淺析定向鉆孔泥漿循環工藝

崔樹軍

(晉能控股煤業集團 晉城事業部，山西 晉城 048000)

1 礦井基本情況

晉煤集團沁水胡底煤業有限公司位于晉城市沁水縣胡底鄉境內，礦井于2003年開工建設，2017年聯合試運轉，2018年正式成為生產礦井。礦井井田位于沁水盆地南部邊緣，目前擁有5 km2的采礦權和20 km2的探礦權。批準開采3#和15#煤層，可采儲量2 525萬t，其中3#煤層可采儲量1 724萬t.主采3#無煙煤具有低硫、低～中灰、高發熱量、機械強度高等特性，是優質化工原料和動力用煤。井田內3#煤層瓦斯平均含量為24.56 m3/t，最大瓦斯壓力為3.83 MPa，按煤礦瓦斯等級鑒定劃分標準，屬“高瓦斯”、“高突出”、“高礦壓”條件下的“三高礦井”。

3#煤層位于山西組下部，上距下石盒子組底砂巖(K8)31.74～42.33 m，下距太原組K6灰巖10.51～14.95 m，煤層穩定，純煤層最厚6.15 m(ZK1203)，最薄5.20 m(ZK1-1),平均5.72 m,細條帶狀，玻璃光澤，煤層穩定，亮煤為主，鏡煤次之，光亮型，厚度變異系數0.06，可采系數100%.煤層結構簡單，夾矸0～2層，厚0.05～0.39 m，其直接頂為黑色泥巖或粉砂質泥巖，厚0.5～2.0 m，底板為灰黑色泥巖或粉砂質泥巖，厚0.5～3 m.3#煤瓦斯基本參數見表1.對1305底抽巷煤層頂底板取芯，取芯結果發現煤層頂底板破碎嚴重。

表1 3#煤瓦斯基本參數表

2 千米鉆機施工現況

2.1 成孔難

1)2014年初胡底煤業引進了千米鉆機，在高抽巷和本煤層煤巷遞進式抽采中發揮巨大作用，然而，在本煤層施工千米鉆孔，布置模塊時受煤巷掘進限制，無法進行“超前預抽”，抽采達標時間長，采面銜接慢，在底抽巷施工千米鉆孔成為了克服這一限制的突破口。2016年，在1303底抽一巷左6#鉆場施工時，由于底板煤巖交界處塌孔，導致施工數月未成一個孔，后期因巷道密閉，結束施工。2018年，在1305底抽巷施工千米鉆孔進行區域網絡預抽，提前掩護下個工作面，采面能否按計劃接替，千米鉆機在底抽巷的成孔率成為了迫切需要攻克的難題，千米鉆場設計見圖1.

圖1 1305底抽巷左1#鉆場千米鉆機設計圖

2)現階段主要成孔困難為底板泥巖塌孔，導致孔內壓力大、堵孔等。將鉆桿內有芯線的“光”面通纜鉆桿變為“刻槽”鉆桿，在一定程度上解決了排渣問題，但是部分矸段、煤巖交界面塌孔嚴重，大塊矸石聚集導致卡鉆，無法施工，只能通過用普鉆(旋轉鉆進)擴大孔徑的方式將大塊矸石從孔內排出。待孔內返渣、壓力正常后，更換千米定向工藝施工，施工兩個班左右后，易再次出現塌孔、卡鉆現象，無法繼續施工；需再次進行擴孔作業。這樣反復退鉆、送鉆，施工強度大、效率低，長期無法成孔。總結原因為：a)水對底板泥巖浸泡型縮徑、垮塌，無法鉆進。b)靜壓水持續對孔壁內沖刷，導致矸石和煤層失穩，造成掉塊和垮塌。c)靜壓水對煤和矸石的攜帶力有限，將煤粉攜帶至煤巖交界面處的孔洞內，當煤孔出現軟煤、塊煤后，大量軟煤、塊煤會再次堆積在煤巖交界面，導致堵孔。

2.2 用水、排水難

1)靜壓水管因長時間使用，易出現皮墊、鋼墊磨損、老化，導致管路漏水，需停水進行更換，影響鉆機開機率。2)采用靜壓水施工時，會產生大量廢水，廢水需經過多級排放才可排至地面，需要投入多臺水泵進行抽水，增加了電費成本、管路維護成本、人工成本等；且排水管易出現漏水現象，無法正常排水導致停鉆。3)經過對1305底抽巷3個月因“用水、排水”造成的停鉆時間匯總，分析得出每天因“水”影響停鉆時間約為1.5 h.

2.3 廢水處理難，環保成本高

2018年1月1日，《中華人民共和國環境保護稅法》正式實行，《生態環境損害賠償制度改革方案》試行，新修訂的《水污染防治法》正式施行，關于環境保護的重要法律法規的出臺，使企業防治污染的主體責任愈加增強。該礦井下廢水的主要來源為鉆機施工用水。井下廢水的處理是該礦環保的重要環節，廢水處理成本高、費用居高不下，“制約”著企業的發展。

3 試驗方案

通過調研地面煤層氣鉆孔使用泥漿(可降解清潔聚膜鉆井液)打鉆技術，泥漿打鉆具有穩定孔壁、攜帶煤(矸)渣能力強、循環使用節約成本等特點。因此，考慮將地面煤層氣鉆孔泥漿應用到底抽巷千米鉆機施工中，以解決現階段千米鉆機遇到的困難。

3.1 裝備方面

1)在現有鉆場準備沉淀水箱4個，高0.6 m×寬0.6 m×長1.2 m；水窩2個,高1.5 m×寬1 m×長2 m；在每個水箱過度處加裝細鐵濾網，確保煤粉充分沉淀。2)在水窩邊上放置一個清水箱，里面注滿清水，防止因泥漿液體中黏度過大，無法正常通過馬達，導致泥漿泵泵壓異常增大，方便使用清水稀釋孔內的液體，減小鉆桿及馬達堵塞概率。3)對泥漿泵籠頭采用細濾網進行過濾，減小大顆粒煤粉進入鉆桿及馬達內，導致堵塞。4)孔口防噴孔裝置必須經過除渣裝置，同時保證除渣裝置定時清理，防止泥漿液體被過多地吸入主系統。

3.2 鉆孔施工

1)在采用泥漿液體施工鉆孔時，需要重新開孔，全程采用泥漿液體進行施工。具體要求見表2.2)鉆孔在施工過程中，每施工300～500 m更換一次聚合物液體，防止泥漿液體攜帶煤粉過多導致鉆桿、馬達被堵。

表2 試驗孔施工要求表

3.3 泥漿液體配比

1)泥漿配比見表3(清水黏度為27 s).2)成膜劑、固膜劑、煤層清潔劑檢驗報告均為環保合格產品。3)將鉆場內各水箱、水窩測量并計算體積和約為5 m3，使用96 mm鉆頭施工，取100 mm計算，將300 m鉆孔充滿需2.3 m3泥漿，考慮上行孔分支影響較小，判斷循環系統泥漿足夠使用。4)現場每班必須有專職人員對泥漿液體黏度進行配比(使用黏度計測量)，同時觀察泥漿泵籠頭吸入的泥漿液體中是否存在大的雜質。

表3 泥漿配比表

4 使用泥漿循環體系施工情況

4.1 試驗1#孔

施工矸孔時一切正常，矸中未見塌孔的情況，且第一個水箱內有反渣，其余的水箱內泥漿基本無渣。施工至69 m見煤，見煤后壓力大，將泥漿黏度從28 s調至30 s(第一個水箱內煤渣多，其余泥漿內煤渣很少)，將光鉆桿換成螺旋鉆桿后施工正常，90 m見底矸。得出結論：1)多級沉淀水箱可以沉淀煤渣，泥漿循環利用不會堵鉆頭。2)泥漿配合普鉆光鉆桿在矸里施工未見泥巖塌孔等異常情況。3)泥漿配合光鉆桿無法正常通過煤巖交界面，需增加機械排渣，使用普鉆麻花鉆桿施工

4.2 試驗2#孔

先用馬達帶普鉆鉆桿施工24 m穿過K6灰巖后換馬達施工，施工矸孔時同普鉆施工矸孔情況一樣，未出現塌孔現象；施工至42 m見煤，見煤后壓力大，經過反復沖孔并調整,泥漿黏度從28 s調至30 s，施工至48 m泥漿泵壓力大無法施工，反渣中有少許大塊煤和矸塊。換用普鉆螺旋鉆桿后施工正常，57 m見底矸。得出結論：1)多級沉淀水箱可以沉淀煤渣，泥漿循環利用不會堵馬達。2)泥漿配合馬達在矸里施工未見泥巖塌孔等異常情況。3)泥漿配合馬達無法正常通過煤巖交界面，仍存在壓力大情況。

4.3 試驗3#孔

根據試驗2#孔的情況，將試驗3#孔做出調整，用普鉆麻花鉆桿穿過煤巖交界面后再換用馬達施工。千米鉆孔施工至183 m見煤，見煤后壓力大，換用普鉆擴孔至192 m，之后用千米鉆孔施工至276 m時遇軟煤，施工至279 m泥漿泵壓力6 MPa，無法鉆進。退至234 m開分支，施工過程中有軟煤、矸等。施工過程中未出現其他影響施工的異常情況。得出結論：1)使用泥漿循環體系施工千米鉆孔，不會對通纜鉆桿造成堵塞現象。2)使用泥漿循環體系施工千米鉆孔，不會對探管和通纜鉆桿的信號測量、傳輸造成影響。3)施工過程中，孔內矸、煤不斷轉換對泥漿循環未造成影響。

5 施工總結

1)同一鉆場不同鉆孔使用泥漿循環體系前后施工對比見表4.由表4可知，使用泥漿循環體系，日均進尺提高22.3%,煤孔率提高10.8%，見煤成孔率由40%提高至66.7%.通過多級沉淀，成功使用泥漿建立循環系統代替靜壓水施工，配合刻槽通欄鉆桿，解決了矸段塌孔現象。泥漿攜帶煤渣能力相比清水能將細煤粉以及大塊的煤、矸帶出，減少了退、送鉆次數降低了工人的勞動強度，提高了施工效率，且不會對馬達、探管、通欄鉆桿造成影響。

表4 使用泥漿前后鉆孔施工情況對比表

2)使用泥漿循環系統施工，杜絕了因供水、排水管路改造、維護無法施鉆的現象，提高了施鉆效率，且節約了大量用水，使用泥漿前后日用水量見表5.

表5 使用泥漿前后日用水量表

3)使用泥漿循環系統施工，節約了購水、排水、廢水處理、人工等用水成本，減小了環保壓力，使用泥漿配比一次可施工600 m左右。配備振動篩后，振動篩按10萬元5年使用壽命計算，使用前后各類成本見表6.使用泥漿循環體系施工，每臺鉆機每年可節約用水85 775 m3，可節省費用47 304元。

表6 使用泥漿循環前后費用明細表

4)使用泥漿循環體系，試驗1#、2#孔封孔20天左右后測量鉆孔瓦斯濃度正常，孔內未出現塌孔、堵孔現象；試驗3#孔封孔1天后測量鉆孔瓦斯濃度正常，未出現泥漿阻礙瓦斯涌出現象。試驗孔瓦斯濃度情況見表7.

表7 試驗孔瓦斯濃度情況表

6 結 論

胡底煤業有限公司通過將泥漿材料(可降解清潔聚膜鉆井液)使用在施工定向鉆孔過程中發現，泥漿材料通過循環，使分子不斷進行剪切，從而在鉆孔施工過程中起到穩定孔壁作用，且攜帶煤(矸)渣能力強，解決了因鉆孔塌孔難以施工的難題，同時，打鉆孔介質水的重復利用，不僅解決了水處理的難題，而且減輕了礦山環保壓力。