煤层底板超前注浆加固定向钻进技术与装备*

2013-08-22李泉新石智军

金属矿山 2013年9期

李泉新石智军方俊

(中煤科工集团西安研究院)

煤矿底板突水与瓦斯、冲击矿压等灾害并列，是矿山建设与矿山生产过程中的主要安全灾害之一，其破坏性巨大，给煤矿安全生产带来了很大隐患和损失［1-2］。在我国华北及华东地区部分矿区，甚至是影响煤矿安全高效生产最主要的原因，需要花费大量人力、物力对底板进行注浆改造，从而保证巷道掘进和回采安全。

从目前我国煤矿井下底板水害防治的需要出发，将目前世界最先进的煤矿井下随钻测量定向钻进技术引入到煤矿井下工作面底板注浆加固领域，实现煤矿井下底板超前注浆加固定向钻孔施工。

随钻测量定向钻进技术目前主要应用于煤矿瓦斯抽采和治理领域，并逐渐开始应用于地质构造探测和探放水等领域［3-4］。但是该技术还未应用于煤层底板注浆加固领域，相应钻探装备、钻孔设计和钻进成孔工艺均需要进行研究突破。

1 定向钻孔底板超前注浆加固原理

煤矿底板突水是指矿山在建设开发过程中，不同形式、不同水源的水通过某种途径从地板突入矿井，给矿山建设和生产带来不利影响和灾害的过程，主要受含水层的富水性和透水性、隔水层的隔水性、地下裂隙的导通性、地下水系的连通性、静水压力和矿山压力等因素的共同影响［5］。

底板注浆加固技术通过注浆加固底板和填充含水层裂隙，一方面提高底板强度，一方面截断或阻滞地下水径流通道，确保安全生产，该技术是解决底板，尤其是奥陶系突水威胁的有效途径之一。

定向钻孔进行底板注浆加固时，先利用常规回转钻进施工大倾角下斜钻孔至预定层位并下入设计规格和强度的套管，然后以先进的随钻测量技术为依托，利用随钻定向钻进技术进行造斜钻进，通过对实钻钻孔轨迹的实时准确测量和精确控制，使钻孔在欲加固的层位内延伸，并可在需加固的工作面进行分支钻进，成孔后高压注浆，将目的层位和钻孔钻遇的导水裂隙填满，形成隔水层，由于其施工钻孔长，可在工作面巷道未施工前加固煤层底板，从而实现工作面煤层底板超前注浆加固。定向钻孔超前注浆加固原理如图1所示。

图1 定向钻孔超前注浆加固原理

2 钻进装备

为实现煤层底板超前注浆加固定向钻孔施工，研制改进了ZDY6000LD型定向钻机，选择了合适的随钻测量系统和定向钻进用螺杆马达，并加工试制了各种规格的配套钻具。

2.1 定向钻机

目前用于煤矿井下定向钻进技术研究的定向钻机规格型号较多，但由于施工底板注浆加固钻孔时钻孔开孔倾角较大，且需要进行大直径套管段施工，因此对钻机要求更高更多。根据钻进工艺要求，在分析模拟基础上对ZDY－6000LD履带式全液压钻机进行了局部改造，并在钻机轨道机身后支撑上增加辅助横梁，使其调角范围从－10°～20°变化到－30°～20°。钻机设计结构见图2。

2.2 随钻测量系统

图2 钻机设计

随钻测量系统是定向钻进的基础与关键，选用YHD1－1000(A)型随钻测量系统作为钻孔轨迹测量与控制的仪器，主要由YHD1－1000T随钻测量探管、KJD31矿用隔爆兼本安型计算机和KJS31矿用本安型计算机键盘组成，系统部分实物如图3所示。YHD1－1000(A)随钻测量系统是YHD1－1000随钻测量系统的升级版本，采用防爆计算机作为系统主机、计算机键盘为人机交互工具，以127 V井下电源供电，显示效果清楚，便于井下观察，且功能齐全，扩展性好，可安装在钻机上或单独放置使用，具有可靠性高、干扰小、维护方便等许多新特点，使仪器的实用性大大提高。

图3 随钻测量防爆电脑及测量探管实物

2.3 螺杆马达

螺杆马达作为孔底碎岩动力，具有定向钻进效果好、易侧钻分支、不用反复起下钻具、施工工序简单、可以和测斜仪器配合准确控制钻孔轨迹等特点，是定向钻进的关键［6］。

根据钻进工艺的需要，选用了1.25°和1.5°的螺杆马达。1.25°的螺杆马达主要用于钻孔稳斜钻进，1.5°的螺杆马达主要用于钻孔强造斜钻进。

2.4 配套钻具

(1)泥浆泵。泥浆泵用于提供钻进时排粉及定向钻进孔底动力需要的冲洗液。可选用衡阳探矿机械厂生产的3NB－300/12－45型泥浆泵，该泵属电驱机械变量卧式三缸单作用往复柱塞泵，具有压力高、泵量大的特点，可用于孔径90～200 mm、孔深800 m的全面或取芯钻进。

(2)钻杆。煤层底板超前注浆加固定向钻孔施工时，施工工艺较复杂，需要综合采用回钻钻进、定向钻进等多种工艺方法，为保障施工正常进行，研制选配了中心通缆钻杆、外平钻杆、无磁钻杆、螺旋钻杆和顺孔钻具等5种钻杆。其中中心通缆钻杆主要用于螺杆马达定向钻进时随钻测量信号传输;外平钻杆用于回转钻进;无磁钻杆用于螺杆马达定向钻进时为测量仪器提供无磁环境;螺旋钻杆主要用于套管段施工时排渣保直;顺孔钻具主要用于套管段施工时钻孔顺孔，以便于套管下入。以上钻杆实物见图4所示。

图4 钻杆实物

(3)钻头。煤层底板超前注浆加固定向钻孔结构复杂，尺寸较多，为满足施工需要，共研制选型了5种规格型号钻头，分别用于不同孔径段施工，实物如图5所示。

图5 钻头实物

(4)稳定器。稳定器用于钻头和钻杆或钻杆和钻杆之间的连接，起到稳定钻具和控制钻孔轨迹的作用。在回转钻进施工阶段，通过调整稳定器的位置形成不同的钻具组合，以达到钻孔保直或造斜的钻进效果。

研制了直径为95 mm和113 mm 2种规格稳定器，实物如图6所示。

图6 稳定器实物

(5)中心通缆式单向阀。由于底板加固定向钻孔施工时，孔内经常会出水，且出水量和出水压力均较大，为避免高压出水从钻杆内流出，研制了中心通缆式单向阀，其既可以传递测量信号，还可以起到单向液流控制作用，实物如图7所示。

图7 中心通缆式单向阀实物

(6)水便。水便分为中心通缆式水便和普通水便两种，其中普通水便用于和外平钻杆连接进行回转钻进施工;中心通缆式水便不但能保证钻孔过程中正常的冲洗液流通，而且能够进行定向钻进随钻测量信号传输，用于随钻测量定向钻进施工。中心通缆式水便的中心通缆装置被固定于水便内，信号传输体的外层均设有绝缘层，用以保证信号的正常传输。工作时，信号从通缆水便右端探头输入，从水便左端的快速接线柱输出至孔口防爆计算机，进行数据接收分析。

3 钻孔设计

3.1 加固层位及钻孔间距

通过分析我国水害较严重区域煤层底板情况，定向钻孔的布孔层位可布置太原组中上段，具体层位的选取可根据底板地层埋深情况及岩层硬度是否适合定向钻进范围来确定。

定向钻孔时钻孔间距按照钻孔单孔注浆扩散半径确定，一般注浆扩散半径为25～30 m，因此在设计定向钻孔时钻孔间距确定为50～60 m。

3.2 钻孔结构设计

煤层底板超前注浆加固定向钻孔由于要进行多次高压注浆，需要下入多级套管以封固孔口煤层和不稳定地层，为后期注浆上压提供基础，且钻具组合复杂、尺寸较大，因此应对钻孔结构进行合理设计，各级套管间间隙应满足施工要求，并保证后期定向钻孔孔径满足设计要求。钻孔可由套管孔段、回转钻进孔段、定向造斜孔段和定向稳斜孔段组成，钻孔结构设计如图8所示。

图8 钻孔结构示意

3.3 钻孔布置与轨迹设计

(1)钻孔方位设计。定向钻孔为达到整个工作面超前注浆加固目的，应尽量沿工作面方向布置，且仅设计1个定向钻孔是不够的，需要布置1个集束型钻孔群。集束型钻孔群设计时，先确定中间钻孔的开孔方位，再根据钻孔注浆加固半径合理设计两边钻孔的开孔方位及方位变化规律，保证钻孔水平稳斜段间距控制在注浆加固范围内。所有钻孔的主设计方位和水平稳斜段方位均应与工作面平行。

(2)开孔倾角设计。钻孔倾角设计时候主要考虑以下4个因素:①钻孔排渣;②定向造斜段的施工;③L8灰岩前隔水层主要为泥岩，容易发生各种钻探事故，部分地区L8灰岩层坚硬钻进困难，因此应尽量减少这2部分孔段的距离;④钻孔倾角越大，越容易发生掉钻等事故，且由于巷道空间有限，不利用施工操作。综合以上考虑设计钻孔开孔倾角为－20°～－25°。

(3)套管段设计。套管段设计时根据设计钻孔结构的不同，进行不同的设计。第1级套管下入到孔口以下垂距10 m位置;第2级套管下入到稳定地层以下垂距3 m位置;如果下入第3级套管则设计长度为进入L8灰岩1 m的位置。所有套管均应满足试压要求。

(4)回转钻进段设计。回转钻进段位于套管段和定向钻进段之间，用于坚硬地层或不稳定地层施工，以保证定向钻具的安全。回转钻进段设计时应考虑拟选用的稳定组合钻具性能设计钻孔的倾角变化情况。

(6)定向造斜段设计。当钻进至目的层位后，需下入螺杆马达定向钻具尽快调整钻孔倾角至与目的层位平行，且位于目的层位中。定向造斜段设计时应充分考虑地层起伏状况，并考虑到使用的螺杆钻具造斜能力及通缆钻杆弯曲强度，合理设计倾角和方位角造斜强度。

(7)定向稳斜段设计。定向钻孔进入目的层后，应尽量在目的层内延伸。定向钻孔水平稳斜段设计时以地层倾角及起伏状况为依据，使钻孔设计倾角与地层相一致，尽量沿着目的层位钻进。水平稳斜段长度设计时计算依据为钻孔设计总长度－直孔段长度－造斜段长度。

4 钻进工艺

4.1 钻进工艺流程

煤层底板超前注浆加固定向钻孔钻进时需要综合采用螺旋钻杆回转钻进、稳定组合钻具定向钻进和螺杆马达随钻测量定向钻进等多种工艺方法耦合。钻孔成孔工艺流程见图9所示。钻进时首先采用螺旋钻杆回转钻进工艺进行套管段施工，成功下入设计结构的套管并试压合格;然后采用稳定组合钻具定向钻进工艺钻穿坚硬地层至目的层位，使钻孔倾角略为增加，以减少后期定向钻进倾角调整难度;再使用螺杆马达随钻测量定向钻进完成定向造斜段和稳斜段施工，使钻孔按设计轨迹在目的岩层中延伸直至达到设计要求。

图9 钻孔施工工艺流程

4.2 定向钻进与原理

定向钻孔的主要孔段需要采用随钻测量定向钻进技术进行定向钻进。该技术将随钻测量与螺杆马达孔底钻进技术结合，以螺杆马达为孔底碎岩动力，通过安装固定在螺杆马达后无磁外管内的随钻测量探管实时监测钻孔轨迹参数和螺杆马达工具面参数，对比实钻轨迹与设计轨迹的偏差，调整弯头方向来调整工具面向角并保持钻进过程中不发生变化，使钻孔朝设计方向钻进，从而对钻孔的倾角和方位进行较为直观、精确的控制。

采用螺杆钻具进行定向钻孔钻进时，整个钻杆不旋转，仅螺杆钻具和钻头回转碎岩钻进，减少了钻杆与孔壁的摩擦阻力，因而在较小动力损失的情况下就能达到较大的钻进能力［7］。在定向钻孔的施工中，选用合适口径的螺杆钻具用于造斜钻进或正常定向钻进时，不同大小的螺杆弯角可达到不同的造斜效果。

5 现场应用

煤层底板超前注浆加固定向钻进技术与装备在焦煤集团赵固一矿11151工作面进行了应用，试验目的是加固11151工作面煤层底板，保障工作面巷道掘进及回采安全。

5.1 工作面概况

11151工作面位于赵固一矿东盘区，工作面走向长460 m，宽195 m，工作面煤层为21煤层，煤层厚度为6.0～6.4 m，平均厚度为6.24 m，回采面积89 700 m2，可采储量75.9万t。煤层赋存稳定，结构较简单产状为 S4°～90°W∠0°～6.6°。

该工作面水文地质条件较复杂，主要充水水源为底板L8灰岩水，L8灰岩厚7.8～9 m，隔水层厚度为24～27 m，水压为4.8～5.4 MPa，突水系数为0.225 MPa/m，存在有突水危险性。

5.2 钻孔设计

11151工作面为预留工作面，暂时未计划进行开采。为进行定向钻孔施工共布置了2个钻场，均在回风巷道内，且回风巷道为煤巷。

钻孔设计时先在11151上巷迎头处设置1个钻场即1#钻场，在该钻场设计了1#和5#钻孔。其中1#定向钻孔设计为沿11151上巷延伸，为未来11151上巷掘进超前探水和底板加固，5#定向钻孔设计为沿11151下巷延伸，为未来11151下巷掘进超前探水和底板加固。

1#和5#钻孔施工完成后，将钻场搬至东回风巷道内11151上巷以西75 m处，即2#钻场，并设计了3个钻孔，加固11151工作面上下巷之间的底板。3个定向钻孔稳斜段距离11151上巷平距分别为50 m、100 m和150 m，钻孔设计要求其相对开孔点左右位移为－25 m、25 m和75 m。定向钻孔均应平行于11151工作面，钻孔主设计方位均为149.3°。

钻孔设计参数见表1，设计平面图见图10。

表1 定向钻孔设计参数

图10 钻孔设计与实钻剖面

5.3 钻孔施工

现场试验时采用上述钻进装备和钻进工艺，在赵固一矿东区11151工作面的2个钻场一共施工了6个钻孔，其中在东区11151工作面上巷迎头共施工2个钻孔，分别为1#钻孔和5#钻孔;在东回风巷道内11151工作面上巷以西75 m处钻场施工4个钻孔，分别为 2#、4#、3#和 5 －补#钻孔。施工完成的6个定向钻孔，终孔孔径均为96 mm，所有钻孔的轨迹偏差均控制在5‰以内，钻孔深度均大于400 m，总进尺达到3 455 m，钻孔施工参数见表2，钻孔实钻轨迹平面图见图10。

表2 定向钻孔实钻数据 m

5.4 注浆效果分析

现场试验施工过程中，钻孔成孔后采取分段注浆的形式进行底板加固，以保证钻孔的注浆效果，即钻孔遇出水大于30 m3/h或钻孔进尺达到100 m，则提钻进行高压注浆，每次注浆压力达到13 MPa后，注浆结束。

现场试验完成的6个定向钻孔，钻孔完成次序为 1#钻孔、5#钻孔、4#钻孔、2#钻孔、5 －补#钻孔及 3#钻孔，6个钻孔共注入黏土水泥浆18 310.81 m3，水泥1 642.09 t，黏土4 289.012 t，干料合计5 931.102 t。6个钻孔出水及注浆情况见表3，从钻孔出水量和注浆量可以看出先施工的定向钻孔出水最多，同时注浆量也最多，由于先施工的定向钻孔区域注浆影响使得后施工的定向钻孔出水量和注浆量明显减少，充分体现了定向钻孔区域注浆的效果。