì)粒煤泥和塊狀泥巖，基于以上情況判斷F5310 斷層存在。

設(shè)計(jì)施工2-X1 下探分支孔，當(dāng)鉆孔深度在577～580 m 時(shí)，鉆孔難度大幅度增加，在580 m 返出塊狀泥巖。經(jīng)軌跡計(jì)算確定，孔底591 m 處距預(yù)測(cè)煤層底板垂深為10.51 m。在580m 時(shí)，返出塊狀泥巖造成塌孔、卡鉆等現(xiàn)象，無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行鉆孔施工，為了確保施工安全，終止2-X1 分支孔的施工。經(jīng)推測(cè)此時(shí)鉆遇到F5310 斷層。

根據(jù)該區(qū)域三維地震探測(cè)結(jié)果，同時(shí)結(jié)合2 號(hào)主鉆及相應(yīng)分支孔返出巖樣分析可以判斷：5310 工作面存在F5310 斷層；2S6、2-S6-1、2-S6-2、2-S6-3和2-X1 分支孔已鉆進(jìn)到F5310 斷層帶；2-X1 下探分支鉆進(jìn)至580 m 處，距預(yù)測(cè)底板10.51 m 時(shí)返出塊狀泥巖為底板巖性，充分說(shuō)明已到斷層；分析根據(jù)探測(cè)孔M4-3 巖性描述底板泥巖厚度約12.06 m，可以推測(cè)出，在2 號(hào)鉆孔施鉆區(qū)域內(nèi)，F(xiàn)5310 斷層斷距 10.51～22.57 m。

5 總結(jié)

采用隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)三維地震資料顯示5310 工作面存在的F5310 斷層進(jìn)行探測(cè)斷層施工，確定了F5310 斷層的存在，并有效探測(cè)出F5310 斷層的位置及斷距，為工作面水害和瓦斯防治工作提供依據(jù)。該研究從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)上驗(yàn)證了隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦地質(zhì)異常體探查中的應(yīng)用效果理想，為地質(zhì)異常體探查工作提供技術(shù)參考。