煤礦老空區(qū)定向探查鉆孔的施工應(yīng)用

李 浩

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

早期由于開(kāi)采技術(shù)水平的限制、小煤窯無(wú)序開(kāi)采等原因，我國(guó)煤礦平均回采率僅為30%～35%，小煤窯回采率低于20%，致使大量煤炭資源遺留在地下[1]。未知老空區(qū)影響巷道掘進(jìn)及開(kāi)采準(zhǔn)備，甚至影響安全生產(chǎn)。因此，尤其是重組整合煤礦，加強(qiáng)對(duì)老空區(qū)、小煤窯邊界的探查工作，對(duì)于保障安全生產(chǎn)、最大限度地釋放開(kāi)采空間具有重要的意義。

定向鉆技術(shù)具有軌跡可控、定位精度高、可隨鉆測(cè)量、一孔多用、超深探查等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于煤礦瓦斯抽采、探放水等方面，該技術(shù)也成為精確探查老空區(qū)邊界及保障煤礦安全回采的主要技術(shù)手段之一[2-8]。以3個(gè)煤礦探查老空區(qū)定向鉆孔施工為例，分析了老空區(qū)定向探查鉆孔施工流程。針對(duì)老空區(qū)情況的不同，分析了對(duì)鉆孔軌跡控制精度的要求及影響因素、準(zhǔn)確選擇磁偏角的重要性，總結(jié)了確保定向鉆具的安全施工措施及經(jīng)驗(yàn)。

1 定向鉆孔探查老空區(qū)技術(shù)裝備與工藝

1.1 老空區(qū)

老空區(qū)位置明確時(shí)，鉆孔靶點(diǎn)確定后，利用定向鉆技術(shù)控制鉆孔沿設(shè)計(jì)軌跡穿透靶點(diǎn)；老空區(qū)位置不明確時(shí)，鉆孔沿目標(biāo)地層邊施工邊探查。當(dāng)目標(biāo)地層走勢(shì)也不明確時(shí)，還需要增加對(duì)地層走勢(shì)的探查。定向鉆孔探查老空區(qū)如圖1所示。

圖1 定向鉆孔探查老空區(qū)示意Fig.1 Directional boreholes for exploration of goaf

1.2 配套設(shè)備

煤礦井下探查老空區(qū)定向鉆孔施工推薦配套主要設(shè)備見(jiàn)表1。

表1 主要配套設(shè)備Tab.1 Main supporting equipment

1.3 施工工藝流程

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》及《煤礦防治水細(xì)則》老空區(qū)探放水要求，探放水鉆孔需要設(shè)置孔口止水套管，孔口安置閘閥等(圖2)，并采取防止瓦斯與其他有害氣體危害等安全措施。止水套管長(zhǎng)度根據(jù)具體情況決定，老空積水范圍、積水量不清楚的，止水套管長(zhǎng)度不得小于10 m；老空積水范圍、積水量清楚的，根據(jù)水頭值高低、煤(巖)層厚度、強(qiáng)度及安全技術(shù)措施等確定。止水套管應(yīng)當(dāng)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，耐壓值不得小于預(yù)計(jì)靜水壓值的1.5倍，并穩(wěn)定30 min以上；預(yù)計(jì)水壓大于1.5 MPa時(shí)，采用反壓和有防噴裝置的方法鉆進(jìn)。

圖2 孔口裝置示意Fig.2 Structure of orifice device

綜上，井下老空區(qū)探查定向鉆孔施工工藝流程如圖3所示。

圖3 老空區(qū)探查定向鉆孔施工工藝流程Fig.3 Technological flowchart of directional boreholes for exploration of goaf

2 施工案例

2.1 石拉烏素煤礦泄水巷定向?qū)ㄣ@孔

(1)施工目的。石拉烏素煤礦南部泄水巷沿2號(hào)煤掘進(jìn)，北部泄水巷(密閉積水巷)沿2-2號(hào)煤掘進(jìn)。北部泄水巷主要承擔(dān)201A工作面疏放水、222采區(qū)2-2上煤層、采空區(qū)積水疏放任務(wù)。為降低工作面回采期間疏放水壓力，同時(shí)保證南部泄水巷掘進(jìn)工作面安全施工，擬施工定向鉆孔作為臨時(shí)泄水鉆孔，將北部泄水巷積水疏放至南部泄水巷。

(2)鉆孔設(shè)計(jì)。泄水巷尺寸：寬×高=5.0 m×3.5 m。鉆場(chǎng)位于南部泄水巷掘進(jìn)面左幫。北部泄水巷距巷道端部15 m內(nèi)為硬化底板，并在15 m處設(shè)有攔淤墻，靶區(qū)坐標(biāo)位置明確，即為距巷道端部15 m，鉆孔軌跡控制對(duì)于層位、方位精度的要求都較高，軌跡控制時(shí)需兼顧傾角、方位調(diào)整。共設(shè)計(jì)2個(gè)鉆孔，鉆孔設(shè)計(jì)深度249 m，如圖4、圖5所示。

圖4 鉆孔設(shè)計(jì)剖視示意Fig.4 Section view of boreholes design

圖5 鉆孔設(shè)計(jì)俯視示意Fig.5 Top view of boreholes design

(3)施工情況。石拉烏素煤礦泄水巷定向?qū)ㄣ@孔施工情況見(jiàn)表2。

表2 石拉烏素煤礦泄水巷定向?qū)ㄣ@孔施工情況Tab.2 Construction schedule of directional boreholes in Shilawusu Coal Mine

(4)施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題及處理方法。①地層資料信息不準(zhǔn)確。在1號(hào)鉆孔施工過(guò)程中，孔深234m(距離設(shè)計(jì)靶鉆15m)時(shí)更換回轉(zhuǎn)鉆具，249m時(shí)并未穿入積水巷道，繼續(xù)施工至261 m仍未能穿入積水巷，也沒(méi)鉆遇煤層。處理方法：分支探明地層，根據(jù)1-1號(hào)鉆孔探煤情況顯示，設(shè)計(jì)靶點(diǎn)位置比實(shí)際靶點(diǎn)(積水巷)低了約2.0 m，調(diào)整靶點(diǎn)高度。②磁偏角誤差。1-1號(hào)孔從煤層底板穿過(guò)煤層頂板，但未進(jìn)入積水巷，表明左右偏出巷道。分析可能是采用的磁偏角存在誤差造成的。處理方法：開(kāi)分支孔分別將靶點(diǎn)向右、向左偏移積水巷寬度的1/2距離。1-2號(hào)鉆孔向右偏移2.2m未穿入積水巷，1-3號(hào)鉆孔向左偏移2.0 m成功穿入積水巷。并根據(jù)1-1號(hào)鉆孔、1-2號(hào)鉆孔和1-3號(hào)鉆孔的偏移位置關(guān)系，反算磁偏角，對(duì)磁偏角進(jìn)行粗略修正。2號(hào)鉆孔采用修正后的磁偏角一次成功穿入積水巷。③卡鉆處理。1-3號(hào)鉆孔從積水巷底部穿入時(shí)發(fā)生卡鉆事故，采用慢速回轉(zhuǎn)+慢速起拔的方法提出孔內(nèi)鉆具。2號(hào)鉆孔調(diào)整靶點(diǎn)高度后，從巷道側(cè)幫穿入積水巷，未出現(xiàn)卡鉆事故，出水量也由18 m3/h增大至40 m3/h。

2.2 張雙樓煤礦采空區(qū)定向放水鉆孔

(1)施工目的。張雙樓煤礦93604工作面采空區(qū)和92608工作面采空區(qū)在低洼處存有積水，影響93606工作面和92610工作面安全回采。根據(jù)地質(zhì)資料分析，93604工作面積水量11 500 m3，92608工作面預(yù)計(jì)最大積水量8 300 m3。擬施工定向鉆孔對(duì)93604工作面采空區(qū)和92608工作面采空區(qū)積水進(jìn)行疏放。

(2)鉆場(chǎng)位置。93606刮板輸送機(jī)道探放93604采空區(qū)老空水鉆孔及92610刮板輸送機(jī)道探放92608采空區(qū)老空水鉆孔工程，施工地點(diǎn)分別在93606刮板輸送機(jī)道L21點(diǎn)往南5 m處、92610刮板輸送機(jī)道A35點(diǎn)前約8 m處。靶區(qū)位置明確，鉆孔軌跡控制對(duì)于層位要求較高、對(duì)于方位精度要求較低。

(3)施工情況。張雙樓煤礦采空區(qū)定向放水鉆孔施工情況見(jiàn)表3。

表3 張雙樓煤礦采空區(qū)定向放水鉆孔施工情況Tab.3 Construction schedule of directional boreholes in Zhangshuanglou Coal Mine

(4)施工總結(jié)。采空區(qū)位置明確時(shí)，鉆孔軌跡控制對(duì)于層位要求較高、對(duì)于方位精度要求較低，以控制傾角變化為主。鉆進(jìn)時(shí)注意觀察鉆進(jìn)壓力及孔內(nèi)返水情況，孔內(nèi)返水增大時(shí)表明接近采空區(qū)裂隙區(qū)域，此時(shí)應(yīng)提鉆更換回轉(zhuǎn)鉆具。1號(hào)鉆孔定向鉆進(jìn)施工至207 m時(shí)，孔內(nèi)出水增大，提鉆更換回轉(zhuǎn)鉆具，228 m鉆遇穿入采空區(qū)，最大出水量為112.5 m3/h。2號(hào)鉆孔定向鉆進(jìn)施工至195 m時(shí)，孔內(nèi)出水增大，提鉆更換回轉(zhuǎn)鉆具，207 m鉆遇穿入采空區(qū)，最大出水量100.5 m3/h。3號(hào)鉆孔定向鉆進(jìn)施工至201 m時(shí)，孔內(nèi)出水增大，提鉆更換回轉(zhuǎn)鉆具，213 m鉆遇穿入采空區(qū)，最大出水量90.7 m3/h。3個(gè)鉆孔均成功穿入采空區(qū)，孔內(nèi)未發(fā)生卡鉆事故。接近或鉆遇采空區(qū)的現(xiàn)象：孔內(nèi)出水量增大、有輕微卡鉆現(xiàn)象、孔內(nèi)出水水體發(fā)熱、水體有異味、返水發(fā)黃、鉆進(jìn)壓力減小、鉆具有空跑現(xiàn)象等。

2.3 雙龍煤礦老空區(qū)定向探查鉆孔

(1)施工目的。雙龍礦107工作面巷道掘進(jìn)時(shí)遇到小煤窯老空巷道，影響了煤礦的正常生產(chǎn)計(jì)劃。為了探明礦井北區(qū)東翼小窯破壞區(qū)范圍，擬施工定向鉆孔對(duì)礦井北區(qū)東翼進(jìn)行探查。

(2)鉆場(chǎng)位置。結(jié)合鉆機(jī)施工場(chǎng)地及工期要求，在回風(fēng)大巷里程0～3 300 m段內(nèi)布置13個(gè)鉆場(chǎng)，由北向南依次進(jìn)行定向鉆孔探查礦井北區(qū)東翼小窯破壞區(qū)范圍。老空區(qū)層位明確，坐標(biāo)位置不清楚。鉆孔設(shè)計(jì)沿目標(biāo)煤層施工。當(dāng)目標(biāo)煤層走勢(shì)變化時(shí)，還需要增加分支鉆孔對(duì)煤層走勢(shì)的探查。

(3)施工情況。雙龍煤礦老空區(qū)定向探查鉆孔施工見(jiàn)表4。

表4 雙龍煤礦老空區(qū)定向探查鉆孔施工Tab.4 Construction schedule of directional boreholes in Shuanglong Coal Mine

(4)施工總結(jié)。老空區(qū)沒(méi)有積水時(shí)可采用分支孔方式時(shí)行布孔探查，可以減少開(kāi)孔數(shù)量、減少下止水套管工序，縮短施工工期。鉆孔軌跡需沿煤層控制，當(dāng)?shù)貙訔l件變化不明確時(shí)，應(yīng)主動(dòng)探明地層走勢(shì)、起伏情況。

3 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

(1)提高軌跡控制精度的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于案例一石拉烏素煤礦泄水定向鉆孔，巷道寬度小，要求軌跡控制精度高，為了提高軌跡的控制精度，有3個(gè)方面：①提高準(zhǔn)確的地層資料信息，靶點(diǎn)的位置坐標(biāo)要精確；②磁偏角的準(zhǔn)確程度，根據(jù)磁偏角選取方法及時(shí)更新磁偏角值[9-11]；③地層信息不能準(zhǔn)確提供時(shí)，應(yīng)先施工探查孔，找標(biāo)志層位置，隨時(shí)核對(duì)地層信息，及時(shí)調(diào)整鉆孔設(shè)計(jì)軌跡。

(2)卡鉆處理及預(yù)防。案例一石拉烏素煤礦泄水定向鉆孔1-3號(hào)鉆孔從積水巷底部穿入時(shí)發(fā)生卡鉆事故，采用慢速回轉(zhuǎn)+慢速起拔的方法提出孔內(nèi)鉆具。2號(hào)鉆孔調(diào)整靶點(diǎn)高度后，從巷道側(cè)幫穿入積水巷，未出現(xiàn)卡鉆事故，出水量也由18 m3/h增大至40 m3/h。卡鉆預(yù)防：觀察鉆進(jìn)壓力、返水量變化、更換回轉(zhuǎn)鉆具。采空區(qū)位置明確時(shí)，疏放水鉆孔設(shè)計(jì)應(yīng)由上至下，放水由高至低逐步放水，可以有效避免采空區(qū)沉積的碎巖隨水流帶入孔內(nèi)而發(fā)生卡鉆事故。

(3)接近或鉆遇采空區(qū)的現(xiàn)象。孔內(nèi)出水量增大、有輕微卡鉆現(xiàn)象、鉆孔出水水體發(fā)熱、水體有異味、返水發(fā)黃、返水有淤泥、返水量變小甚至無(wú)返水、鉆進(jìn)壓力減小、鉆具有空跑現(xiàn)象等。

4 結(jié)論

(1)靶區(qū)較小時(shí)，鉆孔軌跡控制對(duì)于層位、方位精度的要求都較高，軌跡控制時(shí)需兼顧傾角、方位調(diào)整。同時(shí)需要準(zhǔn)確選取磁偏角，認(rèn)真核算靶區(qū)坐標(biāo)位置。

(2)采空區(qū)位置一般比較明確，鉆孔軌跡控制對(duì)于層位要求較高、對(duì)于方位精度要求較低，以控制傾角變化為主。疏放水鉆孔設(shè)計(jì)應(yīng)由上至下，放水由高至低逐步放水。

(3)接近老空區(qū)時(shí)的現(xiàn)象有出現(xiàn)孔內(nèi)出水量增大、有輕微卡鉆現(xiàn)象、鉆孔出水水體發(fā)熱、水體有異味、返水發(fā)黃、返水有淤泥、返水量變小甚至無(wú)返水、鉆進(jìn)壓力減小、鉆具有空跑等現(xiàn)象。為保障定向鉆具安全，接近老空區(qū)時(shí)應(yīng)更換回轉(zhuǎn)鉆具進(jìn)行施工。

(4)老空區(qū)位置不明確，鉆孔軌跡控制在目標(biāo)地層之中。當(dāng)?shù)貙訔l件也不明確時(shí)，需增加分支鉆孔主動(dòng)探明地層走勢(shì)、起伏情況。探查老空區(qū)可采用分支孔方式時(shí)行布孔探查，減少開(kāi)孔數(shù)量，縮短施工工期。老空區(qū)情況不明，應(yīng)采取防止瓦斯與其他有害氣體危害等安全措施。