解國強(qiáng)
(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司地測公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)
定向鉆進(jìn)技術(shù)主要是螺桿鉆具與隨鉆測量系統(tǒng)(MWD技術(shù))配合使用,通過實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆頭空間姿態(tài),精確控制鉆孔軌跡,通過調(diào)整螺桿馬達(dá)(造斜工具)的工具面向角或彎頭朝向,可實(shí)現(xiàn)鉆孔彎曲變化,實(shí)現(xiàn)一個(gè)主孔,多分支孔的鉆進(jìn)工藝;通過實(shí)時(shí)監(jiān)控可隨時(shí)調(diào)整鉆孔軌跡,提高目標(biāo)精度;通過不斷升級(jí)改造鉆探設(shè)備,可以不斷增加鉆進(jìn)有效距離長度、提高鉆進(jìn)效率等。
定向鉆進(jìn)有效距離長,行進(jìn)軌跡可以控制,可以多開分支孔,2018—2021年在錦界煤礦四盤區(qū)工作面31409~31412切眼處探放水工程的應(yīng)用,目的是探放工作面切眼處煤層中的裂隙水,消除工作面接續(xù)巷掘進(jìn)期間水害隱患,截留側(cè)向補(bǔ)給水源,需施工水平探放水鉆孔,鉆孔深度一般大于切眼的長度,約350 m。
四盤區(qū)布置的工作面3-1號(hào)煤層由南向北、由西向東有尖滅趨勢,煤層厚度變化大,存在無煤區(qū),煤厚0.3~3.38 m,平均2.97 m,3-1號(hào)煤層是錦界煤礦主采煤層之一,也是煤礦現(xiàn)階段開采的唯一煤層,屬中厚煤層。且設(shè)計(jì)工作面切眼附近3-1號(hào)煤層上覆基巖薄,存在無正常基巖區(qū)域。礦方在掘進(jìn)31407回順109聯(lián)巷時(shí),發(fā)生漏頂,水量達(dá)到160 m3/h,主要原因是此處沒有正?;鶐r,巷道頂板的松散層含水層和風(fēng)化基巖含水層的水直接進(jìn)入巷道。四盤區(qū)設(shè)計(jì)工作面切眼處沙層厚5.6~23.2 m,土層厚25.14~81.41 m,風(fēng)化基巖厚3.6~12.59 m,3-1號(hào)煤層正常基巖厚0~12.32 m??傮w上,切眼處松散層厚,上覆基巖薄,上覆正常基巖厚度一般小于5 m,且3-1號(hào)煤層正常基巖厚度一般小于風(fēng)化基巖。 常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝受鉆頭自重及施工距離影響,無法保證鉆頭一直在煤層中行進(jìn),難以對(duì)煤層裂隙水進(jìn)行有效疏放,因此,施工采用定向鉆進(jìn)工藝。施工鉆機(jī)型號(hào)ZDY6000LD、ZDY12000LD。
鉆孔設(shè)計(jì):31409工作面切眼處施工探放水鉆孔,鉆孔布置在31409回順76聯(lián)巷處,從距離底板約1.5 m的煤幫上開孔,垂直向31409工作面內(nèi)施工,鉆孔設(shè)計(jì)軌跡在煤層中,煤層的底板標(biāo)高約1 160 m,頂板標(biāo)高1 163 m。設(shè)計(jì)F1探孔深度均為650 m,方位角180.5°,仰角2°,施工前進(jìn)行封孔,封孔管長度不小于5 m,每100 m開一個(gè)支孔,100~300 m向施工方向左側(cè)開支孔,施工至400 m位置時(shí)向左右2個(gè)方向開支孔,每個(gè)支孔施工50 m。先打主孔,后退式開分支。
施工工藝:施工中用φ153 mm孔徑擴(kuò)孔至孔深6 m,下φ133 mm的護(hù)管6 m,護(hù)管和孔壁之間用封孔液和麻封閉,孔口安裝閘閥,然后用φ96 mm孔徑施工至終孔。F1孔在煤層中施工至孔深342 m時(shí)見巖,353 m處鉆頭向前推進(jìn)壓力變小,推進(jìn)了6 m,軌跡標(biāo)高1 163.51 m。同時(shí)孔口出水量由4 m3/h增加到15 m3/h,判斷可能遇到了較大的含水裂隙,為了施工的安全,決定終孔。在煤幫上重新開孔F2號(hào)孔,F(xiàn)2孔在煤層中施工至孔深305 m時(shí)見灰色泥巖,軌跡標(biāo)高1 162 m,判斷遇到了3-1號(hào)煤層頂板,軌跡向下做了調(diào)整,鉆至孔深342 m處還是灰色泥巖,孔口出水量4 m3/h。判斷此處煤層變薄,因?yàn)檐壽E距離3-1號(hào)煤層可采邊界線較近。在主孔的312 m處開1號(hào)分支,軌跡逐步向下向左找煤,遠(yuǎn)離3-1號(hào)煤層可采邊界線,軌跡在灰白色砂巖里行進(jìn),24 m時(shí)見灰黃色砂巖,42 m處仍為灰黃色砂巖,同時(shí)孔口出水量由7 m3/h增加到13 m3/h,判斷軌跡在3-1號(hào)煤層頂板的風(fēng)化砂巖含水層里面,標(biāo)高1 161 m,判斷此處煤層變薄,改變軌跡找煤比較困難,決定終孔。在主孔的258 m處煤層中開2號(hào)分支,軌跡逐步向下向左,遠(yuǎn)離1號(hào)分支。軌跡行進(jìn)10 m見巖,軌跡開始向下行進(jìn)30 m然后慢慢挑起,行進(jìn)至42 m見煤,68 m見巖,軌跡標(biāo)高逐步升高,軌跡至132 m沒有找到煤,出水量15 m3/h,終孔。在2號(hào)分支的306 m處煤層中開3號(hào)分支,軌跡逐步向下向左,遠(yuǎn)離2號(hào)分支。軌跡行進(jìn)了16 m見巖石,標(biāo)高1 163 m,軌跡一直在巖石中行進(jìn),42 m處鉆頭向前推進(jìn)壓力變小,推進(jìn)了5 m,標(biāo)高1 163.70 m。判斷可能遇到了較大的裂隙,為了施工的安全性,決定終孔,孔口出水量15 m3/h。為了更好地達(dá)到煤層探放水的目的,決定回撤到主孔的192 m和108 m時(shí)分別開分支4號(hào)和5號(hào)。4號(hào)分支行進(jìn)了17 m見巖石,調(diào)整軌跡,標(biāo)高逐步升高,56 m處見煤層,行進(jìn)到120 m見灰黃色砂巖,判斷進(jìn)到煤層頂板,132 m終孔;5號(hào)分支煤層中行進(jìn)了107 m見灰黃色砂巖,120 m終孔,孔口出水量10 m3/h。鉆孔施工軌跡如圖1所示。
圖1 錦界煤礦31409切眼處施工探放水鉆孔成果Fig.1 Drilling holes for water detection and water release at the 31409 incision in Jinjie Coal Mine
應(yīng)用效果:達(dá)到疏放煤層中裂隙水的目的,此處煤層厚度變化情況基本探明,保證了31409工作面切眼處巷道的安全施工,為切眼布置提供地質(zhì)依據(jù)。
鉆孔設(shè)計(jì):本次施工鉆孔主要對(duì)31410切眼外側(cè)煤層、上覆基巖實(shí)施超前探放水,煤層的底板標(biāo)高約1 160 m,底板標(biāo)高1 164 m。鉆孔設(shè)計(jì)主孔1個(gè),分支孔7個(gè),鉆孔首先施工主孔,按照設(shè)計(jì)在主孔預(yù)留分支點(diǎn),主孔施工至426 m終孔,隨后后退式施工分支孔。
施工工藝:鉆孔在煤層中施工至孔深265 m時(shí)見巖,灰色砂質(zhì)泥巖,軌跡標(biāo)高1 164.68 m,施工至345 m處準(zhǔn)備撤出開分支。鉆具起拔拉力達(dá)到設(shè)備規(guī)定上限,不動(dòng),然后采取旋轉(zhuǎn)鉆具、開泵沖孔等措施,拔出鉆具147 m,發(fā)現(xiàn)鉆具折斷。鉆孔出水達(dá)到80 m3/h。
事故處理:①用鉆孔窺視儀器探測魚頭,儀器在孔內(nèi)120 m左右受阻,觀測孔內(nèi)全部為灰白色泥巖,儀器攝像頭被泥砂遮擋,無法繼續(xù)。②采用常規(guī)φ73 mm鉆桿捅孔、洗孔,下鉆具153.75 m受阻,未碰見魚頭。③采用常規(guī)通纜φ73 mm鉆桿定向洗孔,下鉆具148.55 m受阻,未碰見魚頭。④常規(guī)φ73 mm鉆桿帶絲錐探測魚頭,下鉆具帶絲錐至148.89 mm受阻,未碰見魚頭。⑤采用常規(guī)通纜φ127 mm套洗鉆具,擴(kuò)孔套取,擴(kuò)孔套取鉆進(jìn)169.36 m,未套住魚頭,撤鉆后發(fā)現(xiàn)取到煤芯,返出大量塊狀泥巖,經(jīng)研判,套取過程鉆具發(fā)生偏斜。這次事故損失了無磁鉆桿1根、測量探管1根、螺桿馬達(dá)1根、鉆頭、140 m通纜鉆桿。
事故原因:鉆孔頂?shù)装鍘r性均為泥巖、砂質(zhì)泥巖,施工中鉆孔出水量逐漸增大,鉆桿在泥巖段中,因泥巖遇水軟化,垮落、縮徑,造成卡鉆。
處理措施:重新設(shè)計(jì)31410工作面切眼處探放水鉆孔軌跡,吸取事故教訓(xùn),只施工主孔,不開分支,遇到巖石就撤出,軌跡嚴(yán)格在設(shè)計(jì)的煤層頂?shù)装逯g行進(jìn),施工中因煤層底板起伏較小,煤層厚度變化也較小,順利完成4個(gè)鉆孔,每個(gè)鉆孔孔深300 m左右,達(dá)到設(shè)計(jì)目的。31411工作面切眼處施工探放水鉆孔采取同樣的軌跡設(shè)計(jì),鉆孔施工軌跡如圖2所示。
圖2 錦界煤礦31410切眼處施工探放水鉆孔Fig.2 Drilling hole for water detection and water release at 31410 incision in Jinjie Coal Mine
鉆孔設(shè)計(jì):本次施工鉆孔主要對(duì)31412切眼外側(cè)煤層、上覆基巖實(shí)施超前探放水,煤層的底板標(biāo)高約1 155 m,底板標(biāo)高1 161 m。鉆孔設(shè)計(jì)主孔1個(gè),分支孔3個(gè),鉆孔首先施工主孔,按照設(shè)計(jì)在主孔預(yù)留分支點(diǎn),主孔施工至713 m終孔,隨后后退式施工分支孔。
施工工藝:施工鉆機(jī)型號(hào)為ZDY12000LD。先施工F1-3,施工至孔深271 m時(shí)進(jìn)入煤層頂板遇到破碎巖石撤出,在210 m處開分支,終孔深度為763 m,方位角191°,段長553 m。F1-2孔在主孔138 m處開分支,終孔深度為696 m,方位角167.60°,段長558 m。F1-1在主孔108 m處開分支,終孔深度為696 m,方位角157.90°,段長588 m。鉆孔出水達(dá)到116 m3/h。鉆孔施工軌跡如圖3所示。
圖3 錦界煤礦31412切眼處施工探放水鉆孔Fig.3 Drilling hole for water detection and water release at 31412 incision in Jinjie Coal Mine
應(yīng)用效果分析:施工區(qū)域煤層底板后半段逐步抬高,煤層厚度穩(wěn)定,根據(jù)區(qū)域煤層底板數(shù)據(jù),先畫出底板等高線,鉆孔軌跡根據(jù)底板等高線的趨勢設(shè)計(jì),施工順利,軌跡基本在煤層中行進(jìn),達(dá)到疏放煤層中裂隙水的目的。這次探放水工程孔段長,2個(gè)采掘計(jì)劃工作面的切眼處的煤層裂隙水都能提前疏放,效率高,效果好。
地面實(shí)施鉆探探查斷層產(chǎn)狀,因穿過復(fù)雜地層或采空區(qū)造成費(fèi)用高、工程量大、效率較低。一旦井下具備定向鉆實(shí)施條件會(huì)明顯提高探查效率,工程費(fèi)用相對(duì)減少。采用定向鉆進(jìn)工藝,在井下施工長距離、一個(gè)主孔多分支定向鉆孔,采用前進(jìn)式探測頂板、后退式探測底板或兩者結(jié)合的形式,可實(shí)現(xiàn)對(duì)斷層延展、落差及斷盤兩側(cè)煤層起伏變化的探測,大大提高鉆進(jìn)效率,為安全生產(chǎn)提供地質(zhì)依據(jù)。
石圪臺(tái)煤礦31306工作面4 443 m×265 m(長×寬),回采3-1號(hào)煤層,煤層結(jié)構(gòu)簡單,厚度約3.4 m。在回采至距切眼 207 m時(shí)揭露2個(gè)正斷層,走向基本和切眼垂直,斷層間距約50 m,形成地塹,斷層中間割的是巖石,斷層落差2~5 m。為查明斷層展布情況,為生產(chǎn)提供地質(zhì)依據(jù),決定實(shí)施井下鉆探進(jìn)行探查。
根據(jù)斷層的特點(diǎn),設(shè)計(jì)在31305輔運(yùn)72聯(lián)巷開孔(距切眼704 m),垂直工作面,在煤層中向前施工(煤層底板標(biāo)高1 150 m,頂板標(biāo)高1 154 m),遇到斷層上盤巖石則向下探測上盤煤層,探到煤層后撤回開分支向前探測,穿過地塹探測另一斷層的下盤煤層。實(shí)際施工過程中,根據(jù)鉆孔內(nèi)返出的巖屑判斷是煤層的頂板或者是煤層的底板,做出軌跡調(diào)整。主孔軌跡施工至36 m處遇到巖石,判斷是頂板,調(diào)整軌跡下探,97 m見煤,100 m見巖,在巖石中鉆進(jìn)至138 m判斷斷層不明確,撤回開分支1。分支1軌跡在主孔下部煤層中鉆進(jìn),114 m見巖,一直在巖石中鉆進(jìn)至156 m判斷斷層不明確撤回開分支2。分支2的軌跡在分支1的下部,93 m見巖石,判斷煤層底板,調(diào)整軌跡向上鉆進(jìn),103 m見煤,繼續(xù)向前鉆進(jìn),130 m見巖,191.5 m見煤,地塹基本探明。斷層上下盤煤層產(chǎn)狀發(fā)生變化,給煤巖判斷、軌跡調(diào)整帶來一定困難。推測72聯(lián)巷處地塹寬度61.5 m。走向由和切眼垂直變?yōu)橄?1305輔運(yùn)傾斜。1號(hào)鉆孔實(shí)測剖面如圖4所示。
圖4 1號(hào)鉆孔實(shí)測剖面Fig.4 Measured section of No.1 drilling hole
為了進(jìn)一步確定斷層在工作面內(nèi)的延展情況,決定在31305輔運(yùn)70聯(lián)巷再設(shè)計(jì)一個(gè)鉆孔(距切眼831 m),垂直工作面開孔。主孔在煤層中鉆進(jìn),軌跡向下120 m見巖,因斷層此處判斷不明確撤回開分支。分支1在主孔的上部向前探測,96 m見巖,120 m終孔,判斷煤層受斷層牽拉影響,向下傾斜至斷開,撤回開分支找另一斷層的下盤煤層。分支2在主孔的下部向前鉆進(jìn),在117 m見巖,在147 m見煤,180 m終孔,下盤探明。分支3向下探查上盤落差,鉆進(jìn)至112 m見巖,標(biāo)高1 145.60 m,133 m見煤,標(biāo)高1 144.50 m,鉆進(jìn)至143 m見巖石,標(biāo)高1 143.70 m,174 m終孔,上盤落差探查清楚。推測70聯(lián)巷處地塹寬度27 m,走向繼續(xù)向31305輔運(yùn)傾斜。因31305輔運(yùn)沒有揭露斷層,判斷該斷層在工作面內(nèi)尖滅,為煤礦生產(chǎn)提供了地質(zhì)依據(jù),實(shí)際回采中證明斷層尖滅的判斷。2號(hào)鉆孔實(shí)測剖面如圖5所示,探斷層鉆孔效果如圖6所示。
圖5 2號(hào)鉆孔實(shí)測剖面Fig.5 Measured section of No.2 drilling hole
圖6 探斷層工程效果Fig.6 Engineering effect of fault detection
通過這2次的斷層探測,達(dá)到探測的目的,為煤礦生產(chǎn)提供了地質(zhì)依據(jù)。探測過程中因隨著孔深的不斷增加,巖屑返出時(shí)間也在不斷增加,對(duì)軌跡的調(diào)整造成誤導(dǎo),設(shè)計(jì)的軌跡在實(shí)施過程中會(huì)有變化,實(shí)際軌跡會(huì)根據(jù)返出的煤、巖屑判斷做出軌跡調(diào)整,但最終達(dá)到設(shè)計(jì)目的。這次探斷層工程為以后實(shí)施探斷層、探?jīng)_刷等工程積累了經(jīng)驗(yàn)。
隨著煤礦逐步開拓延伸,回采工作面煤層頂板一方面存在堅(jiān)硬老頂,回采后頂板難垮落,造成懸頂面積大的安全隱患;另一方面上覆煤層回采后遺留的煤柱對(duì)下覆煤層回采時(shí)會(huì)造成應(yīng)力集中,礦壓顯現(xiàn)增強(qiáng),對(duì)工作面安全回采產(chǎn)生影響。
柳塔煤礦2-2號(hào)煤層一盤區(qū)22101工作面準(zhǔn)備回采,因工作面上部的1-2號(hào)煤層開采為房柱式開采,采煤工藝為“采5留6”(房寬5 m,煤柱6 m),2-2號(hào)煤層與1-2號(hào)煤層平均間距為25.4 m,22101工作面回采過程中,存在頂板垮落時(shí)礦壓增強(qiáng),可能造成壓架的嚴(yán)重問題。決定對(duì)2-2號(hào)煤層頂板實(shí)施水壓裂工程。
為確定上覆1-2號(hào)煤層回采后的底板擾動(dòng)破壞帶發(fā)育范圍,結(jié)合1-2號(hào)煤層遺留煤柱寬度及聯(lián)巷規(guī)格等,用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了驗(yàn)算,驗(yàn)算結(jié)果見表1。通過綜合分析,取1-2號(hào)煤層底板擾動(dòng)破壞帶深度為5.13 m,根據(jù)2層煤層間距平均25~28 m,再結(jié)合臨近工作面回采過程中在上覆遺留煤柱集中區(qū)域發(fā)生強(qiáng)礦壓現(xiàn)象,采取頂板定向長鉆孔分段壓裂弱化技術(shù),進(jìn)行卸壓弱化和應(yīng)力轉(zhuǎn)移及均布化,降低來壓強(qiáng)度,有效緩解強(qiáng)礦壓問題,為了保證弱化效果的有效性和針對(duì)性,結(jié)合臨近工作面巖性剖面變化,第1組鉆孔水平段位于2-2號(hào)煤層頂板以上12 m砂質(zhì)泥巖中;第2組鉆孔水平段位于2-2號(hào)煤層頂板以上11 m細(xì)粒砂巖中;第3組鉆孔水平段位于于2-2號(hào)煤層頂板以上12 m細(xì)粒砂巖中;第4組鉆孔水平段位于2-2號(hào)煤層頂板以上11 m砂質(zhì)泥巖中。布置4個(gè)鉆場12個(gè)鉆孔,鉆場分別布置于22101集中膠運(yùn)巷26聯(lián)巷、22101集中膠運(yùn)巷19聯(lián)巷、22101集中膠運(yùn)巷11聯(lián)巷和22101集中膠運(yùn)巷3聯(lián)巷處。單孔長度229~430 m,累計(jì)長度4 100 m,鉆孔采取平均布置法,鉆孔間距為58.75 m。
表1 底板破壞深度計(jì)算結(jié)果
鉆孔施工過程中在設(shè)備允許的情況下,軌跡曲率盡量取上限,以保證水平段足夠長,水壓裂的覆蓋面足夠廣。水力壓裂采用雙封單卡多點(diǎn)拖動(dòng)管柱分段水力壓裂工藝,以第1組1號(hào)鉆孔的壓裂段為例,分析壓裂施工效果。該孔壓裂過程中,形成平均5.18 MPa的壓降18次,壓力曲線呈現(xiàn)鋸齒狀變化,微裂縫發(fā)育良好,其中最大壓力19.2 MPa,最小壓力12.50 MPa,注水量平均36.5 m3,注水時(shí)間平均56 min,最大壓降6 MPa。第1組1號(hào)鉆孔實(shí)測剖面如圖7所示,4組鉆孔施工平面如圖8所示。
圖7 第1組1號(hào)鉆孔實(shí)測剖面Fig.7 The measured section of the No.1 drilling hole in the first group
圖8 4組鉆孔施工平面Fig.8 Four groups of drilling construction plane
通過定向鉆進(jìn)工藝施工長距離水力壓裂鉆孔,采用分段壓裂弱化技術(shù),降低來壓強(qiáng)度,有效緩解了強(qiáng)礦壓問題,達(dá)到了此次施工的目的,也為22102、22103工作面的頂板水預(yù)裂工程順利實(shí)施提供了經(jīng)驗(yàn)。另外22102工作面第2組的2號(hào)孔在鉆進(jìn)至419 m時(shí),無阻力的向前行進(jìn)了3 m,從剖面圖上看實(shí)鉆軌跡是沿著設(shè)計(jì)軌跡行進(jìn)的,但是根據(jù)跡象判斷是和上部的1-2號(hào)煤層采空區(qū)貫通了。改變測量系統(tǒng)重新對(duì)軌跡剖面進(jìn)行測量,發(fā)現(xiàn)軌跡50 m后就逐步向上行進(jìn),最終和采空區(qū)貫通,通過這次鉆孔的意外情況發(fā)現(xiàn)測量系統(tǒng)有出現(xiàn)大的誤差的情況,應(yīng)該定期對(duì)測量系統(tǒng)返廠檢測。
(1)定向鉆進(jìn)技術(shù)從引進(jìn)到目前廣泛應(yīng)用,在進(jìn)行探斷層、探?jīng)_刷、探放水、小窯邊界探測、頂板水壓裂等工程時(shí),該技術(shù)效果較好,能夠定點(diǎn)高精度探測,且探測距離較遠(yuǎn),相對(duì)傳統(tǒng)工藝具有較大的優(yōu)勢,有效解決了煤礦安全生產(chǎn)工作中的一些難題。
(2)實(shí)際施工中也存在一些問題,需要在以后工作中不斷改進(jìn)和完善。隨鉆測量系統(tǒng)參數(shù)依靠磁偏角設(shè)定,而磁偏角隨時(shí)在變化,對(duì)鉆探精度有一定影響,特別是在開分支較多,傾角、方位角變化頻繁時(shí),大深度長距離施工時(shí),對(duì)鉆探精度影響較大;操作人員操作水平能力、經(jīng)驗(yàn)不夠容易造成鉆孔軌跡起伏較大,達(dá)不到設(shè)計(jì)目的,造成無用進(jìn)尺增加;煤巖層界面判別只能靠人眼觀測返出煤巖的巖屑,推測見煤見巖深度,鉆孔較深時(shí),巖屑返出滯后,判定結(jié)果存在偏差,尤其對(duì)探放水工作進(jìn)入破碎或見水易膨脹巖石,可能會(huì)造成卡鉆等事故,帶來經(jīng)濟(jì)損失。
(3)通過鉆機(jī)裝備性能水平的不斷提升,定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)的不斷改進(jìn),定向鉆孔軌跡誤差控制技術(shù)的進(jìn)步,通過鉆測量系統(tǒng)與測井技術(shù)的結(jié)合,實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆進(jìn)過程中煤巖層界面等技術(shù)的發(fā)展,突破定向鉆進(jìn)技術(shù)存在的問題。