馬沈岐，王建峰，王 龍

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077；2.寧夏銀川神華寧煤環(huán)安公司，寧夏銀川753000）

煤礦井下定向鉆進(jìn)頂板水疏放技術(shù)

馬沈岐*1，王建峰2，王 龍2

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077；2.寧夏銀川神華寧煤環(huán)安公司，寧夏銀川753000）

應(yīng)用定向鉆進(jìn)技術(shù)，在紅柳煤礦復(fù)雜的地層中實(shí)施定向鉆孔，探查疏排煤層頂?shù)装宓蜐B透性含水層的水，取得了很好的效果。介紹了紅柳煤礦定向鉆孔的施工工藝、軌跡控制技術(shù)和復(fù)雜地層的處理技術(shù)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用對(duì)煤礦井下頂板水疏放技術(shù)進(jìn)行了探討，對(duì)其他礦區(qū)頂?shù)装逅璺庞幸欢▍⒖純r(jià)值。

定向鉆進(jìn)技術(shù);低滲透性含水層;疏排水鉆孔;鉆孔事故

寧煤集團(tuán)東礦區(qū)煤層頂?shù)装宓蜐B透性含水層的水，已往采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式，形成鉆孔進(jìn)行疏放水的效果較差，其原因在于：（1）回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)形成的鉆孔軌跡較難控制，設(shè)計(jì)的靶標(biāo)位置很難打準(zhǔn)；（2）鉆孔軌跡單一，不能形成多頭終孔；（3）遇到復(fù)雜地層時(shí)，無(wú)法繞過，只能退回等，上述原因?qū)е码y于解決頂?shù)装逅紝?duì)礦井安全生產(chǎn)的威脅。寧煤集團(tuán)紅柳煤礦在應(yīng)用定向鉆進(jìn)技術(shù)解決瓦斯抽采取得了良好的經(jīng)驗(yàn)和效益，在掌握定向鉆進(jìn)技術(shù)抽采瓦斯的基礎(chǔ)上，研究在中硬完整地層條件下，鉆進(jìn)中長(zhǎng)距離鉆孔和開分支孔，定向鉆孔布孔間距，以及鉆孔系統(tǒng)對(duì)疏水影響半徑的確定，通過研究和實(shí)踐，達(dá)到用該項(xiàng)技術(shù)解決頂板水患問題，獲得較為滿意的效果。本文結(jié)合上述工作進(jìn)行論述，對(duì)定向鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于煤礦水患治理工作，具有很好的指導(dǎo)意義。

1 紅柳煤礦3121工作面頂板水文地質(zhì)條件

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)周邊巷道、排水通道與工作面傾斜情況，鉆場(chǎng)布置在31采區(qū)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷與原3121工作面設(shè)計(jì)邊界泄水巷交匯處(HF1測(cè)點(diǎn)處)。其水文地質(zhì)條件為，2#煤老頂直羅組粗砂巖裂隙孔隙含水層下段是影響本井田的主要含水層，該含水層分為上下分層，為了探明上下分層含水層的涌水情況和不同工藝施工的成孔疏水效果，將鉆孔設(shè)計(jì)在上下分層中，對(duì)含水層的賦存水進(jìn)行疏放。

2 定向鉆進(jìn)技術(shù)解決頂板水的有利條件

該礦在進(jìn)行600～800m中長(zhǎng)距離的瓦斯地質(zhì)孔鉆進(jìn)中，取得了較為成熟的定向鉆進(jìn)技術(shù)，瓦斯抽采效果也很好。在此項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，按照礦井水害治理的條件進(jìn)行重新的改造和設(shè)計(jì)，已期達(dá)到中長(zhǎng)距離水害治理的目的。

鉆進(jìn)中長(zhǎng)距離的水害治理鉆孔，可以在較大范圍內(nèi)探查采區(qū)的儲(chǔ)水體具體位置和實(shí)施抽放計(jì)劃的落實(shí)。針對(duì)粗砂巖涌水情況，了解巖層間的水力聯(lián)系通道，確定探放水的影響半徑，以及定向鉆孔的疏水效果。為了查明探放水的影響半徑，設(shè)計(jì)在上分層含水層平面布孔間隔為50m，在下分層含水層平面布孔間隔為60m。

開分支孔的目的有兩個(gè)，一個(gè)是在硬巖中開上向分支孔，利于排渣和排放水，另一個(gè)是觀察開分支孔后，排放水的效果對(duì)比。例如5#孔設(shè)計(jì)軌跡與實(shí)鉆主孔和開分支孔的剖面圖（圖1）。

3 定向鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 鉆孔空間位置布局

目標(biāo)區(qū)域2#煤老頂為直羅組粗砂巖裂隙、孔隙含水層，下段是影響本井田的主要含水層，該含水層分上分層和下分層，為了探明上下分層含水層的涌水情況及各種工藝鉆孔的疏水效果，本次鉆孔空間層位布置根據(jù)不同的試驗(yàn)內(nèi)容差別進(jìn)行，鉆孔的空間位置具體情況是：2#、4#孔間隔120m布置在下分層含水層中部進(jìn)行施工，主要是對(duì)下分層含水層賦水進(jìn)行疏放；1#、3#、5#分別間隔100m布置在上分層含水層中進(jìn)行施工，主要對(duì)上分層含水層賦水進(jìn)行疏放，為了試驗(yàn)在巖石中開分支孔工藝及分支孔疏放水效果，在3#、5#鉆孔中分別布置了2個(gè)分支孔。其中3-1#為水平分支孔，目的是試驗(yàn)水平分支孔的施工工藝；3-2#、5-1#、5-2#三個(gè)分支孔均為上向分支孔，目的是試驗(yàn)上向分支孔的施工工藝及增加疏放水通道，提高疏放水效果；6#鉆孔作為預(yù)留孔，其終孔層位為上分層含水層中部。3121工作面試驗(yàn)鉆場(chǎng)，實(shí)鉆鉆孔平面布置如圖2所示。

圖1 5#孔設(shè)計(jì)軌跡與實(shí)鉆剖面圖

圖2 實(shí)鉆鉆孔軌跡平面布置圖

3.1.1 鉆孔平面位置布局

鉆孔平面布置：本次試驗(yàn)定向探放水影響半徑，上分層含水層按照50m進(jìn)行布置，下分層含水層按照60m進(jìn)行布置，試驗(yàn)區(qū)共布置了6個(gè)主孔4個(gè)分支孔。鉆孔編號(hào)依次為：1#、2#、3#、3-1#、3-2#、4#、5#，5-1#、5-2#、6#，設(shè)計(jì)總工程量為3204m，其中主孔設(shè)計(jì)工程量為2781m，分支孔設(shè)計(jì)工程量為423m。

3.1.2 鉆孔空間位置布局

鉆孔空間位置:試驗(yàn)區(qū)目標(biāo)區(qū)域2煤老頂直羅組粗砂巖裂隙孔隙含水層下段是影響本井田的主要含水層，該含水層分上分層和下分層，為了探明上下分層含水層的涌水情況及各種工藝鉆孔的疏水效果，本次鉆孔空間層位布置根據(jù)不同的試驗(yàn)內(nèi)容而不同，具體情況為：2#、4#孔間隔120m布置在下分層含水層中部進(jìn)行施工，主要是對(duì)下分層含水層賦水進(jìn)行疏放；1#、3#、5#分別間隔100m布置在上分層含水層中進(jìn)行施工，主要對(duì)上分層含水層賦水進(jìn)行疏放，為了能夠試驗(yàn)巖石中開分支孔工藝及分支孔疏放水效果，在3#、5#鉆孔中分別布置了兩個(gè)分支孔。其中3-1#為水平分支孔，主要目的是試驗(yàn)水平分支孔的施工工藝；3-2#、5-1#、5-2#三個(gè)分支孔均為上向分支孔，其主要目的是試驗(yàn)上向分支孔的施工工藝及增加疏放水通道，提高疏放水效果，6#鉆孔為本次試驗(yàn)項(xiàng)目的預(yù)留孔，其終孔層位為上分層含水層中部。

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

井下定向試驗(yàn)疏水鉆孔均自煤層頂板完整粉砂巖段開孔，鉆孔開孔至煤層直接頂板粉砂巖、泥巖段，采用?165mm擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)30m，在含水層中以?96mm鉆頭，裸孔鉆進(jìn)至終孔位置。如圖3所示。

圖3 疏水鉆孔結(jié)構(gòu)拋面示意圖

3.3 鉆具級(jí)配關(guān)系

鉆具的級(jí)配關(guān)系分為開孔、擴(kuò)孔、鉆進(jìn)3種形式展開，具體級(jí)配關(guān)系為：

3.3.1 開孔鉆具級(jí)配

?113mm鉆頭+?73mm通纜鉆桿+?73mm水便。

圖4 一開鉆具組合示意圖

3.3.2 擴(kuò)孔鉆具級(jí)配

?165mm鉆頭+?73mm通纜鉆桿+?73mm水便。

圖5 擴(kuò)孔鉆具組合示意圖

3.3.3 鉆進(jìn)鉆具級(jí)配

?96mm鉆頭+?73mm螺桿馬達(dá)+?76mm下無(wú)磁鉆桿+?76mm測(cè)量短節(jié)+?76mm上無(wú)磁鉆桿+?73mm通纜鉆桿+?73mm水便。3.4 鉆孔孔口結(jié)構(gòu)與裝置

圖6 裸孔鉆進(jìn)鉆具組合示意圖

3.4.1 鉆孔孔口結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)定向疏水鉆孔均自煤層頂板完整砂巖段開孔，鉆至煤層直接頂板粉砂巖、泥巖段，采用?165mm擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔后放置?127mm，壁厚6mm的孔口管。然后在含水層中以?96mm鉆頭，裸孔鉆進(jìn)至終孔位置。

圖7 鉆孔孔口結(jié)構(gòu)示意圖

3.4.2 孔口裝置

探放水或需要收集放水時(shí)的水量、水壓等資料時(shí)，需要安裝質(zhì)量合格耐壓達(dá)3.5MPa的控水閥門（?127mm閘板閥或蝶閥）和壓力表?？卓谘b置要同鉆孔套管的法蘭盤連接在一起，并且易于拆開，在測(cè)量過程中要求密封不漏水。為了不影響鉆探施工進(jìn)度，在孔口管固孔牢固后將孔口三通連接好，并且安裝好孔口閥門后方可下鉆。鉆進(jìn)入含水異常體部位并出水后，邊鉆進(jìn)邊進(jìn)行水量與水壓觀測(cè)。

圖8 孔口裝置示意圖

3.5 鉆孔孔口封孔要求

（1）封孔必須采用專用設(shè)備進(jìn)行施工，封孔深度穿過煤層直接頂板粉砂巖、泥巖段0.1～0.2m。

（2）孔口管外端必須超出巷幫0.2～0.3m，并采用封孔專用設(shè)備向孔內(nèi)注入固孔液(水泥砂漿和高分子封孔材料)，注完后必須保證靜置到固孔液凝固為止。

（3）封孔凝固結(jié)束后對(duì)孔口管必須進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為3.5MPa并穩(wěn)定30min后，孔口管周圍不漏水時(shí)方可鉆進(jìn)。

4 鉆進(jìn)主孔水文資料分析

此次，應(yīng)用定向鉆進(jìn)技術(shù)完成了1#、2#、3#、4#、5#、6#六個(gè)井下定向主孔，總進(jìn)尺2769m，鉆孔的中控位置分別在上下分層的粗砂巖中。

4#孔鉆遇巖性見表1。

表1 4#鉆孔實(shí)鉆巖性統(tǒng)計(jì)表

該孔終孔深度為492m，鉆進(jìn)30m時(shí)初次見水，涌水量為0.5m3/h，隨后的鉆進(jìn)中涌水量逐漸增大，到終孔時(shí)涌水量達(dá)到129m3/h，水壓0.4MPa，水溫始終保持在18℃，總疏放時(shí)間217d，水壓降低為0.13MPa，涌水量降為14m3/h。

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，1#、2#、4#、6#等4個(gè)孔的總進(jìn)尺1695m，總涌水量約29×104m3，水溫基本保持在18℃，終孔水壓衰減比較大。

5 鉆進(jìn)分支孔水文資料分析

3#鉆孔開孔方位角161.6°，開孔傾角30°，封孔長(zhǎng)度28m，主孔終孔孔深480m；3-1#孔從3#主孔264m處開分支，終孔深度為441m；3-2#孔從3#主孔366m處開分支，終孔深度為453m。圖9所示為3#鉆孔設(shè)計(jì)與實(shí)鉆軌跡剖面圖。

3#孔、3-1#孔、3-2#孔終孔層位均為直羅組粗砂巖含水層，當(dāng)主孔鉆進(jìn)到132m進(jìn)入上分層含水層時(shí)，用水量逐漸增大到129.6m3/h，水壓為0.38MPa，水溫180C，總疏放時(shí)間為186d，水壓降至0.25MPa，涌水量降為72m3/h。

圖9 3#鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面圖

6 鉆遇復(fù)雜地層的處理

3121工作面頂板地層的鉆進(jìn)中，所遇到的復(fù)雜地層包括遇水膨脹的泥巖、含礫石泥巖、硬度較大的粗礫砂巖。因?yàn)榈V區(qū)的地質(zhì)條件是清楚的，所以在鉆孔軌跡設(shè)計(jì)時(shí)，全面考慮了完鉆的綜合技術(shù)，包含了孔口的封孔設(shè)施設(shè)計(jì)和封孔材料的實(shí)驗(yàn)和選擇，遇到復(fù)雜地層采取什么手段，針對(duì)在硬度較大的粗礫砂巖中怎樣開分支孔等項(xiàng)技術(shù)，根據(jù)定向鉆進(jìn)瓦斯孔的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，做了相應(yīng)的技術(shù)準(zhǔn)備，但在實(shí)際鉆進(jìn)中，還是遇到了一定的困難，解決這些困難采取了相應(yīng)的技術(shù)手段。

（1）泥巖段的位置處在下段下分層含水層，現(xiàn)場(chǎng)條件有限，僅對(duì)泥巖塊做了浸水侵泡試驗(yàn)，通過24h的浸泡觀察，泥巖塊膨脹的體積適中，膨脹體的硬度相對(duì)較軟，據(jù)此分析出現(xiàn)粘鉆和抱鉆事故，應(yīng)是鉆具在孔內(nèi)滯留時(shí)間較長(zhǎng)引起的。為了解決這個(gè)難題，一是決定采用擴(kuò)徑和改變定向鉆進(jìn)工藝方法，即先用?113mm復(fù)合片鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)出泥巖段1m左右，后用提鉆換?165mm的擴(kuò)孔鉆頭，繼續(xù)鉆進(jìn)出泥巖1m左右提鉆，然后下?127mm的套管固孔解決；二是加快鉆進(jìn)速度，縮短鉆進(jìn)、擴(kuò)孔鉆進(jìn)、下套管的總體時(shí)間，盡量在泥巖膨脹體積較小的情況下完成施工。共施工了6個(gè)鉆孔，較好地解決了泥巖膨脹產(chǎn)生的抱鉆和粘鉆問題。 （2）在下段上分層含水層，有一層含礫石泥巖，其特點(diǎn)是遇水極易膨脹，礫石的粒徑較小。鉆進(jìn)時(shí)易發(fā)生粘鉆和小粒石堵鉆頭水眼，造成水流量減小，使孔內(nèi)返渣情況受阻，形成一定程度的積渣事故等。這個(gè)問題主要從鉆進(jìn)工藝上來(lái)解決，在這層含礫泥巖段，使用?145mm的擴(kuò)孔鉆頭，采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式鉆進(jìn)，當(dāng)鉆孔擴(kuò)徑后，礫石可以有效的排出，從而使泥巖的縮徑狀況減小。在其他巖層段仍然使用定向鉆進(jìn)的方式鉆進(jìn)，效果良好。

（3）由于鉆孔的傾角在25°～30°之間，較大傾角的開孔不利于套管的穩(wěn)定和影響固孔質(zhì)量，因此在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將鉆孔擴(kuò)至?165mm，增大套管和孔壁間隙，從而增加固孔材料充填量，為了防止套管下滑，設(shè)計(jì)了專用夾板將套管固定確保了固孔強(qiáng)度。

（4）在較硬的巖石中開分支孔，導(dǎo)致螺桿馬達(dá)的彎外管磨損較大，主要的原因是原設(shè)計(jì)是每6m傾角增加1°，垂深增加0.1m，重新設(shè)計(jì)后改為每6m傾角增加3°，垂深增加0.3m，通過增大鉆孔傾斜角度，增加開分支孔的磨孔受力位置，減少了彎外管的磨損程度。

（5）采用定向鉆進(jìn)與回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)相結(jié)合的方法，進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)工藝方法鉆進(jìn)，比較容易的解決了孔內(nèi)坍塌和積渣問題，并且順利的排出涌水。針對(duì)涌水量較大，影響鉆進(jìn)時(shí)，在孔口安裝了四通裝置，確保了鉆進(jìn)中涌水能從疏水管中排出，終孔后通過孔口閘門隨時(shí)控制鉆孔的排水量。

7 結(jié)束語(yǔ)

定向鉆進(jìn)技術(shù)可以有效地控制鉆孔軌跡變化，探查地層中的富集水，并且可以實(shí)現(xiàn)分層治水的效果，有效地降低大水壓、長(zhǎng)時(shí)間的抽放水，對(duì)鉆孔壁造成較大的損傷。通過實(shí)踐確定定向鉆進(jìn)技術(shù)可以在復(fù)雜的地層中實(shí)現(xiàn)探放水鉆進(jìn)，并且取得了很好的效果。

[1]紅柳煤礦3121工作面實(shí)驗(yàn)鉆場(chǎng)施工總結(jié)[R].

[2]馬沈岐.瓦斯地質(zhì)鉆探工藝研究[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2007（2）.

[3]馬鐘路，馬沈岐.煤礦坑道水文地質(zhì)鉆探工藝[J].甘肅科技，2008.

[4]馬沈岐,曹明,汪蕓,劉桂芹.瓦斯地質(zhì)鉆探中孔內(nèi)事故分析與處理方法[J].煤礦安全，2008（11）.

[5]馬沈岐，王建峰，王龍.煤礦防治水患鉆探工程問題探討[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2013（增刊）.

TD743

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1004-5716(2015)06-0055-05

2014-06-16

2014-06-20

馬沈岐（1957-），男（漢族），山西平順人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事煤礦瓦斯地質(zhì)鉆探工藝研究以及技術(shù)推廣等工作。