馮達暉

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦井下定向鉆進技術(shù)由于能夠?qū)崿F(xiàn)長鉆孔定向鉆進和對鉆孔軌跡的主動控制，目前廣泛應(yīng)用于本煤層瓦斯抽采鉆孔施工、頂板高位鉆孔、頂(底)板梳狀瓦斯抽采鉆孔、探放水鉆孔、地質(zhì)勘探鉆孔以及頂(底)板注漿加固鉆孔等巖層鉆孔施工[1-6]。煤礦井下定向鉆進主要可分為兩大目標(biāo)，一是依據(jù)目標(biāo)層位的軌跡布置定向鉆進；一是依據(jù)終孔位置的精準(zhǔn)定向鉆進。一般而言，前者對精度的要求相對較低，而對于要求終孔位置的精準(zhǔn)定向，對鉆孔軌跡設(shè)計、軌跡控制精度等方面都有很高的要求[7-10]。

皖北煤電錢營孜煤礦已掘巷道積水，考慮經(jīng)濟性和可行性，針對復(fù)雜地質(zhì)條件，對當(dāng)前施工裝備和技術(shù)進行研究，制定合理的定向鉆進技術(shù)方案，順利完成精準(zhǔn)對穿巷道放水孔施工，實現(xiàn)預(yù)期放水目標(biāo)。通過研究和應(yīng)用，對精準(zhǔn)對穿巷道的定向鉆孔施工技術(shù)有了一定的研究，積累了寶貴經(jīng)驗，為下一步拓展應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 研究背景

1.1 研究目的

錢營孜煤礦西三采區(qū)西三軌道上山、西三回風(fēng)上山的上部施工段因積水停止掘進，2條巷道內(nèi)均有40 m巷道積水，為解決從西風(fēng)井巷道接力排水困難，減少排水電量消耗，實現(xiàn)煤礦安全、低成本生產(chǎn)目標(biāo)，在與積水停頭位置高差100 m左右的西三膠帶石門附近布置鉆場，施工放水孔，利用高差實現(xiàn)自流排水。如圖1所示。

1.2 地質(zhì)條件

巷道區(qū)域巖性為泥巖，塊狀，紫紅斑，縱向裂隙發(fā)育，巖層產(chǎn)狀122°∠16°。鉆孔將揭露32煤層及下部巖層，主要為泥巖、細砂巖。

圖1積水巷道和預(yù)期放水位置示意圖

鉆孔軌跡擬穿過F51逆斷層，斷層傾角45°，斷距±30 m，斷層破碎帶平均寬度40 m左右。具體巖層柱狀圖見表1。

表1 巖層柱狀分布

西三采區(qū)主要充水水源為32煤層頂、底板砂巖裂隙水，最大涌水量約30 m3/h。

西三回風(fēng)上山巷道積水段約46.8 m，積水范圍標(biāo)高-502.8～-517.5 m，積水量約610 m3,動水量約7 m3/h。西三軌道上山巷道積水段約42.7 m，積水范圍標(biāo)高-514.2～-525.9 m，積水量約516.2 m3，動水量約3 m3/h。鉆孔貫通目標(biāo)為標(biāo)高較低的西三軌道上山停頭位置。

2 精準(zhǔn)對穿巷道定向成孔技術(shù)

2.1 鉆孔軌跡設(shè)計

定向鉆進鉆孔軌跡設(shè)計三要素：鉆孔目的；開孔點、終孔點相對位置；特殊地層條件。鉆孔目的確定鉆孔類型，開孔、終孔位置確定孔深和軌跡，復(fù)雜地層條件則需要相對應(yīng)的特殊考慮。

鉆孔軌跡設(shè)計一般流程為：確定開孔、終孔點；選取鉆孔軌跡地層層位；形成布孔方案；確定開孔傾角和方位角；形成軌跡數(shù)據(jù)并畫成曲線圖。

錢營孜礦定向放水孔目的是精準(zhǔn)對穿積水巷道實現(xiàn)排水，理想終孔點應(yīng)為巷道相對較低點，且巷道斷面寬5 m，中心高3.7 m，根據(jù)開孔點、終孔點的相對位置，開孔位置到巷道斷面平距>420 m，高差>100 m，考慮到儀器測量誤差、軌跡控制誤差以及其他影響，同時提高精準(zhǔn)對穿巷道準(zhǔn)確度，將終孔點選在積水巷道左幫，穿透高度位于巷道中部，鉆孔平面預(yù)想布置如圖1所示。若因測量誤差或其他環(huán)境因素未能一次穿透貫通，則只需在適當(dāng)位置向右開分支孔后繼續(xù)鉆進貫通。

鉆進層位在穩(wěn)定的泥巖和砂巖地層中，若出現(xiàn)塌孔，則開分支在穩(wěn)定層位施工。1號孔開孔設(shè)計主要參數(shù)：設(shè)計孔深450 m，開孔方位281°，開孔傾角6°，終孔相對高差105 m，終孔相對水平位移421.8 m。

2.2 設(shè)備選型和配置

(1)定向鉆機。根據(jù)本次設(shè)計孔深約450 m施工要求，且存在大斷距斷層、泥巖地層等不良地質(zhì)條件，選用中煤科工集團西安研究院有限公司設(shè)計生產(chǎn)的ZDY12000LD型大扭矩鉆機，配套BLY460型泥漿泵車。BLY460型泵車具有大流量和高泵壓，能夠滿足正常鉆進和大排量沖孔排渣要求。

(2)隨鉆測量系統(tǒng)。考慮在復(fù)雜地層鉆進中測量的可靠性、穩(wěn)定性和測量傳輸速度，最終確定選用YHD2- 1000(A)型有線通纜測量系統(tǒng)。

(3)鉆桿和鉆頭。根據(jù)鉆機型號和測量系統(tǒng)，定向鉆桿配套確定外徑為?89 mm通纜鉆桿，單根長度3 m，配套性好，強度高，對于輕微卡鉆事故可以大扭矩和起拔處理。同時，根據(jù)施工需要配備?89 mm整體式螺旋鉆桿，穿斷層破碎帶時，螺旋鉆桿具有較好的排渣能力。定向鉆進用鉆頭配套為?120 mm復(fù)合片鉆頭，擴孔鉆頭為?120/153、153/193 mm。

(4)螺桿馬達?？紤]鉆進地層需要和鉆具配套，螺桿馬達選用為?89 mm四級馬達；若遇到局部較硬地層，則考慮采用回轉(zhuǎn)鉆進方式穿過硬巖段提高鉆效或考慮提高扭矩換用五級馬達。

(5)其他根據(jù)防治水要求，孔口安裝護孔套管，選用?146 mm套管，長度≮15 m；配套安裝相應(yīng)的孔口防噴裝置和孔口閥門。

主要設(shè)備和材料配置如表2所示。

表2 主要設(shè)備和配套鉆具材料

2.3 鉆進工藝方法

煤礦井下定向鉆進工藝方法，主要有滑動定向鉆進、回轉(zhuǎn)復(fù)合鉆進和螺旋鉆桿常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進。

(1)滑動定向鉆進?；瑒佣ㄏ蜚@進是定向鉆孔常用施工方法。鉆進過程中，鉆桿不回轉(zhuǎn)，泥漿泵提供高壓水驅(qū)動螺桿馬達回轉(zhuǎn)帶動鉆頭回轉(zhuǎn)切削破碎巖石，通過調(diào)整螺桿馬達彎外殼的朝向來控制鉆孔軌跡，圖2(a)所示。該鉆進方式主要用于鉆孔造斜和軌跡糾偏。

圖2 滑動定向鉆進與旋轉(zhuǎn)復(fù)合鉆進工藝原理圖

(2)復(fù)合定向鉆進。鉆進過程中，泥漿泵向孔底泵送高壓水驅(qū)動孔底馬達轉(zhuǎn)子帶動鉆頭轉(zhuǎn)動，同時，鉆機帶動鉆具回轉(zhuǎn)并向鉆具施加鉆壓，從而實現(xiàn)復(fù)合碎巖的鉆進方法[11-12]，如圖2(b)所示。復(fù)合鉆進一般是穩(wěn)斜鉆進，與滑動定向鉆進相比，鉆進巖層時能夠大大提高鉆進效率，減小摩擦阻力，降低系統(tǒng)壓力；但這里主要目的是回轉(zhuǎn)時提高排渣能力。

(3)常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進。在通過斷層破碎帶時，復(fù)合鉆進無法通過時，則提鉆后采用螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)鉆進方式提高排渣能力強行穿過斷層破碎帶，然后進行注漿對破碎帶加固處理。

3 施工應(yīng)用

2017年9月12日—10月28日在錢營孜煤礦西三軌道上山，施工定向放水孔,具體施工流程與情況如下。

(1)開孔擴孔。穩(wěn)固鉆機，調(diào)整角度后，開孔采用?120 mm PDC鉆頭+?89 mm螺旋鉆桿串，鉆進至孔深18 m；然后提鉆逐級擴孔至193 mm。

(2)下套管注漿固孔。下入?146 mm孔口管15 m，水泥封孔后做耐壓試驗，合格后進行下一步施工。

(3)下定向鉆具鉆進。依次連接?120 mm PDC鉆頭+?89 mm孔底馬達+?89 mm下無磁鉆桿+隨鉆測量儀器+?89 mm上無磁鉆桿+?89 mm通纜鉆桿串，后按照設(shè)計軌跡進行鉆進。期間根據(jù)地層條件和鉆孔軌跡情況適當(dāng)進行復(fù)合鉆進。

(4)鉆遇F51斷層。當(dāng)鉆至斷層位置時，在正常情況下若能夠繼續(xù)鉆進，采用復(fù)合鉆進方式繼續(xù)鉆進直至穿過斷層；鉆進壓力異常無法正常鉆進，則提鉆后下入?120 mm PDC鉆頭+?89 mm螺旋鉆桿串，回轉(zhuǎn)掃孔盡可能穿過斷層，為確保斷層破碎帶孔段在鉆進期間和排水期間的鉆孔穩(wěn)定，提鉆后采用全孔注漿方式對破碎帶區(qū)域進行注漿加固。

(5)繼續(xù)定向鉆進。注漿完成后進行回轉(zhuǎn)掃孔，以確保斷層破碎帶區(qū)域地層穩(wěn)定，然后下入定向鉆具繼續(xù)鉆進，按照鉆孔設(shè)計軌跡進行糾偏和軌跡控制，盡可能保證鉆孔沿設(shè)計軌跡延伸。

(6)塌孔處理。繼續(xù)鉆進一定深度后，若局部出現(xiàn)輕微塌孔，可加入專用沖洗液進行沖孔排渣；若塌孔無法穿過，則回轉(zhuǎn)掃孔后，下入局部封隔器進行封隔，然后對破碎區(qū)域局部逐漸進行處理。

(7)貫通巷道。鉆進至最后50 m時，嚴格控制鉆孔軌跡，每3 m測量一次，同時根據(jù)工具面角大小，預(yù)測鉆頭位置傾角和方位角，確保鉆孔上下位移、左右位移與設(shè)計軌跡偏差≯0.5 m，以保證最終能夠順利穿透。

4 施工效果分析

(1)現(xiàn)場施工放水孔在落差105 m，水平位移421.8 m，左右位移23.3 m的距離上，實現(xiàn)最終貫通，終孔位置實際位于巷道側(cè)幫2.2 m高處，距離西三軌道上山停頭斷面6.9 m；而根據(jù)測量儀器測量計算的實鉆軌跡，終孔點位于側(cè)幫距離巷道底2.01 m，距離停頭5.18 m。終孔點測量值和實際值對比如表3所示。鉆孔軌跡如圖3和圖4所示。

表3 鉆孔設(shè)計值、測量值與實際值對比

圖3 鉆孔實鉆軌跡平面圖

圖4 鉆孔實鉆軌跡剖面圖

(2)精確對穿巷道防水孔施工主要在于定向鉆進隨鉆測量系統(tǒng)的測量精度，傾角±0.2°，方位±1.5°，同時還在于精確的軌跡設(shè)計和軌跡控制。在設(shè)計鉆孔軌跡時，嚴格按照現(xiàn)有測量點數(shù)據(jù)，精確標(biāo)定開孔點和終孔巷道斷面的坐標(biāo)位置，進行精確的鉆孔設(shè)計，優(yōu)先穩(wěn)方位、調(diào)傾角；在鉆孔施工時，嚴格控制鉆孔軌跡，讓實鉆軌跡盡可能沿著設(shè)計軌跡延伸。

(3)鉆孔穿過F51斷層破碎帶時，采用復(fù)合鉆進和螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)鉆進方式，有利排渣，保證定向鉆具安全，順利穿過40 m以上破碎帶并進行全孔高壓注漿加固，加固后鉆孔穩(wěn)定，保證后續(xù)施工安全，該方法用于解決鉆進中破碎帶塌孔問題，確保鉆孔穩(wěn)定和施工安全具有一定的效果。

(4)放水孔順利對穿積水巷道后，平均排水量60 m3/h，螺旋鉆具回轉(zhuǎn)掃孔后最大排水量100 m3/h；后期為保證鉆孔順暢和排水持續(xù)性將鉆孔放置孔內(nèi)直至與砂巖裂隙水出水量接近時提鉆，截止12月1日累計總排水量3200 m3左右，其中排放巷道積水1100 m3以上，提鉆后保持15 m3/h的孔隙水出水量，達到很好的排水效果。

5 結(jié)語

本次應(yīng)用定向成孔技術(shù)的放水孔是目前兩淮地區(qū)最深的精確定向?qū)Υ┿@孔。在深度443 m鉆孔中實現(xiàn)了上下誤差0.19 m，百米誤差<0.1 m；水平誤差1.72 m，百米誤差0.4 m的極高精度。

精準(zhǔn)對穿巷道放水孔的順利貫通，有效排出巷道積水，相對于水泵接力抽排和掘進巷道的排水方式，節(jié)省了大量的電量消耗和人力物力財力，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益。

復(fù)合鉆進配合高壓全孔注漿的綜合處理方式，成功穿越破碎帶，加固鉆孔，保證破碎、易塌孔段孔壁的穩(wěn)定，這是實現(xiàn)復(fù)雜地層條件下近水平定向鉆孔施工的行之有效的工藝方法。

精準(zhǔn)對穿巷道所采用的定向成孔技術(shù)在鉆孔軌跡選擇上有較大的可操作性和精確性，在掘進和采煤超前導(dǎo)硐、老空區(qū)探放水和瓦斯、特殊地質(zhì)構(gòu)造勘探和加固處理以及局部救援巷道貫通等方面可以得到更廣泛運用。

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