韓志遠

(山西煤炭運銷集團忻州有限公司,山西 忻州 034000)

山西煤炭運銷集團泰山隆安煤業(yè)有限公司是由四座煤礦兼并重組整合而成,批準開采813號煤層,批采標高1 180 m～680 m。目前泰山隆安煤業(yè)進入薄煤層開采,煤層厚度1.8 m～2.7 m左右,11號上組煤厚度1.4 m左右,11號下組煤厚度1.8 m～2.5 m,平均2.2 m,11下303回采工作面北為11號煤西翼集中回風下山，南為原廢棄民采平硐采空區(qū),東為原橋頭鎮(zhèn)辦煤礦采空區(qū)，西為11301回采工作面。根據(jù)前期礦方對原橋頭鎮(zhèn)辦煤礦資料調(diào)查和走訪老工人,推斷出11下303工作面東南有原橋頭鎮(zhèn)辦煤礦采空區(qū),該采空區(qū)可能存在積水,推測積水量為34 047 m3。為了進一步驗證泰山隆安礦11303工作面南部和11305工作面中部的原橋頭鎮(zhèn)辦煤礦采空區(qū),及時掌握老窯采空區(qū)的分布及積水情況就顯得尤為重要。

1 千米定向鉆的工作原理

定向鉆進技術(shù)是利用自然造斜規(guī)律并結(jié)合專用工具使鉆孔軌跡設(shè)計延伸鉆進至指定目標層位的一種鉆探方法[1-2]。定向鉆進技術(shù)不僅能大幅提高單孔的施工進度還能夠?qū)崿F(xiàn)一個主孔內(nèi)多個分支孔的施工，從而大幅度提高探測范圍，并且具有精度高、直觀性強、適應(yīng)面寬等優(yōu)點。近年來,定向鉆進技術(shù)以其獨有的技術(shù)優(yōu)勢在煤礦安全和地質(zhì)勘探領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在煤礦瓦斯防治、構(gòu)造探測、水害防治及其它隱蔽致災(zāi)因素探查中發(fā)揮著越來越重要的作用[3-5]。

2 千米定向鉆設(shè)備參數(shù)及施工設(shè)計方案

2.1 千米定向鉆設(shè)備參數(shù)

本次老空區(qū)探測使用設(shè)備為VLD-1000型履帶式液壓鉆機,由導(dǎo)向裝置、孔底馬達、注漿泵等組成。機身長度3 742 mm,寬度2 100 mm,高度1 666 mm,重量12 500 kg,動力部分主要靠電動馬達、液壓泵、主泵、液壓水泵、輔助泵等五部分組成。鉆進過程中鉆桿不轉(zhuǎn)動,鉆頭通過中空鉆桿提供的高壓水驅(qū)動,做工之后的水攜帶鉆屑從鉆桿與鉆孔之間流出。鉆頭能夠隨時顯示空間位置,并能夠?qū)崿F(xiàn)鉆進方向的調(diào)節(jié),實現(xiàn)定向鉆進。

2.2 設(shè)計依據(jù)

結(jié)合泰山隆安煤礦地質(zhì)報告、采掘平面圖、泰山隆安煤業(yè)11301和11303工作面煤層頂?shù)装寰C合柱狀圖以及泰山隆安煤業(yè)采掘現(xiàn)狀,在保證正常掘進的前提下制定了鉆探施工方案。

2.3 設(shè)計方案

本次老空區(qū)在11301回風順槽計劃施工2個定向探放水鉆場進行鉆探:在11301回風順槽775 m處的硐室內(nèi)布置1號鉆場，在11301回風順槽450 m處的硐室內(nèi)布置2號鉆場分階段探測。鉆孔軌跡平面設(shè)計示意圖,見圖1。

圖1 鉆孔軌跡平面布置設(shè)計示意圖Fig.1 Plane layout of drilling trajectory

2.4 技術(shù)方案

1)在1號鉆場內(nèi)施工1號定向鉆孔,1號定向鉆孔孔徑100 mm,開孔方位角120°,開孔傾角1°,目標方位角180°。1號鉆孔主孔長度630 m(0～630 m),主孔層位于11號下煤層內(nèi),鉆探范圍為:11303回風順槽1 270 m至1 387 m,輪廓線向東25 m的區(qū)域(即橋頭鎮(zhèn)辦煤礦西南側(cè)巷采采空區(qū))。

在施工完1號定向鉆孔后,根據(jù)鉆探結(jié)果再施工分支孔,主孔每隔100 m施工分支孔向上探至11號上煤層頂板,共計施工5個分支鉆孔,每個探頂分支長度70 m,計劃在3號、5號、7號向11號下煤層頂板進行分支探測,每分支長度150 m,總進尺1 430 m。

2)在2號鉆場內(nèi)施工2號定向鉆孔,2號定向鉆孔孔徑100 mm,設(shè)計開孔方位角93°,開孔傾角6°,目標方位角90°。2號定向鉆孔共3個主分支,主孔層位于11號下煤層內(nèi),其中1號主分支長度516 m(0～516 mm),鉆探范圍為:305回風順槽377 m至460 m,輪廓線向西40 m的區(qū)域。2號主分支長度366 m(204 m～570 m),鉆探范圍為:305回風順槽460 m至506 m,輪廓線向東25 m的區(qū)域。3號主分支長度354 m(180 m～534 m),鉆探范圍為:305回風順槽506 m至665 m,輪廓線向西89 m的區(qū)域。

在施工完成主分支孔后,根據(jù)鉆探結(jié)果在鉆孔的主分支每隔100 m向11號上煤層頂板施工分支孔,每個探頂分支長度50 m,共施工4個分支孔。

3 定向鉆進施工工序

根據(jù)本次定向鉆孔設(shè)計要求和鉆機操作規(guī)程進行施工工序為:移機定位→開孔和擴孔→耐壓試驗→定向施工。

3.1 移機定位

根據(jù)鉆孔設(shè)計的要求和鉆機操作規(guī)程的規(guī)定將鉆機搬移至開孔位置,按照規(guī)定方位角和傾角固定鉆機。

3.2 開孔和擴孔

使用Φ98 mm打鉆鉆頭和普通鉆桿采用旋轉(zhuǎn)鉆進方式直接開孔,然后用Φ153 mm擴孔鉆頭和普通鉆桿采用旋轉(zhuǎn)鉆進方式直接擴孔。

3.3 耐壓試驗

依據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》探放老空積水的超前鉆距,下長度不小于10 m的止水套管。使用的水泥標號不低于425號,無變質(zhì)、結(jié)塊現(xiàn)象，按照0.5:1水泥漿封閉固結(jié)。48 h后進行耐壓試驗，試驗壓力必須達到1 MPa,穩(wěn)定30 min,孔口管管壁及管口四周不漏水為耐壓試驗合格。耐壓試驗經(jīng)驗收合格后安裝好法蘭盤、水壓表、高壓防水球閥及反噴裝置(抗水壓2 MPa)。

3.4 定向鉆施工

1)校正彎頭方向。將孔內(nèi)馬達放入并連接孔底工具鉆桿,退回鉆桿使彎頭方向標記露出孔外并將彎頭方向設(shè)置為360°,進行一次檢查測量確認彎頭方向為360°,加上鉆桿直到孔內(nèi)馬達、孔底工具以及銅鉆桿全部進入孔內(nèi)。

2)開新孔操作。將孔內(nèi)馬達送入已擴好孔的孔底,啟動水泵,待孔中返出水,確認返渣正常后,用孔內(nèi)馬達鉆進至9 m處。按復(fù)位按鈕進行檢查測量,記錄方位角讀數(shù)。正常鉆進操作每6 m進行一次測量,與設(shè)計軌跡進行對比,根據(jù)偏移情況決定彎頭方向的調(diào)整策略。

3)開分支操作。從圖上找到分支點,要求有至少0.5°的爬升, 記下孔外電腦上欲開分支點的孔深米數(shù)和左側(cè)的測量編號。

4)完孔。當鉆孔施工至設(shè)計深度后,應(yīng)進行一次洗孔,以確保退鉆順利和通道暢通。完孔后應(yīng)及時將井下記錄的終孔參數(shù)進行處理并輸入數(shù)據(jù)庫,將鉆孔軌跡及時描繪在礦圖上。

5)撤鉆。鉆孔施工完畢后將鉆桿全部退出,卸下孔底馬達,斷開地錨與鉆機之間的聯(lián)接。退出鉆桿后,連接高壓軟管引入礦方排水系統(tǒng)。若鉆孔探測結(jié)果為無水,退出鉆桿后及時對鉆孔用水泥漿進行封堵,封堵長度不小于0.5 m,并在孔口加裝法蘭堵板。

4 施工分析評價

4.1 定向鉆進施工分析

本次探放水鉆孔施工以11號下煤為目標層位。

由于11號下煤層較薄、斷層多、鉆孔施工時轉(zhuǎn)彎半徑大的原因,導(dǎo)致4號鉆孔見煤孔段較少,后經(jīng)過調(diào)整鉆進工藝參數(shù)，5號鉆孔見煤孔段較多。根據(jù)2個鉆孔孔內(nèi)返水、返渣情況及鉆機工作參數(shù)判斷煤層沿鉆孔方向高程變化及是否存在采空區(qū)。

根據(jù)探放水鉆孔實測，鉆孔施工已經(jīng)鉆進至預(yù)定區(qū)域，1號定向鉆孔未探出采空區(qū)及積水，2號定向鉆孔已經(jīng)完整覆蓋305工作面煤層推斷的采空區(qū)，并探測至305回風順槽東側(cè)，未發(fā)現(xiàn)采空區(qū)及積水。施工過程中存在煤層起伏與原有等高線不符、構(gòu)造等情況，導(dǎo)致與設(shè)計線路軌跡有個別出入,通過不斷探頂分支的施工確定煤層的頂?shù)装?，使施工軌跡始終保持在11號下煤層中，直至老空區(qū)及煤層積水區(qū)域。

4.2 勘探效果評價

本次探放水工程質(zhì)量合格，依據(jù)煤礦探放水質(zhì)量驗收制度,本次探放水工程嚴格按照設(shè)計和施工安全措施施工,詳細記錄鉆孔施工中的數(shù)量、角度、孔深和孔內(nèi)情況等數(shù)據(jù)。嚴格按照現(xiàn)場驗收規(guī)定對已經(jīng)施工完畢的鉆孔進行驗收記錄并遞交鉆孔參數(shù)。

5 結(jié)束語

本次采用千米定向鉆高效地完成了對泰山隆安煤業(yè)近煤層探測，老空區(qū)邊界探測定向鉆孔施工按照設(shè)計鉆進至預(yù)定區(qū)域，達到了設(shè)計預(yù)期的效果，準確地探明泰山隆安11303工作面南部和11305工作面中部的原橋頭鎮(zhèn)辦煤礦老空區(qū)情況,及時掌握了老窯采空區(qū)的分布及積水情況,消除了泰山隆安煤礦井下采掘施工作業(yè)中的水害隱患，緩解了采掘銜接緊張的局面,增加了資源回收率，為礦井的安全回采創(chuàng)造了良好條件。