定向鉆機在新集集團水害治理中的應用前景

田家強

中煤新集能源有限公司 安徽淮南 232000

水害是煤礦五大災害之一，給煤礦安全生產(chǎn)造成重大影響。《煤礦防治水規(guī)定》中第八十八條的規(guī)定：“對于采據(jù)工作面受水害影響的礦井，應當堅持預測預報、有疑必探、先探后據(jù)、先治后采的原則，進行充水條件分析”第八十九條的規(guī)定:“水文地質條件復雜、極復雜的礦井在地面無法查明礦井水文地質條件和充水因素時，應當堅持有掘必探的原則，加強探放水工作”。因此煤礦在巷道據(jù)進期間必須進行超前探放水工作，尤其是水文地質條件復雜礦井更應開展此工作。近年來定向鉆機已經(jīng)成為水害防治和開發(fā)領域的研究熱點，定向鉆機將成為煤礦水害防治的主要設備。

1 概述

新集礦區(qū)地處華東地區(qū)，現(xiàn)有生產(chǎn)及在建礦井5對，分布在淮南、阜陽、亳州等地區(qū)，所轄5對生產(chǎn)分布分散和范圍廣，水害類型多樣，各礦井在地質勘探時確定的水文地質條件均屬中等-復雜類型，水害已嚴重影響到正常開采，尤其是板集煤礦屬復雜類型，煤系地層全部被新生界松散層所覆蓋[1]。據(jù)鉆探揭露及鄰區(qū)資料，區(qū)內地層自老至新有寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、古近系、新近系和第四系。石炭－二疊系為含煤地層，礦井煤系及底部灰?guī)r地層隱伏于新生界松散層之下，受采掘破壞或影響對礦井生產(chǎn)安全和作業(yè)環(huán)境的影響越來越大，防治水工作是當務之急。板集礦區(qū)目前水害治理主要采用常規(guī)鉆機在掘進巷道或石門中向含水層施工鉆孔提前疏放頂板水的傳統(tǒng)工藝方法。采用此方法，由于存在井下常規(guī)鉆機能力偏小施工的鉆孔長度短，且井下常規(guī)鉆孔只有在開采巷道形成后方能進行施工，疏放水時間受限，且施工的常規(guī)鉆孔由于受軟硬互層和鉆具自重影響不能精確施工至目標含水層，無效進尺多，疏放水效果差，因此，以目前的水害治理手段，不利于礦井擴大生產(chǎn)規(guī)模的長遠規(guī)劃要求。為了更好地解決新集集團板集煤礦的水害問題，采用定向鉆機及工藝技術進行對新集集團板集煤礦礦井水害進行有效治理。

2 定向鉆機探放水的優(yōu)勢

定向探放水鉆機較常規(guī)探放水鉆機具有以下優(yōu)勢：

（1）定向鉆機超前探放水效率高，單孔成孔距離長，常規(guī)疏水鉆孔深度一般在150m左右，定向鉆孔深度在500m左右，平均單孔孔深為常規(guī)鉆孔的3倍，很好地解決了巷道與超前探放水工作在時間上的沖突。

（2）施工周期短，普通鉆機搬家頻繁和下置套管及封孔多，關鍵工序多影響時間長，而定向鉆機施工一個鉆場相當于常規(guī)鉆孔4個鉆場的范圍。

（3）補充精確的地質資料，定向鉆進可以通過其分支技術，來探明含水層頂、底板及斷層等地質情況，可為礦方補充精確的地質資料。

（4）普通鉆機與需要探查的含水層已點狀形式接觸，探查范圍有限，需要施工的鉆孔較多，不能在含水層中行長距離穿行，鉆孔無效進尺多，而定向鉆孔通過隨鉆隨測隨系統(tǒng)保證在含水層中長距離穿行。

（5）普通鉆機不具有定向鉆進功能，鉆孔孔深有限，要使鉆孔覆蓋整個工作面，就需要大量鉆孔短鉆孔，不僅勞動強度大，且必須在區(qū)段開采巷道形成后才能進行施工，定向鉆進不受此限制，可以在現(xiàn)有的巷道內通過其鉆機精確定向技術施工至目標層位。

（6）鉆孔覆蓋范圍大，普通鉆孔施工時因受巖石集中巷及設備制約，疏水范圍有限，定向鉆孔可以利用其鉆進分支技術，將鉆孔覆蓋整個區(qū)域提高疏水效果。

3 定向鉆機探放水施工時遇到的技術難題和解決辦法

（1）鉆孔開孔0-3煤3-30泥巖，一遇水就非常容易垮孔，泥巖具有膨脹性，存在鉆孔縮頸而發(fā)生孔內事故的技術難題，此問題通過擴孔、下套管、固孔至泥巖段外0.5m的手段解決，為了使套管安全下入和保證套管下入后牢固可靠，擴孔孔徑選擇為153mm，并采用下套管裝置將套管推入孔內。

（2）施工過程中，鉆孔需穿過9煤進入含水層，9煤頂?shù)装寰植亢抠|泥巖，砂質泥巖，該層遇水極易垮孔，且采用定向鉆進工藝垮孔塊狀巖渣無法返出孔外。存在鉆孔塌孔、返水不暢而發(fā)生孔內事故的技術難題，此問題通過采用高壓注漿固孔，并在施工過程中動態(tài)調整鉆孔傾角確保鉆進在合理的煤巖層切換，參照地質說明書，合理避開見煤點。

（3）由于頂板巖層起伏變化較大，施工過程中，不易控制鉆孔軌跡和易出現(xiàn)孔內事故，此問題通過結合當前施工地區(qū)的實際情況，將拷貝升井的定向鉆機鉆孔軌跡圖與設計圖進行對比，設計出一套定向鉆機鉆孔軌跡走向對比圖，讓現(xiàn)場鉆孔傾角方位與設計的偏差通過對比圖一目了然，保證鉆孔下一步的施工走向，準確指導施工的手段解決，提高了定向鉆孔的施工質量。

（4）板集礦區(qū)構造發(fā)育，構造附近破碎帶和節(jié)理發(fā)育，鉆孔多次穿斷層，施工過程中極易出現(xiàn)塌孔和埋鉆事故的技術難題，此問題通過施工時多沖少進，優(yōu)化進尺與排渣時間的比例，勤觀察返渣及鉆進參數(shù)等方法解決[2]。

（5）然而隨著鉆孔越深、阻力越大，前方壓力過高，排渣困難造成后方壓力過大，定向鉆打不了了。經(jīng)過反復分析驗證，采用復合為主定向糾偏鉆進的方法。復合鉆進就是“定向鉆進加回轉鉆進”，通過這種操作可以讓孔壁更加平滑、孔徑擴大。這樣在鉆進過程中就可以減少阻力，排渣也順利得多。“尤其是過斷層的時候，巖性復雜，巖石破壞嚴重，施工難度非常大。從鉆孔設計上，減少鉆孔彎曲強度，施工工藝上，針對定向鉆進孔段，進行復合回轉劃眼，施工過程中，加強孔內排渣，降低摩擦阻力。

4 定向探放水鉆孔工藝技術

（1）鉆孔軌跡的糾偏是采用連續(xù)調整工具面向角進行控制的，鉆孔平面軌跡根據(jù)左右軌跡偏差的技術要求通過工具面向角的調整從而改變鉆孔軌跡各點的方位角，逐漸增加或逐漸減小，即每3米方位角的變化值不得超過1度。每兩個相鄰3米的測量點之間的方位角變化數(shù)值最值顯示中，數(shù)值為負（-）表示向左偏，數(shù)值為正（+）表示向右偏，0表示此點出左右軌跡在孔口的垂直線上，方位調整結果及左右軌跡。調整傾角是根據(jù)頂?shù)装宓淖邉荩{整時遵循每3米變化0.8度的原則。根據(jù)頂?shù)装遄邉莺蛙壽E的上下偏差，上下偏差數(shù)值為正（+）表示相對孔口位置偏上，數(shù)值為負（-）表示相對線走勢。見鉆孔平面軌跡圖（圖1）和剖面軌跡圖（圖2）

（2）鉆具組合：①開孔:中96mm鉆頭+73mm鉆桿+中73mm水尾②擴孔:153mm鉆頭+73mm鉆桿+73mm水辯③鉆進:96mm鉆頭+73m螺桿馬達+中76mm下無磁鉆桿+76mm發(fā)射天線+中76mm上無磁鉆桿+中73mm鉆桿+73mm水辯

（3）孔口裝置：孔口防噴裝置（包括高壓閘閥），自鉆孔孔口向外依次為高壓閘閥、楔形控水裝置。孔口裝置要同鉆孔鉆套管的法蘭盤連接在一起，并且易于拆開，鉆孔兩側必須施工防噴錨桿，并用20T的錨鏈將高壓閘閥與防噴錨桿進行固定，并繃緊，防止鉆孔內高壓水突然涌出頂出套管及孔口防噴裝置。鉆進入含水異常體部位并出水后，邊鉆進邊進行水量與水壓觀測。在鉆進過程中，一旦發(fā)現(xiàn)鉆孔中水壓、水量突然增大時，應通過閥門加以控制（具體結構見圖3）

（4）固孔要求：①孔口管的固定：首先采用φ96mm鉆頭施工，φ153mm鉆頭擴孔，下入φ127mm承壓套管，進行注漿養(yǎng)護，（注漿材料選用不低于PC32.5的復合硅酸鹽水泥，漿液水灰比控制在0.6-0.7之間。注漿時采用分檔式注漿，先稀后濃，由快到慢，注漿過程中應堅持“小流量，長時間”的原則，使孔內壓力逐漸上升，注漿終壓達到設計，然后間隔10分鐘左右進行間歇式注漿，間歇注漿3次，確保鉆孔注漿效果。以便漿能夠更多的滲入裂隙，保證封孔質量。注漿完成后要對注漿泵進行清洗。待水泥凝固后（根據(jù)現(xiàn)場實際，注漿養(yǎng)護使用的水泥不低于PC32.5復合硅酸鹽水泥，根據(jù)該水泥技術參數(shù)，水泥終凝時間需不小于48小時，掃孔深度過套管0.5m-1m，進行套管清水耐壓試驗，承壓套管清水耐壓試驗合格后，孔口安裝高壓閘閥、防噴裝置，方可鉆進[3]。②固孔凝固結束后對套管必須進行耐壓試驗，套管清水耐壓試驗（取靜水壓力的1.5倍），穩(wěn)定30分鐘，以孔口周圍不漏水，孔口管牢固不松動、不漏水為合格，方可鉆進，否則，必須重新注漿固定。

（5）定向探放水鉆孔施工技術要求：①嚴格按照設計方位和傾角開孔，開孔高度允許偏差±50mm，角度允許偏差±1度，方位角允許偏差±1度。②定向鉆機作業(yè)時保證每3米取一次鉆孔參數(shù)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)鉆孔偏離時及時調整彎頭進行調向，鉆孔的實際軌跡與設計軌跡左右偏差控制在±2m以內，上下偏差控制在±1m以內，孔內若遇軟巖垮孔可根據(jù)情況作調整，確保其鉆孔在目標層位中鉆進。③鉆孔施工記錄：鉆進過程中，施工記錄本由專人負責記錄，要密切觀察并詳細記錄孔內情況，對煤層、探查目的層、斷層、出水點等要詳細記錄起止位置、層厚、水量、巖性等[4]；凡鉆孔施工過程中出現(xiàn)煤巖性變化及噴孔都必須及時掐尺，進行孔深校核，并在鉆孔施工記錄本上如實填寫；對鉆孔發(fā)生卡鉆、掉塊、斷鉆桿、出水、噴瓦斯等異常情況要詳細記錄（深度、程度、方式等），及時匯報，必要時停鉆采取措施。④，鉆孔內出水量每次增大，都要準確記錄出水深度、水量、水溫等，并匯報地測科及礦調度；鉆進過程中，如發(fā)現(xiàn)巖石松軟、片幫、來壓或鉆孔內的水壓、水量突然增大以及有頂鉆等突水征兆時，必須停止鉆進，但不得拔出鉆桿，立即撤出所有受水害威脅地區(qū)的人員，并及時向礦調度室匯報，采取措施進行處理。⑤鉆進中發(fā)現(xiàn)有害氣體噴出時，應立即停止鉆進、切斷電源，將人員撤到有新鮮風流的地點，立即報告礦調度室，采取措施。⑥為防止鉆孔施工過程中孔內水壓過大時，防止鉆孔內高壓水突然涌出頂出套管及孔口防噴裝置，鉆孔兩側必須施工防噴錨桿，并用20T的錨鏈將高壓閘閥與防噴錨桿進行固定并繃緊。⑦礦井水具有很強的腐蝕性，定向鉆進過程中為了防止鉆桿被腐蝕生銹必須對鉆具進行嚴格的維護保養(yǎng)。每個孔終孔提完鉆后及時將絲扣油涂抹在鉆具絲扣上。

5 結語

采用井下定向探放水定向鉆機在新集集團進行水害治理，較常普通機具有很大優(yōu)勢，采用定向鉆進技術施工長距鉆孔可有效的減少投入、降低安全風險，定向鉆機和定向工藝技術，可縮減大量鉆孔工程量、延長了疏放水時間、增加了在含水層中的穿行距離、提高疏水效果，使用定向鉆機進行水害治理可以高效地超前探放水，其意義重大和深遠，一方面該工藝技術將為響應國家對煤礦提出的“預測預報有疑必探、先探后掘、先治后采治理方針提供有效的治理手段，一方面可以從根本上治理和消除威脅新集集團安全生產(chǎn)的水害，在新集集團具有廣闊的推廣應用前景。