杜利猛，石 浩，姚盼盼，呂軍鋒

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077;2.山西晉煤集團(tuán)沁水胡底煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021)

0 引言

胡底煤礦位于山西省沁水煤田的南部，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，為了探明該礦主運(yùn)石門(mén)、輔運(yùn)石門(mén)附近地層變化情況，為抽掘采銜接提供依據(jù)，引進(jìn)一臺(tái)ZDY6000LD型定向鉆機(jī)[1]。2013年8月10日～9月28日期間，共斷續(xù)施工4個(gè)定向鉆孔，準(zhǔn)確探明了煤層走勢(shì)，對(duì)礦方施工提供了準(zhǔn)確的地質(zhì)參數(shù)。

1 煤礦井下近水平定向鉆進(jìn)技術(shù)

煤礦井下近水平定向鉆進(jìn)技術(shù)是通過(guò)泥漿泵驅(qū)動(dòng)孔底螺桿馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)切削，鉆進(jìn)中鉆桿不回轉(zhuǎn)[2]。設(shè)計(jì)軌跡和實(shí)鉆軌跡通過(guò)孔口防爆計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示，通過(guò)調(diào)整帶彎接頭的螺桿鉆具改變工具面向角，控制鉆頭處的傾角和方位角，從而達(dá)到控制軌跡的目的。在胡底煤礦采用的定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備如圖1所示。定向鉆進(jìn)技術(shù)與常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相比，除了可以精確控制鉆孔軌跡的優(yōu)點(diǎn)外，還可以進(jìn)行孔內(nèi)開(kāi)分支，實(shí)現(xiàn)一孔多分支，減少鉆場(chǎng)開(kāi)拓成本，鉆進(jìn)遇到孔內(nèi)事故后可以開(kāi)分支繞障，因此在煤礦井下鉆探方面發(fā)揮了極其重要的作用。

圖1 井下定向鉆進(jìn)裝備與連接示意圖

根據(jù)各個(gè)煤礦地層條件以及用途的不同，定向鉆進(jìn)技術(shù)主要用于以下幾個(gè)方面:地質(zhì)構(gòu)造勘探、煤層及高位瓦斯抽采和探放水及頂?shù)装寮庸痰取?/p>

定向孔形式、用途與成孔工藝不同，其主要鉆孔形式及適用范圍如下[3]。

1.1 地質(zhì)構(gòu)造勘探定向鉆孔

地質(zhì)構(gòu)造勘探主要用在煤礦地質(zhì)情況掌握較少的情況下，在開(kāi)掘巷道前準(zhǔn)確探測(cè)地質(zhì)情況，減少開(kāi)采成本。煤礦地質(zhì)構(gòu)造勘探主要有煤層頂?shù)装遄呦?圖2a)，探測(cè)陷落柱(圖2b)，探測(cè)斷層構(gòu)造(圖2c)，探測(cè)地質(zhì)體邊界(如圖2d中小窯巷道)，探測(cè)煤層傾角(圖2e)。胡底煤礦定向鉆進(jìn)施工進(jìn)行了煤層傾角的探測(cè)。

1.2 瓦斯抽采定向鉆孔

圖2 定向鉆孔在地質(zhì)構(gòu)造勘探應(yīng)用類(lèi)型

定向鉆進(jìn)用于井下煤層氣(瓦斯)抽采鉆孔主要分為以下4種形式:集束型抽采瓦斯定向鉆孔(圖3a)、梳狀抽采瓦斯定向鉆孔(圖3b)、頂板高位抽采瓦斯定向長(zhǎng)鉆孔(圖3c)和井上下聯(lián)合抽采瓦斯鉆孔(圖3d)。

圖3 瓦斯抽采定向孔應(yīng)用類(lèi)型

2 胡底煤礦地質(zhì)特征與鉆孔設(shè)計(jì)依據(jù)

2.1 胡底煤礦地質(zhì)地層特征

胡底煤礦地處沁水煤田的南部，位于呂梁—太行斷塊之沁水坳陷的南部，晉獲褶斷帶西側(cè)，區(qū)域地層總體走向?yàn)楸北睎|或近南北，傾向北西(見(jiàn)圖4)。主要斷層為井田西北邊界的寺頭正斷層，該斷層走向 NE30°，傾向 NW，傾角70°，落差為350 m，延伸長(zhǎng)度約10 km，對(duì)區(qū)內(nèi)煤層氣成藏有一定控制作用。區(qū)內(nèi)發(fā)育還有石門(mén)上向斜、蒲池背斜、蒲池西背斜、李莊背斜、東嶺山向斜，井田南部邊界附近發(fā)育有七坡陷落柱[4]。因此，該地煤層起伏較大，對(duì)巷道開(kāi)拓及煤層開(kāi)采造成一定難度。

井田內(nèi)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。其中，山西組3號(hào)煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，煤層破碎且瓦斯壓力大，其頂?shù)装鍘r性主要以泥巖及砂巖為主，如表1所示。

圖4 胡底礦井田地質(zhì)構(gòu)造圖

表1 胡底礦3號(hào)煤頂?shù)装鍘r性

2.2 鉆孔設(shè)計(jì)依據(jù)

鉆場(chǎng)位于輔運(yùn)石門(mén)底板煤層7 m線(xiàn)，由于煤層易塌孔、噴孔，設(shè)計(jì)定向鉆孔布置在底板中，向上到煤層后開(kāi)分支孔重新探煤，直到探明地層起伏情況及該區(qū)域陷落柱分布。該鉆場(chǎng)區(qū)域地層起伏傾角大，達(dá)到10°以上，且為負(fù)角度，因此在施工過(guò)程中應(yīng)注意控制軌跡，保證排渣順暢。鉆進(jìn)至探煤點(diǎn)前要急速上升，預(yù)留分支點(diǎn)[5]，設(shè)計(jì)鉆孔平面圖見(jiàn)圖5。

2.3 定向鉆孔施工工藝

2.3.1 鉆場(chǎng)布置

施工現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)拓鉆場(chǎng)，將ZDY6000LD型定向鉆機(jī)及配套裝備按圖6所示連接，該鉆機(jī)的主要性能參數(shù)為:最大額定轉(zhuǎn)矩6000～1600(定向鉆進(jìn)3000～800)N·m，主軸制動(dòng)扭矩1500 N·m，額定轉(zhuǎn)速50～190 r/min，最大給進(jìn)/起拔力180 kN，主軸傾角－10°～20°，電動(dòng)機(jī)功率 75 kW，行走速度 0 ～2.5 km/h，最大爬坡能力20°。頂板和邊幫進(jìn)行掛網(wǎng)噴漿，底板硬化處理。水、電、風(fēng)、通訊等必需設(shè)施就位。

圖5 設(shè)計(jì)鉆孔平面布置圖

2.3.2 設(shè)計(jì)鉆孔

根據(jù)施工要求設(shè)計(jì)軌跡，該區(qū)域煤層起伏較大，設(shè)計(jì)鉆孔為了探測(cè)主運(yùn)和輔運(yùn)巷道掘進(jìn)方向的煤層趨勢(shì)，為抽掘采銜接提供了依據(jù)。由于煤層瓦斯壓力大且破碎，本煤層施工難度大，難以保證施工安全。因此，將鉆孔布置在底板砂巖中，采用前進(jìn)式開(kāi)分支的方法，探煤后開(kāi)分支繼續(xù)探煤，依次“探頂—開(kāi)分支—再探頂—再分支…”，直到將煤層傾角探明，如圖2e所示。

圖6 井下鉆場(chǎng)設(shè)備平面布置圖

根據(jù)要求設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)，編制施工方案與技術(shù)措施，為施工做好準(zhǔn)備。

2.3.3 鉆孔施工

根據(jù)鉆孔開(kāi)孔設(shè)計(jì)參數(shù)(傾角、方位角)穩(wěn)固鉆機(jī)，采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝鉆進(jìn)12 m開(kāi)孔，鉆具組合:96 mm PDC平底鉆頭+73 mm鉆桿。

安裝孔口裝置如圖7所示，“兩堵一注”進(jìn)行封孔。

圖7 孔口裝置管路連接圖

調(diào)整工具面進(jìn)行鉆進(jìn)，一般每鉆6 m停泵測(cè)量，根據(jù)軌跡控制方法調(diào)整工具面，加鉆桿繼續(xù)鉆進(jìn)至下一次測(cè)量，直至該分支鉆孔結(jié)束。提鉆尋找分支點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)分支施工下一個(gè)分支孔，達(dá)到預(yù)定孔深后終孔提鉆，按要求封孔。

鉆孔施工步驟見(jiàn)圖8。

3 胡底煤礦定向鉆孔實(shí)鉆情況

本次胡底煤礦共施工4個(gè)定向鉆孔，本著先易后難的原則，依次施工 T5、T4、T1、T2號(hào)鉆孔，施工情況見(jiàn)表3。T5號(hào)鉆孔施工方位90°，孔徑96 mm，分2次探頂，探明輔運(yùn)地層走向;T4號(hào)鉆孔施工方位角103°，偏移至主運(yùn)位置后方位糾為90°，共3次探頂，探明了主運(yùn)地層走向;T1、T2號(hào)鉆孔施工為了探明該地區(qū)發(fā)育X14陷落柱邊界，T1號(hào)鉆孔探明地層傾角，T2號(hào)鉆孔探陷落柱邊界。施工工藝采用梳狀孔前進(jìn)式開(kāi)分支方式，軌跡統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖9、圖10。

圖8 前進(jìn)式開(kāi)分支孔施工工藝流程

表3 胡底煤礦定向鉆孔施工統(tǒng)計(jì)

圖9 胡底煤礦定向鉆孔軌跡平面圖

圖10 胡底煤礦定向鉆孔軌跡剖面圖

4 定向鉆孔數(shù)據(jù)分析

定向鉆進(jìn)軌跡計(jì)算采用均角全距法，探煤靶點(diǎn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。如圖11所示，水平位移是指軌跡上某點(diǎn)至孔口所在鉛垂線(xiàn)的距離(OA)，其中視平移為水平位移在設(shè)計(jì)方位線(xiàn)上的投影長(zhǎng)度(OB)，左右偏差為軌跡上某點(diǎn)至設(shè)計(jì)鉛垂面的距離(AB)，上下偏差為軌跡上某點(diǎn)至孔口所在水平面的距離(AC)[5，6]。

圖11 定向鉆進(jìn)軌跡計(jì)算示意圖

根據(jù)三角函數(shù)原理，計(jì)算輔運(yùn)石門(mén)煤層傾角α為:

由式(1)可以得到輔運(yùn)視平移為80.09 m處的煤層上下偏差為－5.37 m。

主運(yùn)與輔運(yùn)之間的煤層傾角β為:

由式(2)可以得到主運(yùn)左右偏差為25.75 m，視平移為80.09 m處的煤層上下偏差為－12.31 m。

輔運(yùn)石門(mén)煤層傾角γ為:

5 結(jié)語(yǔ)

由于定向鉆進(jìn)技術(shù)可以精確鉆孔軌跡，同時(shí)有可以在原鉆孔軌跡中開(kāi)分支多次探頂，得到煤層與底板分界點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。因此胡底煤礦進(jìn)行了定向鉆孔的施工，通過(guò)在底板向上探煤時(shí)的軌跡參數(shù)，計(jì)算得出了輔運(yùn)石門(mén)處煤層傾角為－19.73°，主運(yùn)石門(mén)處煤層傾角為－20.71°，主運(yùn)與輔運(yùn)之間地層傾角為9.72°。另外，利用定向鉆孔軌跡的可控性，進(jìn)行了陷落柱的勘探工作。

[1] 楊旭，黃寒靜，李喬喬.定向長(zhǎng)鉆孔施工技術(shù)在急傾斜煤層中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40(10):80 －83.

[2] 姚寧平，張杰，李喬喬.煤礦井下近水平定向鉆技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(10):53 －57.

[3] 張杰，姚寧平，李喬喬.煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)在礦井地質(zhì)勘探中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2013，44(10):131 －134.

[4] 王鳳清.沁水盆地胡底井田地質(zhì)特征及煤層氣賦存規(guī)律[J].中國(guó)煤炭地質(zhì)，2011，23(7):22 －27.

[5] 姚寧平，張杰，李泉新，等.煤礦井下定向鉆孔軌跡設(shè)計(jì)與控制技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(3):7 －11，46.

[6] 孫榮軍.煤礦井下隨鉆測(cè)量技術(shù)及鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理方法研究[D].陜西西安:煤科總院西安研究院，2009.