大孔径钻孔在复杂地质条件施工工艺的探索及应用

王勇 张雷于丹张少辉

（恒源煤电股份有限公司任楼煤矿，安徽 宿州 235123）

1 引言

由于任楼矿地质条件复杂，煤层透气性差，在施工不同倾角钻孔过程中穿层次数多、煤软、岩石破碎、且中间夹杂着2-3m泥岩，施工难度较大，打钻过程中顶钻、卡钻、塌孔、糊钻现象时有发生，严重影响钻孔的施工；通过不断在施工中总结经验，总结出一套适用于煤矿井下不同煤岩层条件下钻孔施工工艺。现举2例不同地质条件及不同倾角的施工工艺加以说明。

2 7258风巷9＃高位钻场

2.1 地质条件

恒源煤电任楼煤矿7258工作面位于矿井二水平，煤层埋藏较深，本工作面地质构造较简单，煤岩层呈近单斜构造，走向自北向南为 N30°～N55°,倾向为 120°～145°；该工作面直接顶为灰色粉砂岩、粉砂质泥岩，0.44～5.36m，平均2.55m±。煤的破坏类型为Ⅲ类破坏类型煤层，煤的坚固性系数f平均值为0.4490。本区煤层顶底板局部砂岩裂隙含水丰富，连通性较好。施工的7258工作面8＃、9＃、10＃高位钻场，钻孔孔深均在180米，钻孔开孔岩层层位位于72煤层直接顶5米，开孔层位为泥岩，岩层破碎。

2.2 施工工艺

因设计的近水平钻孔长度较长，采用ZDY-3200S型液压钻机施工，初始施工时直接采用φ113mm钻头带φ108mm导向施工，开孔施工因孔口断岩层比较破碎，钻孔后路塌孔严重，很难成型，即使达到砂岩岩层，后路塌孔导致施工困难，决定改变钻孔施工工艺，采用φ146mm套管跟管进尺施工到砂岩段，对此段松散岩层进行护壁20-30m，再用φ113mm钻头带φ108mm导向继续施工，当遇到第二个破碎带时在提钻下φ108mm套管护壁，在变径施工到孔底，采用双重套管护壁方法成功施工了3个高位钻场钻孔，钻孔深度均达到了设计孔深后在对钻场整个墙壁进行喷浆，且孔壁破碎20米段进行全断面注浆，防止抽放时漏气，现在以上钻场瓦斯抽放浓度均能达到50%以上。

3 Ⅱ51轨道上山

3.1 地质条件

任楼煤矿Ⅱ51轨道上山水文钻孔设计施工段地层为单斜构造，地层产状90°∠16°±。煤层硬度系数约0.3，岩层硬度系数小于6，钻孔所穿过的岩层为细砂岩、铝质泥岩、粉砂岩、5煤组，且铝质泥岩遇水后易膨胀，对钻孔施工不利，且5煤组均在开孔后的28m至45m处，该5煤组及5煤泥岩顶底板在施钻过程中遇水后易膨胀、塌孔。

3.2 施工工艺

开孔采用传统的钻孔施工方式即采用φ127mm钻头取芯进尺30.5m（若此处穿煤，应钻进至煤底板下1.0m为准），下入φ108mm套管30米，注浆固管，待72小时后扫孔进行耐压试验的施工方式，致使成孔率较低，即使在采取措施后保证钻孔前45m孔段能正常施工完毕，但在随后的下套管及注浆固管的工序中，由于煤层及泥岩顶底板孔段遇水后膨胀、塌孔，致使钻孔套管无法下到指定位置，即使套管下到位由于孔壁与套管间间隙被膨胀的煤、岩堵塞，注浆固管时浆液无法有效返出，造成注浆固管失败，无法达到固管试压要求；这就要求寻求新的施工工艺：

⑴材质上考虑，进特殊地质套管，确保套管质量，防止施工中出现脱扣后扭断现象，造成套管脱节；

⑵钻探工艺上改进，首先采用φ146mm取芯钻头施工5m，下入5mφ146mm孔口管。采用压风，用φ127mm钻头配合麻花钻杆钻进至5煤组及5煤泥岩底板1～2m后下入φ127mm套管。采用JD-WFK-2型速凝膨胀封孔剂注浆固管，注浆后12个小时即可扫孔试压，每个钻孔固管时间相对于采用水泥注浆固管可缩短了60个小时。

⑶试压合格后，采用泥浆护壁钻进，利用泥浆的浮悬、携带钻渣、清洗孔底、冷却钻头等作用进行全孔泥浆钻进，钻孔泥浆对孔壁的静压力和泥浆在孔壁上形成的泥皮可以有效地防止煤孔段孔壁坍塌。除此之外，利用泥浆具有的携渣和冷却、润滑机具作用，具有一定粘度的泥浆可以携带岩粉一起排出。泥浆可以作机具的润滑和冷却剂，在冲洗机具的同时,也冷却的机具。防止孔壁坍塌或剥落，并维持孔内的形状不变。且泥浆具有支承开挖，悬浮岩屑，避免岩粉在孔底堆积等作用。` ⑷泥浆池管理。施工期间保证泥浆的粘度，不定期往泥浆池内加氢，以使泥浆中的岩粉颗粒沉淀，每施工完一个钻孔必须清理用过的泥浆及清洗泥浆池，重新打制泥浆。由于采取的措施得当该工程比计划的时间提前5天完工。

3.3 泥浆池布置

由于轨道迎头空间有限，条件上制约了钻机及钻孔的布置施工；为改善施钻条件及提高钻进效率，在迎头退后4米左右各施工一个B×H×L=4m×3.6m×4m的钻场，并在轨道迎头施工一个 B×H×L=3m×2.5m×1m 的均分三隔间的泥浆、沉淀、排水池（见下图）。泥浆池中间浇筑150mm厚隔墙，池壁浇筑厚度不小于100mm，池口水平低于钻场底板500mm；且泥浆池施工必须保证池壁、池底不漏水。钻场底板必须挖掘到实底后方可浇筑水泥地坪，保证钻机地锚稳固牢靠。

平面图如图所示：

4 结论

由于任楼矿地质条件复杂，煤层透气性差，其工艺的实施是个难题。通过在实践中不断总结经验，对钻进施工工艺的新技术、新工艺进行研发和应用，增加了钻孔成孔率及深度，孔壁完整性进一步提高。今后随着新技术的实践应用，钻孔的施工工艺会得到继续发展，取得较好的效果。

[1]肖洪波.大孔径钻孔野外施工工艺的比选[J].人民长江，2009，（40）6

[2]陈品富,惠少卿.大孔径深孔钻孔桩成