韓志遠(yuǎn)

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)忻州有限公司,山西 忻州 034000)

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)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(zhǔn)開(kāi)采813號(hào)煤層,批采標(biāo)高1 180 m～680 m。目前泰山隆安煤業(yè)進(jìn)入薄煤層開(kāi)采,煤層厚度1.8 m～2.7 m左右,11號(hào)上組煤厚度1.4 m左右,11號(hào)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(hào)煤西翼集中回風(fēng)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(duì)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(cè)積水量為34 047 m3。為了進(jìn)一步驗(yàn)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(shí)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(jìn)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(jì)延伸鉆進(jìn)至指定目標(biāo)層位的一種鉆探方法[1-2]。定向鉆進(jìn)技術(shù)不僅能大幅提高單孔的施工進(jìn)度還能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)主孔內(nèi)多個(gè)分支孔的施工，從而大幅度提高探測(cè)范圍，并且具有精度高、直觀性強(qiáng)、適應(yīng)面寬等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái),定向鉆進(jìn)技術(shù)以其獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(cè)、水害防治及其它隱蔽致災(zāi)因素探查中發(fā)揮著越來(lái)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(jì)方案

2.1 千米定向鉆設(shè)備參數(shù)

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

2.2 設(shè)計(jì)依據(jù)

結(jié)合泰山隆安煤礦地質(zhì)報(bào)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(jìn)的前提下制定了鉆探施工方案。

2.3 設(shè)計(jì)方案

本次老空區(qū)在11301回風(fēng)順槽計(jì)劃施工2個(gè)定向探放水鉆場(chǎng)進(jìn)行鉆探:在11301回風(fēng)順槽775 m處的硐室內(nèi)布置1號(hào)鉆場(chǎng)，在11301回風(fēng)順槽450 m處的硐室內(nèi)布置2號(hào)鉆場(chǎng)分階段探測(cè)。鉆孔軌跡平面設(shè)計(jì)示意圖,見(jiàn)圖1。

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

2.4 技術(shù)方案

1)在1號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)施工1號(hào)定向鉆孔,1號(hào)定向鉆孔孔徑100 mm,開(kāi)孔方位角120°,開(kāi)孔傾角1°,目標(biāo)方位角180°。1號(hào)鉆孔主孔長(zhǎng)度630 m(0～630 m),主孔層位于11號(hào)下煤層內(nèi),鉆探范圍為:11303回風(fēng)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(hào)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(hào)上煤層頂板,共計(jì)施工5個(gè)分支鉆孔,每個(gè)探頂分支長(zhǎng)度70 m,計(jì)劃在3號(hào)、5號(hào)、7號(hào)向11號(hào)下煤層頂板進(jìn)行分支探測(cè),每分支長(zhǎng)度150 m,總進(jìn)尺1 430 m。

2)在2號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)施工2號(hào)定向鉆孔,2號(hào)定向鉆孔孔徑100 mm,設(shè)計(jì)開(kāi)孔方位角93°,開(kāi)孔傾角6°,目標(biāo)方位角90°。2號(hào)定向鉆孔共3個(gè)主分支,主孔層位于11號(hào)下煤層內(nèi),其中1號(hào)主分支長(zhǎng)度516 m(0～516 mm),鉆探范圍為:305回風(fēng)順槽377 m至460 m,輪廓線向西40 m的區(qū)域。2號(hào)主分支長(zhǎng)度366 m(204 m～570 m),鉆探范圍為:305回風(fēng)順槽460 m至506 m,輪廓線向東25 m的區(qū)域。3號(hào)主分支長(zhǎng)度354 m(180 m～534 m),鉆探范圍為:305回風(fēng)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(hào)上煤層頂板施工分支孔,每個(gè)探頂分支長(zhǎng)度50 m,共施工4個(gè)分支孔。

3 定向鉆進(jìn)施工工序

根據(jù)本次定向鉆孔設(shè)計(jì)要求和鉆機(jī)操作規(guī)程進(jìn)行施工工序?yàn)?移機(jī)定位→開(kāi)孔和擴(kuò)孔→耐壓試驗(yàn)→定向施工。

3.1 移機(jī)定位

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

3.2 開(kāi)孔和擴(kuò)孔

使用Φ98 mm打鉆鉆頭和普通鉆桿采用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式直接開(kāi)孔,然后用Φ153 mm擴(kuò)孔鉆頭和普通鉆桿采用旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式直接擴(kuò)孔。

3.3 耐壓試驗(yàn)

依據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》探放老空積水的超前鉆距,下長(zhǎng)度不小于10 m的止水套管。使用的水泥標(biāo)號(hào)不低于425號(hào),無(wú)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(jìn)行耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力必須達(dá)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(yàn)合格。耐壓試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)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(dá)放入并連接孔底工具鉆桿,退回鉆桿使彎頭方向標(biāo)記露出孔外并將彎頭方向設(shè)置為360°,進(jìn)行一次檢查測(cè)量確認(rèn)彎頭方向?yàn)?60°,加上鉆桿直到孔內(nèi)馬達(dá)、孔底工具以及銅鉆桿全部進(jìn)入孔內(nèi)。

2)開(kāi)新孔操作。將孔內(nèi)馬達(dá)送入已擴(kuò)好孔的孔底,啟動(dòng)水泵,待孔中返出水,確認(rèn)返渣正常后,用孔內(nèi)馬達(dá)鉆進(jìn)至9 m處。按復(fù)位按鈕進(jìn)行檢查測(cè)量,記錄方位角讀數(shù)。正常鉆進(jìn)操作每6 m進(jìn)行一次測(cè)量,與設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行對(duì)比,根據(jù)偏移情況決定彎頭方向的調(diào)整策略。

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

4)完孔。當(dāng)鉆孔施工至設(shè)計(jì)深度后,應(yīng)進(jìn)行一次洗孔,以確保退鉆順利和通道暢通。完孔后應(yīng)及時(shí)將井下記錄的終孔參數(shù)進(jìn)行處理并輸入數(shù)據(jù)庫(kù),將鉆孔軌跡及時(shí)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(dá),斷開(kāi)地錨與鉆機(jī)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(cè)結(jié)果為無(wú)水,退出鉆桿后及時(shí)對(duì)鉆孔用水泥漿進(jìn)行封堵,封堵長(zhǎng)度不小于0.5 m,并在孔口加裝法蘭堵板。

4 施工分析評(píng)價(jià)

4.1 定向鉆進(jìn)施工分析

本次探放水鉆孔施工以11號(hào)下煤為目標(biāo)層位。

由于11號(hào)下煤層較薄、斷層多、鉆孔施工時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑大的原因,導(dǎo)致4號(hào)鉆孔見(jiàn)煤孔段較少,后經(jīng)過(guò)調(diào)整鉆進(jìn)工藝參數(shù)，5號(hào)鉆孔見(jiàn)煤孔段較多。根據(jù)2個(gè)鉆孔孔內(nèi)返水、返渣情況及鉆機(jī)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(shí)測(cè)，鉆孔施工已經(jīng)鉆進(jìn)至預(yù)定區(qū)域，1號(hào)定向鉆孔未探出采空區(qū)及積水，2號(hào)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(cè)至305回風(fēng)順槽東側(cè)，未發(fā)現(xiàn)采空區(qū)及積水。施工過(guò)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(jì)線路軌跡有個(gè)別出入,通過(guò)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(hào)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(píng)價(jià)

本次探放水工程質(zhì)量合格，依據(jù)煤礦探放水質(zhì)量驗(yàn)收制度,本次探放水工程嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)和施工安全措施施工,詳細(xì)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(yán)格按照現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收規(guī)定對(duì)已經(jīng)施工完畢的鉆孔進(jìn)行驗(yàn)收記錄并遞交鉆孔參數(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本次采用千米定向鉆高效地完成了對(duì)泰山隆安煤業(yè)近煤層探測(cè)，老空區(qū)邊界探測(cè)定向鉆孔施工按照設(shè)計(jì)鉆進(jìn)至預(yù)定區(qū)域，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期的效果，準(zhǔn)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(shí)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。