袁子航，葉根飛，趙永哲，孫 陽

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；3.中國煤炭科工集團有限公司，北京 100013)

礦井水害是煤礦重大自然災害之一，嚴重威脅著煤礦安全生產。隨著煤礦開采深度的加深，底板灰?guī)r水害治理工作已經成為煤礦安全開采的重中之重，在淮南礦區(qū)尤為突出[1-4]。為預防巷道掘進過程中發(fā)生突水事故，實現巷道安全、連續(xù)掘進，目前在巷道掘進前主要采用常規(guī)前探孔和定向前探孔對巷道底板一定范圍內含水層進行超前探查，并要求超前探查距離不小于30m[5，6]。

由于定向鉆孔具有鉆孔軌跡可控、目標層位鉆遇率高、單孔探查距離遠等優(yōu)勢[7-10]，采用定向長鉆孔進行底板防治水成為一種發(fā)展趨勢。本文以淮南顧北煤礦掩護底板巷道掘進水害超前探查項目為例，分析優(yōu)化定向前探孔的設計及施工工藝，并將定向前探孔與常規(guī)前探孔的施工效果進行對比分析。

1 地質條件及施工目的

淮南顧北煤礦1#煤層底板距離石炭系太原組第一層灰?guī)r平均18.32m，第一水平(-648m)灰?guī)r水頭壓力達6.5MPa，超過1#煤層底板巖層允許承受的最大水壓值，且底部奧灰水可能因斷層或其它導水裂隙直接與太原組灰?guī)r發(fā)生水力聯系。因此，1#煤層底板巷道掘進受灰?guī)r水害威脅嚴重。為掩護巷道安全掘進，需施工鉆孔對底板水害進行超前探查。

圖1 地層柱狀圖

2 鉆孔設計

2.1 鉆孔軌跡設計

圖2 設計鉆孔軌跡

表1 鉆孔設計參數

2.2 孔身結構設計

表2 TD2-1及TD2-2孔身結構參數

3 配套機具

定向鉆進配套機具主要包括鉆機、泥漿泵、螺桿鉆具、隨鉆測量儀器等。煤礦井下定向鉆孔施工時，需根據施工目的、地層條件及鉆孔參數選用合適的定向鉆進設備。依據顧北煤礦地質條件復雜、灰?guī)r硬度高、泥灰?guī)r交界面不穩(wěn)定、煤矸石薄層較為破碎等特點，選用的主要設備機具參數見表3。

表3 定向鉆進設備機具參數

4 施工工藝

4.1 鉆進規(guī)程及設備參數

鉆進規(guī)程參數主要指泵量、轉速和鉆壓。煤礦井下鉆孔施工使用清水作為循環(huán)液，為保證鉆渣順利返出鉆孔，環(huán)空流速應不小于1m/s。鉆頭轉速由轉盤轉速和螺桿轉速兩部分組成，定向鉆進過程中轉速由螺桿提供。式(1)表示返水流速與泵量的關系，式(2)表示螺桿鉆具轉速與泵量的關系，確定鉆具組合及返水速度后，可計算得到定向鉆進過程中泵量及定向鉆進轉速的取值。鉆壓的取值主要與巖石硬度有關。本次鉆孔施工過程中的鉆進規(guī)程參數選取見表4。

表4 鉆進規(guī)程參數

Q=0.06×A·v

(1)

式中，Q為泵量，L/min；A為環(huán)空間隙的面積，mm2；v為環(huán)空流速，m/s。

Q=N·q

(2)

式中，q為螺桿鉆具每轉的排量，L/r；N為螺桿鉆具的轉速，rpm。

4.2 一開鉆進

4.3 二開鉆進

二開鉆孔采用定向鉆具組合，以復合鉆進為主。由于泥巖及煤線較破碎、軟弱，易出現縮頸、掉塊甚至引起塌孔、卡鉆事故，因此當鉆入軟弱破碎地層時，應適當降低泥漿泵排量和轉速，從而降低螺桿鉆具產生的橫向振動[13，14]，減小對孔壁的破壞。鉆遇地層由軟巖鉆入硬巖時，應控制鉆壓，防止鉆孔軌跡產生較大偏斜，導致下套管時遇阻。二開鉆進同樣采用施工先導孔，然后擴孔的施工工藝。擴孔完畢后，進行沖孔排渣和通孔作業(yè)，最后安設次級套管并封固。

4.4 三開鉆進

5 現場應用效果分析

表5 鉆孔實際施工情況

表6 定向前探孔與常規(guī)前探孔應用情況

以現場應用情況為依據可分析得到，當探查距離約600m時，施工定向鉆孔與施工常規(guī)鉆孔進行水害超前探查相比較，前者鉆孔總進尺和輔助掘進工程量約為后者的1/5，有效探查進尺占比達92%，約為后者2.7～3倍，鉆孔施工工期減少約2/3；后者雖然目標層累計進尺可達前者3倍，但對含水層有效覆蓋孔間與終孔水量并無顯著提高。因此，兩種前探孔施工均可對一定范圍內含水層進行連續(xù)的、長距離有效探查，能滿足水害超前探查需求。但為掩護掘進長度大于600m的巷道進行水害超前探查時，采用定向前探孔相較于常規(guī)前探孔在經濟效益方面具有顯著提高。

6 結 論

1)巷道掘進超前探查定向鉆孔施工技術，具有工期短、經濟效益好、單孔探查距離長、有效探查進尺占比高等優(yōu)勢，可滿足水害超前探查的需求。

2)通過參考臨近區(qū)域鉆孔施工資料，對定向鉆孔不同孔段施工工藝進行研究，總結出適用于該礦區(qū)的定向鉆孔施工工藝，可指導優(yōu)化定向鉆進參數，提高鉆孔施工效率。

3)定向超前探查鉆孔的成功施工，為顧北煤礦水害超前探查提供了新模式，符合煤礦降本增效的開采理念和發(fā)展思路。