韓創(chuàng)業(yè),呂浩南,龍 巖

(1.河南能源集團新疆公司 榆樹嶺煤礦,新疆 庫車 842000;2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院,江蘇 徐州 221116)

水害作為煤礦的主要災害之一,嚴重威脅著井下作業(yè)人員的生命安全和生產(chǎn)系統(tǒng)的運行暢通[1]。其中,煤礦突水事故由于破壞性大、死亡率高、恢復周期長等特點,屬于煤礦生產(chǎn)的重點防范對象。

分析煤礦突水事故水源,發(fā)現(xiàn)80%以上較大事故的突水水源均為老空區(qū)積水[2]。且煤礦老空區(qū)積水分布集中且普遍,尤其是在資源整合、兼并重組后的礦井[3-4],更易發(fā)生老空水的透水事故。因此,預防煤礦突水事故的首要工作應為煤礦老空水治理。

井下老空區(qū)積水主要貯藏在礦井周邊的小煤窯內(nèi),以及礦井采空區(qū)內(nèi)或與采空區(qū)貫通的煤巖巷道內(nèi),貯藏位置相對較高,老空水的幾何形狀極不規(guī)則。所以采用鉆孔對老空區(qū)積水進行先探測、后疏放的方法是避免老空水害事故產(chǎn)生的合理有效措施[5-9]。但是目前在對老空區(qū)積水進行疏放常用的回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)施工工程量較大、鉆孔深度較小以及施工過程中鉆孔軌跡無法連續(xù)測量和實時控制并難以精確探放等技術(shù)難題[10-19]。故本文設(shè)計出一種長距離定向鉆孔穿多煤層群精確探放水的技術(shù)方法,通過采用當前先進的煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術(shù),與煤礦井下老空區(qū)積水探放進行結(jié)合,并對其關(guān)鍵技術(shù)進行延伸應用,通過定向長鉆孔精確中靶采空區(qū),實現(xiàn)老空區(qū)積水的精確探放。

1 長距離定向鉆孔穿多煤層群精確探放水技術(shù)方法原理

長距離定向鉆孔穿多煤層群精確探放水技術(shù)方法主要包括系統(tǒng)布置及以精確探放水工序為核心探放水工藝流程。

長距離定向鉆孔穿多煤層群精確探放水技術(shù)方法系統(tǒng)布置將鉆場開孔位置布置在井底車場水倉處;鉆機和泥漿泵車等設(shè)備無需搬家,實現(xiàn)高效探放水;探放水直接流入水倉泵出井下,精簡了排水系統(tǒng),減少放水時間;該方法超遠距離探放水,減小了對開采時的圍巖擾動,安全系數(shù)高;前期直接集中進行探放水管理,效率效果得到保障。

長距離定向鉆孔穿多煤層群精確探放水方法工藝流程是以井下定向鉆進工藝為基礎(chǔ),以精確探放水工序為核心構(gòu)成。其中,精確探放水工序是基于老空水綜合勘探水位、水量分布情況,依據(jù)水位標高依次設(shè)計低位扇形分支孔、高位扇形分支孔,并在探放過程中依據(jù)出水情況實時調(diào)整定向鉆孔終孔位置。在到達終孔后,鉆孔分為到達設(shè)計終點和透水兩種情況。若兩次終孔的情況相同,則繼續(xù)按一定間距打分支孔;若兩次終孔的情況不同,則可認定采空區(qū)邊界位于這兩次鉆孔軌跡中間;井下定向鉆進技術(shù)即采用水力排渣、隨鉆測量的一種鉆孔施工工藝。施工過程中隨鉆測量系統(tǒng)實時監(jiān)測孔底鉆具空間位姿參數(shù),施工人員通過對比設(shè)計參數(shù)和施工參數(shù),對孔底鉆具工具面向角進行調(diào)整并開始下一次定向鉆進,依此步驟循環(huán)施工直到實際鉆孔軌跡沿著設(shè)計軌跡鉆進到終孔。

定向鉆在穿多煤層群時,會不斷穿過各種粘性、硬度的地層,需要選取不同的泥漿液來配合鉆進。在穿越較堅硬的巖層時,破碎巖石所需能耗大、進尺慢、鉆頭磨損嚴重,選用潤滑減阻型泥漿,如聚丙烯酰胺泥漿和乳狀液泥;定向鉆穿過粘性較高的巖層時,粘性的巖土具有一定的自造漿能力,會增大泥漿的粘度,造成泥漿對定向鉆的阻力增大,吸水膨脹,縮孔等,這時要盡可能地降低泥漿的失水量并增強孔壁泥漿的抗水敏感性、抑制泥漿分散、控制泥漿的粘度和壓力;在穿越沙質(zhì)土層、泥頁巖時,要減小沙質(zhì)地層的摩擦阻力,降低鉆進擴孔扭矩和回拖力,實現(xiàn)潤滑鉆頭、鉆桿、延長鉆頭、鉆桿壽命的功能;在穿越結(jié)構(gòu)極其松散、骨架顆粒較大、自穩(wěn)能力差的巖層,可以通過提高泥漿粘度,增加井壁顆粒之間的膠結(jié)力,采用高分散度泥漿增加泥漿中的粘土含量,加入無機或有機增粘劑以及采用高粘化合物鉆進粉等手段實現(xiàn)。

2 長距離定向鉆孔穿多煤層群精確探放水系統(tǒng)構(gòu)成

長距離定向鉆孔穿多煤層群精確探放水系統(tǒng)由鉆機系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、電路系統(tǒng)、隨鉆測量系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、沖洗液循環(huán)凈化系統(tǒng)、鉆具及輔助機具和智能輔助系統(tǒng)組成。其中主要由鉆機系統(tǒng)、隨鉆測量系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、鉆具及輔助機具系統(tǒng)與智能輔助系統(tǒng)相互配合,實現(xiàn)對老空區(qū)積水的長距離、穿多煤層群的精準探放。

1) 鉆機系統(tǒng)。鉆機系統(tǒng)由定向鉆進作業(yè)與回拖作業(yè)的主體、鉆機主機、轉(zhuǎn)盤等部分構(gòu)成,在鉆機架上安置鉆機主機,用以實現(xiàn)鉆進作業(yè)和回拖作業(yè),從而在不同環(huán)境下進行作業(yè)。

2) 隨鉆測量系統(tǒng)。隨鉆測量系統(tǒng)是指通過傳感器實時監(jiān)測孔底鉆具空間位姿參數(shù)并反饋給計算機控制程序,控制程序通過傳遞控制信號的方式引導鉆頭能夠按照設(shè)計曲線鉆進的方向性工具。

3) 泥漿系統(tǒng)。泥漿系統(tǒng)為井下鉆機系統(tǒng)在不同鉆進工況環(huán)境下提供了不同濃度的泥漿,由泥漿混合攪拌罐、泥漿泵與泥漿輸送管路組成。

4) 鉆具及輔助機具。鉆具及輔助機具指鉆機定向鉆進過程中使用的各種機具。鉆具包括柔性鉆桿、鉆頭、泥漿輸送馬達、鉆孔擴充器,截割刀片等。輔助機具包括卡環(huán)、可活動旋轉(zhuǎn)的部件接頭和不同孔徑的拖拉頭。鉆桿實拍圖見圖1.

圖1 柔性鉆桿實拍圖

5) 智能輔助系統(tǒng)。智能輔助系統(tǒng)是指根據(jù)井下實際工況參數(shù)智能設(shè)計出合理鉆進路徑的系統(tǒng),當輸入井下管道線路打孔位置、鉆進過程中障礙物位置、柔性鉆桿的種類、定向鉆進的深度、初孔與終孔位置、管路最大允許彎曲半徑等參數(shù)后,智能輔助系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)解算反演出最理想的路徑,在實際工程中可以根據(jù)實際情況調(diào)整。

3 長距離定向鉆孔穿多煤層群精確探放水關(guān)鍵裝備

長距離定向鉆孔穿多煤層群精確探放水配套裝備由定向鉆機、泥漿泵、隨鉆測量系統(tǒng)、各種鉆具等組成,其系統(tǒng)連接見圖2.泥漿泵提供高壓水通過送水器中心通纜鉆桿進入孔底馬達內(nèi)驅(qū)動馬達旋轉(zhuǎn),由此帶動鉆頭轉(zhuǎn)動,切割煤巖層。鉆進過程中整個鉆桿柱不旋轉(zhuǎn),僅孔底馬達帶動鉆頭回轉(zhuǎn)碎巖鉆進,通過改變工具面向角的方向控制鉆孔軌跡。在系統(tǒng)中,隨鉆測量探管可以將鉆孔的傾角、方位角和工具面向角實時地傳送到孔口計算機內(nèi),并對其進行處理,生成實鉆孔實際的鉆進軌跡。根據(jù)實際鉆進路線與設(shè)計鉆進路線的偏差情況,通過調(diào)整孔底造斜工具的方位角,來調(diào)整鉆進路線,保證鉆進路線符合設(shè)計路線。

圖2 隨鉆測量定向鉆進系統(tǒng)連接示意

1) 定向鉆機。定向鉆機由主機、泵站、操作臺、防爆計算機、流量計、履帶底盤、穩(wěn)固裝置組成(見圖3)。

圖3 履帶式鉆機實拍示意

2) 泥漿泵車。泥漿泵(車)是礦井鉆探中的重要設(shè)備,其作用是將高壓泥漿輸送到井眼,以驅(qū)動螺旋鉆具,冷卻鉆頭,排渣,傳遞泥漿脈沖信號。

3) 隨鉆測量系統(tǒng)。隨鉆測量系統(tǒng)的應用范圍主要是在煤礦井下近水平定向鉆孔施工過程中進行的隨鉆監(jiān)測,它可以隨鉆測量鉆孔傾角、方位角及工具面向角等參數(shù),并實現(xiàn)鉆孔參數(shù)、鉆孔軌跡的實時顯現(xiàn),從而讓施工人員實時掌握鉆孔的施工狀況,并可以及時地對螺桿鉆矩工具面向角和工藝參數(shù)進行調(diào)整,從而實現(xiàn)鉆孔軌跡符合設(shè)計軌跡。隨鉆測量系統(tǒng)按其信號的傳遞方式有線式和無線式兩類。

4) 鉆具。長距離定向鉆孔穿多煤層群精確探放水鉆具包括無線隨鉆測量鉆桿、無磁鉆桿、PDC鉆頭與螺桿鉆具。

4 長距離定向鉆孔穿多煤層群精確探放水關(guān)鍵參數(shù)確定原則

1) 具備定向鉆施工的條件:①煤層條件礦井定向鉆技術(shù)適合于相對完整的、普氏系數(shù)大于1的煤層,并可避開煤層破裂帶和陷落柱區(qū)的區(qū)域。②巖層條件礦井定向鉆技術(shù)適合于普氏系數(shù)不大于6的煤層,在裂縫發(fā)育的區(qū)域,以及碳質(zhì)泥巖和鋁質(zhì)泥巖的溶脹性地層中,應盡量避免打孔。

2) 關(guān)鍵參數(shù)確定原則。鉆孔軸線軌跡是一條空間曲線,它由數(shù)不清的測點構(gòu)成,在每個測點上體現(xiàn)出3個參數(shù),分別是鉆孔深度、方位角和傾角。①鉆孔深度在進行鉆孔軌道的設(shè)計時,將鉆孔的測點深度作為設(shè)計參數(shù),在進行鉆孔軌道的設(shè)計時,可以根據(jù)煤層工作面的長度、設(shè)備的鉆進能力以及工作面的條件來決定鉆孔的深度。②鉆孔方位角在選擇鉆孔方位值時,應注意:鉆孔軌道應能完全覆蓋工作面,并盡可能避免瓦斯抽采盲區(qū);對鉆孔的合理間隔進行控制;在鉆孔方向上,應符合鉆場中的鉆孔布局,防止鉆孔相互穿孔;在鉆進結(jié)束時,鉆孔終孔方向應符合朝向造斜曲率。③鉆孔傾角當鉆孔軌跡走向與煤層傾向一致的時候,鉆孔傾角的變化就是煤層傾角的變化。當鉆孔軌跡走向與煤層傾向有夾角的時候(方位差),鉆孔傾角的變化就是煤層傾角在鉆孔軌跡方位上視傾角的變化。

因此,需要將煤層的真傾角轉(zhuǎn)化為鉆孔方位上的視傾角,進而確定定向鉆孔的傾角、控制點坐標等數(shù)據(jù)。鉆孔真傾角和視傾角的關(guān)系見圖4,計算公式見式(1):

圖4 真傾角和視傾角關(guān)系示意

tanβ=cosω×tanα

(1)

式中:α為真傾角,°;β為視傾角,°;ω為真傾角與視傾角間的夾角,°.

5 長距離定向鉆孔穿多煤層群精確探放水工藝流程及施工工藝

1) 工藝流程。采空區(qū)長距離定向探放水施工利用定向鉆機鉆孔施工,確保鉆孔盡可能平穩(wěn)地穿過穩(wěn)固的巖層,充分發(fā)揮軌跡控制的優(yōu)勢,精準命中“靶點”,在疏放老空區(qū)積水過程中,由高到低逐級遞減降低采空區(qū)積水水位,并通過分支孔技術(shù)預留分支點,以確保每一次探放的成功率。在施工的時候,要保證鉆進的速度在合理的范圍內(nèi),施工人員要仔細觀察并記錄下返水量和鉆進速度的變化。在距離終孔10 m時,每間隔1 m停鉆觀測孔內(nèi)返水情況,觀測發(fā)現(xiàn)沒有異常后繼續(xù)鉆進,直至透孔。采空區(qū)長距離定向探放水施工工藝主要包括主孔成孔工藝和分支孔成孔工藝兩種,其工藝流程見圖5.

圖5 長距離定向鉆孔穿多煤層群精確探放水工藝流程圖

具體工藝流程為首先進行參數(shù)設(shè)計,如圖5藍色部分,具體包括根據(jù)水倉位置、物探的積水區(qū)位置及起點和終點間地層的巖性,確定鉆孔起點、高位主孔終點及低位主孔終點,設(shè)計出鉆孔軌跡(包括鉆孔深度、每個點傾角及方位角)。

然后進行鉆孔施工,如圖5紫色部分,具體包括開孔(穩(wěn)固鉆機、回鉆開孔、封孔注漿、打壓漏水試驗)及孔口裝置安裝(安裝螺桿鉆具)、定向探放水鉆進(隨鉆測量及調(diào)整)、透孔等工藝。

最后進行參數(shù)分析,如圖5綠色部分,情況1為到達設(shè)計的終點,情況2為在到達設(shè)計的終點前透水,若第i號與第i-1號鉆孔情況相同,則可由這兩次鉆孔軌跡精確得出積水區(qū)邊界。

2) 施工工藝。長距離定向鉆孔施工工藝主要包括鉆孔開孔、孔口設(shè)備安裝、定向探放水鉆進、透孔及排水、主孔成孔工藝及分支孔成孔工藝等。①開孔及孔口裝置安裝。根據(jù)鉆孔起點與終點位置合理設(shè)計鉆孔深度、傾角、方位角,依據(jù)設(shè)計的方位、傾角,在水倉處采用鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進,將孔內(nèi)沖洗干凈,然后下入孔口管,距孔口15 cm處安裝壓力表,用以觀察壓力變化及方便孔口裝置安裝。用注漿泵打入水漿,侯凝24 h.為確保封孔質(zhì)量,侯凝結(jié)束后按規(guī)定進行耐壓試驗,根據(jù)壓力預測值設(shè)定耐壓值,試驗壓力不低于2 MPa,延續(xù)時間均不少于30 min,如出現(xiàn)漏水情況則需重新開封孔。②定向探放水鉆進。一般每6 m測量并調(diào)整1次鉆孔軌跡,以使鉆孔盡可能沿設(shè)計軌跡延伸。鉆進過程中,實時監(jiān)測孔口返水情況,如水量有變化,停鉆測量并記錄地層出水量;當水量過大威脅施工安全時,及時排放水量,嚴重時可充填泥漿堵孔,確保安全后繼續(xù)施;依據(jù)鉆孔出水情況和設(shè)計孔深確定終孔位置和鉆孔措施。③透孔及排水。透孔前,按前期探測資料,精確預測涌水量,依據(jù)探測資料與水文環(huán)境采取相應的排水手段,透孔后不立即提出鉆具,細觀察涌水量,待涌水量趨于穩(wěn)定后再取出鉆具;當涌水量出現(xiàn)急劇增加的情況時,應該立即停止作業(yè)并對異常問題進行處理。順利完成透孔后,通過控水閥門和井下排水系統(tǒng)對老空水進行疏放,每小時最大排水量應小于井下正常排水能力的80%.④主孔成孔工藝。在造斜鉆中,或在常規(guī)方位鉆中,選擇適當外徑的井底式電機,調(diào)整井底式電機的朝向角度,可獲得不同的造斜效果。在采用隨鉆測量儀器時,為了防止磁場的影響,將下無磁鉆桿、測量儀器、上無磁鉆桿分別與孔底電機相連。在鉆井時,根據(jù)鉆孔軌跡與設(shè)計軌跡的偏斜狀況,對工具面向角進行調(diào)整。⑤分支孔成孔工藝。在煤礦井下,經(jīng)常會用到懸空側(cè)鉆的方法。懸空側(cè)鉆指的是將帶有工具面向角的孔底馬達構(gòu)成的導向鉆具,下到預開分支點之上大約3 m的位置,按需要調(diào)節(jié)工具面向角,以滑動的方式慢慢地鉆進,直至開出新的分支孔。在開分支孔鉆進過程中,應遵循以下原則:要遵循輕壓、緩慢進入的原則,嚴禁在鉆進過程中提拉鉆具;實時監(jiān)測泥漿泵壓力變化情況,當泥漿泵壓力開始變大時,代表開分支孔成功,然后繼續(xù)鉆進2～3 m后,立刻對工具面向角進行調(diào)節(jié),使鉆孔軌跡按照設(shè)計軌跡延伸;注意觀察孔口返水情況,沿煤層鉆進開分支時,如果孔口返渣中煤顆粒逐漸增多,返水顏色逐漸變深,代表開分支成功;注意對比隨鉆測量儀器采集的測斜數(shù)據(jù),如發(fā)現(xiàn)相同深度的測斜數(shù)據(jù)不同,代表開分支成功。

6 工程應用

1) 工程概況。榆樹嶺礦井東翼下5煤層老空區(qū)位于井田東部斯提克厄肯溝西岸,為已關(guān)閉的東風煤礦開采所留,歷史遺留資料顯示+1 600 m水平以上的下5煤層均已采空,煤層平均厚度9.17 m,采煤方法為房柱式,采空區(qū)面積約7 990 m2.基于老空區(qū)開展的專項水文地質(zhì)補勘和評價工作成果,探明老采空區(qū)積水區(qū)面積為7.2萬m2,積水量1.23×105m3.

2) 鉆孔施工方案?；?號舊鉆孔的探放數(shù)據(jù),結(jié)合探放水鉆場標高,結(jié)合榆樹林煤礦礦井東翼下5煤層老空積水區(qū)水壓、涌水量、積水區(qū)標高等綜合勘查老空水分布情況進行下一步,針對老空區(qū)水位低位和水位高位區(qū)域設(shè)計了定向探放水主孔,配合設(shè)計扇形布置的分支孔,探放水鉆孔布置在巷道頂板巖層中,分為主孔和分支孔,鉆孔開孔位置為+1 550 m水倉口處,終孔位于東翼下5煤層老空區(qū)內(nèi),順利施工放水5個鉆孔,其中2個主孔,3個分支孔,進尺合計2 697 m.

選用ZDY6000LD(B)履帶式定向鉆機進行老空水精確探放,選用BLY260泥漿泵車配合為定向鉆進孔底碎巖提供主要動力,配套采用Φ96 mm鉆頭+Φ73 mm/1.25°螺桿馬達+Φ73 mm下無磁鉆桿鉆具組合,選用泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)對鉆孔軌跡參數(shù)進行精確測量和計算。

3) 探放效果分析。經(jīng)探測結(jié)果分析得出,榆樹林礦井東翼下5煤層老空區(qū)積水區(qū)域面積為29 270 m2,積水量約1.108×105m3;火燒積水區(qū)區(qū)域面積為82 111 m2,積水量約1.23×105m3;合計井田東翼下5煤層積水區(qū)域的積水量為2.338×105m3.

已施工鉆孔中,1號主孔(新)、2號分支孔、2號主孔(新)、1號分支孔以及1號主孔(舊)3個鉆孔見水,經(jīng)過3個鉆孔對老空區(qū)區(qū)積水進行疏放,截至2022年8月6日,3個疏放水鉆孔累計疏放35.35萬m3;實測老空區(qū)積水探放效果,結(jié)果顯示1號主孔(舊)平均涌水量由110 m3/h下降至26 m3/h;1號主孔(新)、2號分支孔平均涌水量由79 m3/h下降至0 m3/h;2號主孔(新)、1號分支孔平均涌水量由15.6 m3/h下降至0 m3/h,老空區(qū)靜態(tài)積水已疏放完成,老空區(qū)仍存在26 m3/h的動態(tài)補給水。

7 結(jié) 語

1) 設(shè)計了一種長距離定向鉆孔穿多煤層群精確探放水技術(shù)方法,為實現(xiàn)煤礦井下采空區(qū)積水探放與上覆含水層的預防治理工程提供了新的技術(shù)手段。

2) 長距離定向鉆孔穿多煤層群精確探放水系統(tǒng)主要由鉆機系統(tǒng)、隨鉆測量系統(tǒng)、泥漿系統(tǒng)、鉆具及輔助機具系統(tǒng)與智能輔助系統(tǒng)相互配合,實現(xiàn)對老空區(qū)積水的長距離、穿多煤層群、精準探放。

3) 長距離定向鉆孔穿多煤層群精確探放水配套裝備包括定向鉆機、泥漿泵、隨鉆測量系統(tǒng)、各種鉆具等。

4) 探放水工藝流程主要包括開孔及孔口裝置安裝、定向鉆進、透孔等流程,確保鉆孔盡可能平穩(wěn)地穿過穩(wěn)固的巖層,充分發(fā)揮軌跡控制的優(yōu)勢,精準命中“靶點”,在疏放老空區(qū)積水過程中,由高到低逐級遞減降低采空區(qū)積水水位,并通過分支孔技術(shù)預留分支點,以確保每一次探放的成功率。

5) 長距離定向鉆孔穿多煤層群精確探放水技術(shù)方法在榆樹嶺礦井下5煤層老空區(qū)積水區(qū)域順利施工放水5個鉆孔,其中2個主孔,3個分支孔,進尺合計2 697 m.

6) 長距離定向鉆孔穿多煤層群精確探放水技術(shù)方法解決了鉆孔施工距離短、“靶點”、命中不精確導致水壓水量過大并造成重復開孔等問題,減少了鉆孔工作量,節(jié)省施工時間,提高了鉆孔探測的準確性和可信性,保障煤礦生產(chǎn)安全。