煤矿水害防治工作中钻探技术的应用研究

姬乃强

（中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710065）

1 引言

XX煤矿为区域内主力生产矿井，煤层埋深在480m以上，底板主要充水含水层为L7灰岩含水层，水压高达4.8MPa。为消除矿井水害隐患，XX矿井严格执行“预测预报、钻探为主、先治后采”的方针，对区域内钻孔进行了改造升级。但是在XX矿井实际生产过程中，仍然存在钻孔轨迹不可控、含水层有效孔段短、钻孔孔深浅等问题。本文对XX煤矿矿井水害防治中钻探技术的优化应用进行了简单分析，具体如下。

2 煤矿水害灾害类型及事故特点

我国煤矿水害类型主要包括六个类型，即华北石炭—二叠纪煤田的岩溶——裂隙水水害区为I类；华南晚二叠纪煤田岩溶水水害区为II类；东北及内蒙侏罗纪煤田砂砾岩裂隙水水害、西北侏罗纪煤田砂砾岩裂隙水水害分别为III类、IV类；西藏及滇西中生代煤田裂隙水水害、台湾第三纪煤田裂隙——孔隙水水害分别为V类、VI类[1]。

通过对“十三五”期间我国煤矿水害事故特征统计得出：根据所有制煤炭企业类型的差异，水害事故特征也具有一定变化。一般来说，乡镇煤矿水害事故发生概率远高于国有地方及国有重点煤矿水害事故发生概率。其中地质构造诱发的煤矿突水发生概率最大，煤矿突水水害对矿井安全生产造成了极大的威胁。因此，老空积水、地表水等突水水害为煤矿水害防治要点。

3 煤矿水害防治工作中钻探技术的应用措施

3.1 钻探设备选定

依据MT/T 790-2006《煤矿坑道勘探用钻机》、MT/T356-2005《煤矿井下安全工程钻机》的相关要求，本次钻探工程中主要用钻探设备为ZDY1300型煤矿用全液压坑道钻机及ZG型R780高强度外平钻杆。煤层施工采用静压水作为冲洗介质的普通回转钻进工艺。配套设备包括：新型ZDY3200L全液压钻机、Φ113四翼内凹PDC钻头、Φ73整体式宽叶片螺旋钻杆等附属设备。钻孔直径为113mm，最大深度为10～180m，钻孔倾角范围-90°～+90°、方位角 0～180°；底孔用钻杆为 Φ110/73mm×1m插接式双头螺旋钻杆，钻杆接头采用内加厚方式局部增加壁厚，通过摩擦焊与钻杆相连，芯杆直径73 mm，钻杆外直径为110mm；煤层施工用钻杆为Φ73mm×1m整体式宽叶片螺旋钻杆，钻杆接头采用内加厚方式局部增加壁厚，通过摩擦焊与钻杆相连，采用螺纹式连接；底板钻孔用的钻头为Φ120mm插接式螺旋合金钻头，该钻头为高品质硬质合金切削齿；煤层钻孔选用的为Φ113mm四翼内凹PDC钻头，该头采用优质金刚石复合片（PDC）作为切削齿。

图1 煤矿用全液压钻进系统

3.2 钻探方案设计

本次钻探主要是在即将开掘的11562工作面上顺槽进行钻探施工，即依据工作面下顺槽已形成钻探场地，沿顺槽方向，进行超前探与底板加固作业。在前期钻探面设计过程中，需在底板钻孔的基础上，设计两探煤钻孔。即设计探煤孔钻进层位平均煤厚为6.22m，底板孔钻进层位为L7灰岩底部细粒砂岩，该层位置较稳定，距离灰岩4.89m。

在11562工作面下顺槽钻探期间，主要依据上顺槽钻探方向，经大幅度拐弯，在巷道两侧进行探煤钻探[2]。由于底板注浆口位于巷道下方，为保证探煤钻孔作业顺利进行，施工人员需合理设置一分支探顶节点，保证顺槽口内煤层构造稳定。

3.3 钻探方案实施

首先，在钻孔结构设计期间，需在两级套管下部开设孔径为φ113mm的钻孔。其次，在钻孔轨迹确定之后，可采用φ50.0mm金刚石复合片可开闭式钻头，回钻一级孔口管，随后下放设计内径为φ105mm的套管，并利用井下注浆泵，依照水灰比为1/1.0的比例进行水泥浆拌合，在套管内进行注浆固管作业。为保证固管效果，应保证水泥浆凝固时间在24h以上。在这个基础上，利用φ105mm钻头透出套管0.6m后进行耐压试验，保证耐压试验阶段周边水压在11MPa左右。若套管壁周边无水分渗出，则表明固管效果良好，反之则需要重新进行固管作业。最后，在钻头钻设过程中，根据钻扣类型的差异，需要采取不同的钻孔模式，如在全煤层钻进期间，需要采用螺旋钻杆在煤层钻进成孔。

在钻进煤层与设计煤层呈90°时，施工人员需要利用高角度上仰施工方式，在顶板条件较好的位置进行钻杆架设，然后在原有孔口管的基础上增设一套管，以控制上孔口与地表距离在2.00m以下，避免击发距离过长对钻进效果的影响。

在斜下孔钻设期间，由于钻孔顺层钻进期间岩层自重的影响，岩层破碎风险较大，据此，可在煤层下方设置钻杆。并在钻头距离孔底16m时调整泵压，避免憋泵现象对钻进稳定性的不利影响。若在煤矿水害防治阶段不需进行钻芯取样，则可直接进行冲孔提钻作业，即沿正常钻进轨道，待冲孔20.0min后，提出钻杆。

在松软层跟管钻进阶段，施工人员需要综合考虑钻进到一定深度后遭遇松软层及开孔阶段遭遇松软层等情况。若在钻进一定深度后遇到松软层，相关人员需要首先下放一孔径口管，然后进行岩芯管的钻进。一般来说岩芯管内径应比钻头大一径。这种情况下，若钻进阶段遭遇松软层，施工人员就可以及时拉钻。并利用跟管钻进的方式，持续钻进，保证钻进阶段孔壁稳定；若在开孔之初遭遇松软层，施工人员需要配置与止水管端口相符的合金钻头。结合后端螺丝头的设置，可避免松软层钻进阶段套管管壁失稳。

4 煤矿水害防治工作中钻探技术的应用优化

钻探技术在煤矿水害防治中的应用，不仅可以验证前期物探结果，而且可以揭示富水异常区水文地质特点[3]，进而帮助施工方了解导水构造水文地质条件及其与水源间的关系。但是，在现阶段煤矿水害防治工作开展过程中，钻孔轨迹不可控、含水层有效孔段短、钻孔孔深浅等问题的存在，严重影响了钻探水害防治效果。因此，在今后钻探技术应用过程中，设计人员应在保证钻孔轨迹平直的基础上，最大程度控制钻孔弯曲程度，避免钻杆与孔壁频繁摩擦影响钻探给进压力。

其次，为降低钻孔埋钻风险因素，煤矿水害防治人员可采用回转钻机+定向钻进的模式，将钻进孔内多余杂质带出，同时在钻进阶段对钻孔漏失量进行观测，探究岩层破碎带水害分布情况，为后期水害治理提供依据。

最后，为保证后期巷道掘进工作稳定进行，缓解矿井工作面紧张程度，同时相关人员可借鉴与工程水文地质条件类似工程经验，进一步调整煤矿水害区钻探方案。

5 结语

综上所述，煤矿井下水害事故是煤矿生产作业安全主要威胁因素之一。因此，煤矿钻探企业可以井下水防治为要点，依据煤矿区水害类型，选择合理的煤矿钻探设备、钻探方式及实施方案，同时综合考虑斜下孔钻进、高角度上仰钻进、全煤层孔螺旋钻进等类型，合理调整钻进模式，保证钻进阶段煤层稳定，降低岩层破碎对煤矿水害防治效果的影响。