田家強(qiáng)

中煤新集能源有限公司 安徽淮南 232000

水害是煤礦五大災(zāi)害之一，給煤礦安全生產(chǎn)造成重大影響?！睹旱V防治水規(guī)定》中第八十八條的規(guī)定：“對(duì)于采據(jù)工作面受水害影響的礦井，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有疑必探、先探后據(jù)、先治后采的原則，進(jìn)行充水條件分析”第八十九條的規(guī)定:“水文地質(zhì)條件復(fù)雜、極復(fù)雜的礦井在地面無(wú)法查明礦井水文地質(zhì)條件和充水因素時(shí)，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持有掘必探的原則，加強(qiáng)探放水工作”。因此煤礦在巷道據(jù)進(jìn)期間必須進(jìn)行超前探放水工作，尤其是水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦井更應(yīng)開(kāi)展此工作。近年來(lái)定向鉆機(jī)已經(jīng)成為水害防治和開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，定向鉆機(jī)將成為煤礦水害防治的主要設(shè)備。

1 概述

新集礦區(qū)地處華東地區(qū)，現(xiàn)有生產(chǎn)及在建礦井5對(duì)，分布在淮南、阜陽(yáng)、亳州等地區(qū)，所轄5對(duì)生產(chǎn)分布分散和范圍廣，水害類(lèi)型多樣，各礦井在地質(zhì)勘探時(shí)確定的水文地質(zhì)條件均屬中等-復(fù)雜類(lèi)型，水害已嚴(yán)重影響到正常開(kāi)采，尤其是板集煤礦屬?gòu)?fù)雜類(lèi)型，煤系地層全部被新生界松散層所覆蓋[1]。據(jù)鉆探揭露及鄰區(qū)資料，區(qū)內(nèi)地層自老至新有寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、古近系、新近系和第四系。石炭－二疊系為含煤地層，礦井煤系及底部灰?guī)r地層隱伏于新生界松散層之下，受采掘破壞或影響對(duì)礦井生產(chǎn)安全和作業(yè)環(huán)境的影響越來(lái)越大，防治水工作是當(dāng)務(wù)之急。板集礦區(qū)目前水害治理主要采用常規(guī)鉆機(jī)在掘進(jìn)巷道或石門(mén)中向含水層施工鉆孔提前疏放頂板水的傳統(tǒng)工藝方法。采用此方法，由于存在井下常規(guī)鉆機(jī)能力偏小施工的鉆孔長(zhǎng)度短，且井下常規(guī)鉆孔只有在開(kāi)采巷道形成后方能進(jìn)行施工，疏放水時(shí)間受限，且施工的常規(guī)鉆孔由于受軟硬互層和鉆具自重影響不能精確施工至目標(biāo)含水層，無(wú)效進(jìn)尺多，疏放水效果差，因此，以目前的水害治理手段，不利于礦井?dāng)U大生產(chǎn)規(guī)模的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃要求。為了更好地解決新集集團(tuán)板集煤礦的水害問(wèn)題，采用定向鉆機(jī)及工藝技術(shù)進(jìn)行對(duì)新集集團(tuán)板集煤礦礦井水害進(jìn)行有效治理。

2 定向鉆機(jī)探放水的優(yōu)勢(shì)

定向探放水鉆機(jī)較常規(guī)探放水鉆機(jī)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）定向鉆機(jī)超前探放水效率高，單孔成孔距離長(zhǎng)，常規(guī)疏水鉆孔深度一般在150m左右，定向鉆孔深度在500m左右，平均單孔孔深為常規(guī)鉆孔的3倍，很好地解決了巷道與超前探放水工作在時(shí)間上的沖突。

（2）施工周期短，普通鉆機(jī)搬家頻繁和下置套管及封孔多，關(guān)鍵工序多影響時(shí)間長(zhǎng)，而定向鉆機(jī)施工一個(gè)鉆場(chǎng)相當(dāng)于常規(guī)鉆孔4個(gè)鉆場(chǎng)的范圍。

（3）補(bǔ)充精確的地質(zhì)資料，定向鉆進(jìn)可以通過(guò)其分支技術(shù)，來(lái)探明含水層頂、底板及斷層等地質(zhì)情況，可為礦方補(bǔ)充精確的地質(zhì)資料。

（4）普通鉆機(jī)與需要探查的含水層已點(diǎn)狀形式接觸，探查范圍有限，需要施工的鉆孔較多，不能在含水層中行長(zhǎng)距離穿行，鉆孔無(wú)效進(jìn)尺多，而定向鉆孔通過(guò)隨鉆隨測(cè)隨系統(tǒng)保證在含水層中長(zhǎng)距離穿行。

（5）普通鉆機(jī)不具有定向鉆進(jìn)功能，鉆孔孔深有限，要使鉆孔覆蓋整個(gè)工作面，就需要大量鉆孔短鉆孔，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，且必須在區(qū)段開(kāi)采巷道形成后才能進(jìn)行施工，定向鉆進(jìn)不受此限制，可以在現(xiàn)有的巷道內(nèi)通過(guò)其鉆機(jī)精確定向技術(shù)施工至目標(biāo)層位。

（6）鉆孔覆蓋范圍大，普通鉆孔施工時(shí)因受巖石集中巷及設(shè)備制約，疏水范圍有限，定向鉆孔可以利用其鉆進(jìn)分支技術(shù)，將鉆孔覆蓋整個(gè)區(qū)域提高疏水效果。

3 定向鉆機(jī)探放水施工時(shí)遇到的技術(shù)難題和解決辦法

（1）鉆孔開(kāi)孔0-3煤3-30泥巖，一遇水就非常容易垮孔，泥巖具有膨脹性，存在鉆孔縮頸而發(fā)生孔內(nèi)事故的技術(shù)難題，此問(wèn)題通過(guò)擴(kuò)孔、下套管、固孔至泥巖段外0.5m的手段解決，為了使套管安全下入和保證套管下入后牢固可靠，擴(kuò)孔孔徑選擇為153mm，并采用下套管裝置將套管推入孔內(nèi)。

（2）施工過(guò)程中，鉆孔需穿過(guò)9煤進(jìn)入含水層，9煤頂?shù)装寰植亢抠|(zhì)泥巖，砂質(zhì)泥巖，該層遇水極易垮孔，且采用定向鉆進(jìn)工藝垮孔塊狀巖渣無(wú)法返出孔外。存在鉆孔塌孔、返水不暢而發(fā)生孔內(nèi)事故的技術(shù)難題，此問(wèn)題通過(guò)采用高壓注漿固孔，并在施工過(guò)程中動(dòng)態(tài)調(diào)整鉆孔傾角確保鉆進(jìn)在合理的煤巖層切換，參照地質(zhì)說(shuō)明書(shū)，合理避開(kāi)見(jiàn)煤點(diǎn)。

（3）由于頂板巖層起伏變化較大，施工過(guò)程中，不易控制鉆孔軌跡和易出現(xiàn)孔內(nèi)事故，此問(wèn)題通過(guò)結(jié)合當(dāng)前施工地區(qū)的實(shí)際情況，將拷貝升井的定向鉆機(jī)鉆孔軌跡圖與設(shè)計(jì)圖進(jìn)行對(duì)比，設(shè)計(jì)出一套定向鉆機(jī)鉆孔軌跡走向?qū)Ρ葓D，讓現(xiàn)場(chǎng)鉆孔傾角方位與設(shè)計(jì)的偏差通過(guò)對(duì)比圖一目了然，保證鉆孔下一步的施工走向，準(zhǔn)確指導(dǎo)施工的手段解決，提高了定向鉆孔的施工質(zhì)量。

（4）板集礦區(qū)構(gòu)造發(fā)育，構(gòu)造附近破碎帶和節(jié)理發(fā)育，鉆孔多次穿斷層，施工過(guò)程中極易出現(xiàn)塌孔和埋鉆事故的技術(shù)難題，此問(wèn)題通過(guò)施工時(shí)多沖少進(jìn)，優(yōu)化進(jìn)尺與排渣時(shí)間的比例，勤觀察返渣及鉆進(jìn)參數(shù)等方法解決[2]。

（5）然而隨著鉆孔越深、阻力越大，前方壓力過(guò)高，排渣困難造成后方壓力過(guò)大，定向鉆打不了了。經(jīng)過(guò)反復(fù)分析驗(yàn)證，采用復(fù)合為主定向糾偏鉆進(jìn)的方法。復(fù)合鉆進(jìn)就是“定向鉆進(jìn)加回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)”，通過(guò)這種操作可以讓孔壁更加平滑、孔徑擴(kuò)大。這樣在鉆進(jìn)過(guò)程中就可以減少阻力，排渣也順利得多。“尤其是過(guò)斷層的時(shí)候，巖性復(fù)雜，巖石破壞嚴(yán)重，施工難度非常大。從鉆孔設(shè)計(jì)上，減少鉆孔彎曲強(qiáng)度，施工工藝上，針對(duì)定向鉆進(jìn)孔段，進(jìn)行復(fù)合回轉(zhuǎn)劃眼，施工過(guò)程中，加強(qiáng)孔內(nèi)排渣，降低摩擦阻力。

4 定向探放水鉆孔工藝技術(shù)

（1）鉆孔軌跡的糾偏是采用連續(xù)調(diào)整工具面向角進(jìn)行控制的，鉆孔平面軌跡根據(jù)左右軌跡偏差的技術(shù)要求通過(guò)工具面向角的調(diào)整從而改變鉆孔軌跡各點(diǎn)的方位角，逐漸增加或逐漸減小，即每3米方位角的變化值不得超過(guò)1度。每?jī)蓚€(gè)相鄰3米的測(cè)量點(diǎn)之間的方位角變化數(shù)值最值顯示中，數(shù)值為負(fù)（-）表示向左偏，數(shù)值為正（+）表示向右偏，0表示此點(diǎn)出左右軌跡在孔口的垂直線上，方位調(diào)整結(jié)果及左右軌跡。調(diào)整傾角是根據(jù)頂?shù)装宓淖邉?shì)，調(diào)整時(shí)遵循每3米變化0.8度的原則。根據(jù)頂?shù)装遄邉?shì)和軌跡的上下偏差，上下偏差數(shù)值為正（+）表示相對(duì)孔口位置偏上，數(shù)值為負(fù)（-）表示相對(duì)線走勢(shì)。見(jiàn)鉆孔平面軌跡圖（圖1）和剖面軌跡圖（圖2）

（2）鉆具組合：①開(kāi)孔:中96mm鉆頭+73mm鉆桿+中73mm水尾②擴(kuò)孔:153mm鉆頭+73mm鉆桿+73mm水辯③鉆進(jìn):96mm鉆頭+73m螺桿馬達(dá)+中76mm下無(wú)磁鉆桿+76mm發(fā)射天線+中76mm上無(wú)磁鉆桿+中73mm鉆桿+73mm水辯

（3）孔口裝置：孔口防噴裝置（包括高壓閘閥），自鉆孔孔口向外依次為高壓閘閥、楔形控水裝置?？卓谘b置要同鉆孔鉆套管的法蘭盤(pán)連接在一起，并且易于拆開(kāi)，鉆孔兩側(cè)必須施工防噴錨桿，并用20T的錨鏈將高壓閘閥與防噴錨桿進(jìn)行固定，并繃緊，防止鉆孔內(nèi)高壓水突然涌出頂出套管及孔口防噴裝置。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)。在鉆進(jìn)過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)鉆孔中水壓、水量突然增大時(shí)，應(yīng)通過(guò)閥門(mén)加以控制（具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3）

（4）固孔要求：①孔口管的固定：首先采用φ96mm鉆頭施工，φ153mm鉆頭擴(kuò)孔，下入φ127mm承壓套管，進(jìn)行注漿養(yǎng)護(hù)，（注漿材料選用不低于PC32.5的復(fù)合硅酸鹽水泥，漿液水灰比控制在0.6-0.7之間。注漿時(shí)采用分檔式注漿，先稀后濃，由快到慢，注漿過(guò)程中應(yīng)堅(jiān)持“小流量，長(zhǎng)時(shí)間”的原則，使孔內(nèi)壓力逐漸上升，注漿終壓達(dá)到設(shè)計(jì)，然后間隔10分鐘左右進(jìn)行間歇式注漿，間歇注漿3次，確保鉆孔注漿效果。以便漿能夠更多的滲入裂隙，保證封孔質(zhì)量。注漿完成后要對(duì)注漿泵進(jìn)行清洗。待水泥凝固后（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，注漿養(yǎng)護(hù)使用的水泥不低于PC32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，根據(jù)該水泥技術(shù)參數(shù)，水泥終凝時(shí)間需不小于48小時(shí)，掃孔深度過(guò)套管0.5m-1m，進(jìn)行套管清水耐壓試驗(yàn)，承壓套管清水耐壓試驗(yàn)合格后，孔口安裝高壓閘閥、防噴裝置，方可鉆進(jìn)[3]。②固孔凝固結(jié)束后對(duì)套管必須進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，套管清水耐壓試驗(yàn)（取靜水壓力的1.5倍），穩(wěn)定30分鐘，以孔口周?chē)宦┧?，孔口管牢固不松?dòng)、不漏水為合格，方可鉆進(jìn)，否則，必須重新注漿固定。

（5）定向探放水鉆孔施工技術(shù)要求：①?lài)?yán)格按照設(shè)計(jì)方位和傾角開(kāi)孔，開(kāi)孔高度允許偏差±50mm，角度允許偏差±1度，方位角允許偏差±1度。②定向鉆機(jī)作業(yè)時(shí)保證每3米取一次鉆孔參數(shù)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)鉆孔偏離時(shí)及時(shí)調(diào)整彎頭進(jìn)行調(diào)向，鉆孔的實(shí)際軌跡與設(shè)計(jì)軌跡左右偏差控制在±2m以內(nèi)，上下偏差控制在±1m以內(nèi)，孔內(nèi)若遇軟巖垮孔可根據(jù)情況作調(diào)整，確保其鉆孔在目標(biāo)層位中鉆進(jìn)。③鉆孔施工記錄：鉆進(jìn)過(guò)程中，施工記錄本由專(zhuān)人負(fù)責(zé)記錄，要密切觀察并詳細(xì)記錄孔內(nèi)情況，對(duì)煤層、探查目的層、斷層、出水點(diǎn)等要詳細(xì)記錄起止位置、層厚、水量、巖性等[4]；凡鉆孔施工過(guò)程中出現(xiàn)煤巖性變化及噴孔都必須及時(shí)掐尺，進(jìn)行孔深校核，并在鉆孔施工記錄本上如實(shí)填寫(xiě)；對(duì)鉆孔發(fā)生卡鉆、掉塊、斷鉆桿、出水、噴瓦斯等異常情況要詳細(xì)記錄（深度、程度、方式等），及時(shí)匯報(bào)，必要時(shí)停鉆采取措施。④，鉆孔內(nèi)出水量每次增大，都要準(zhǔn)確記錄出水深度、水量、水溫等，并匯報(bào)地測(cè)科及礦調(diào)度；鉆進(jìn)過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)巖石松軟、片幫、來(lái)壓或鉆孔內(nèi)的水壓、水量突然增大以及有頂鉆等突水征兆時(shí)，必須停止鉆進(jìn)，但不得拔出鉆桿，立即撤出所有受水害威脅地區(qū)的人員，并及時(shí)向礦調(diào)度室匯報(bào)，采取措施進(jìn)行處理。⑤鉆進(jìn)中發(fā)現(xiàn)有害氣體噴出時(shí)，應(yīng)立即停止鉆進(jìn)、切斷電源，將人員撤到有新鮮風(fēng)流的地點(diǎn)，立即報(bào)告礦調(diào)度室，采取措施。⑥為防止鉆孔施工過(guò)程中孔內(nèi)水壓過(guò)大時(shí)，防止鉆孔內(nèi)高壓水突然涌出頂出套管及孔口防噴裝置，鉆孔兩側(cè)必須施工防噴錨桿，并用20T的錨鏈將高壓閘閥與防噴錨桿進(jìn)行固定并繃緊。⑦礦井水具有很強(qiáng)的腐蝕性，定向鉆進(jìn)過(guò)程中為了防止鉆桿被腐蝕生銹必須對(duì)鉆具進(jìn)行嚴(yán)格的維護(hù)保養(yǎng)。每個(gè)孔終孔提完鉆后及時(shí)將絲扣油涂抹在鉆具絲扣上。

5 結(jié)語(yǔ)

采用井下定向探放水定向鉆機(jī)在新集集團(tuán)進(jìn)行水害治理，較常普通機(jī)具有很大優(yōu)勢(shì)，采用定向鉆進(jìn)技術(shù)施工長(zhǎng)距鉆孔可有效的減少投入、降低安全風(fēng)險(xiǎn)，定向鉆機(jī)和定向工藝技術(shù)，可縮減大量鉆孔工程量、延長(zhǎng)了疏放水時(shí)間、增加了在含水層中的穿行距離、提高疏水效果，使用定向鉆機(jī)進(jìn)行水害治理可以高效地超前探放水，其意義重大和深遠(yuǎn)，一方面該工藝技術(shù)將為響應(yīng)國(guó)家對(duì)煤礦提出的“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)有疑必探、先探后掘、先治后采治理方針提供有效的治理手段，一方面可以從根本上治理和消除威脅新集集團(tuán)安全生產(chǎn)的水害，在新集集團(tuán)具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。