小沟煤矿定向探放水设计与应用

2020-03-05刘新成

山东煤炭科技 2020年2期

刘新成

（新疆天富小沟矿业有限责任公司，新疆石河子 832026）

1 工程概况

新疆天富小沟矿业位于石河子市西南部，距离石河子市区75km，隶属于沙湾县管辖。井田走向长度3.5km，井田内共有可采煤层8层，平均可采厚度1.14m，井田范围内交通十分便利。其5#煤层顶板砂岩为含水层，需对该含水层进行定向探放水，以保证生产安全。

2 疏放水施工设计方案

疏放水钻孔轨迹平面图如图1所示。钻孔开孔方向沿巷道开掘方向，开孔倾角按0°。钻进一段后开斜向上的分支孔A1-1，曲率半径200m，调整方位与巷道方向呈30°夹角时，钻孔倾角大约达到23°，保持方位和倾角继续钻进，直到探查边界终孔。退钻后，继续侧钻施工A1-2分支孔，各分支孔间距按100m计算。如此反复，直到施工完4个分支孔和主孔。完成A1号主孔的施工。施工过程中视钻孔出水情况随时调整分支孔的施工数量及进度，并根据实际探查情况终止A1孔的施工，有目的的施工A2主孔，不再开分支，直接按预定的靶点施工即可。

图1 5煤层顶板砂岩水疏放钻孔轨道设计平面图

3 钻探实施方案

3.1 钻场布置

井下钻场的布置会影响生产工作面工程进度及井下生产安全，因此应当在保证探放水范围的前提下，尽可能的少布置钻场，且应将钻场布置在合适的位置，以减小对井下生产工作面的影响。根据61101工作面5#煤层顶板实际情况，考虑钻孔设计参数，布置钻场数目为2个。1号钻场位于斜井段标高为810.5m处（即主斜井5煤层顶板揭露段略向下），2号钻场位置设计在主斜井下行段标高为791m处（即在6煤顶板砂岩揭露段）。1号钻场与2号钻场之间的距离为77m，且钻场应布置在围岩较为稳定的位置，以减小对钻场的围岩支护成本。钻场空间不小于10m×6m×2.5m，钻场标高需高于巷道标高，以利于排水。钻场支护方式为“锚杆+喷射混凝土”，为方便钻机的固定，应在钻场前后方打稳固用锚索。钻场布置平面图如图2所示。

定向钻进对钻场的要求：（1）钻场底板水平；（2）钻场供水能力≥12m3/h；（3）底板加固、平整，砼≥100mm。

图2 钻场平面示意图

3.2 钻探方法及工艺

61101工作面探放水钻孔采用定向钻进技术（Directional Drilling，DD）进行施工。定向钻进可使钻孔轨迹按照设计的路线进行钻进，具有施工方便、钻进效率高、不易发生塌孔等优点。61101工作面定向钻孔施工流程图如图3。

3.3 定向钻孔施工技术要求

开孔孔位偏差：孔位偏差±0.5m，倾角偏差±2°，方位偏差±2°。主孔设计要求：原则上主孔施工孔深约800m；分支孔设计要求：分支钻孔应有足够的排水量；钻进参数要求：由于本钻孔采用两级孔身结构，为定向钻进和回转钻进交替使用；定向钻孔其他要求为钻孔附加装置：① 孔口管，用于钻探导向和控水阀门安装。② 孔口装置，其安装使用如图4所示。钻进参数表见表1。

图3 定向钻进工艺流程示意图

表1 钻进参数表

图4 孔口装置图

孔口管封固标准检测：固孔候凝24h后，采用泥浆泵向孔内注水蹩压的方式，保持压力在3.0MPa，持续时间在20～30min，观察孔壁及孔口管附近是否存在渗漏现象，如若不漏则说明固孔合格，如若出现渗漏，则需要继续注浆固孔。

可能由于地下地质条件的复杂性，定向钻孔施工时可能遇到事前无法勘测到的断层、采空区、陷落柱等情况，不能够继续施工则提钻终孔。

3.4 施工用主要设备、仪器及钻具组合

3.4.1 施工用主要设备及仪器

该项目施工主要设备以及配套钻具见表2。

表2 主要设备、仪器及钻具一览表

3.4.2 施工设备

（1）钻机

施工用ZDY6000LD钻机具有搬迁方便、技术性能先进、工艺适应性强、安全可靠等优点，其主要技术参数见表3。

表3 ZDY6000LD型钻机主要技术参数一览表

（2）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，此外还用于注浆。其主要技术参数见表4。

表4 3NB-320/8-30型泥浆泵主要技术参数

3.4.3 仪器

本项目定向钻孔施工采用YHD1-1000随钻测量系统，包括测量探管、孔口防爆电脑及线缆（孔口防爆电脑供电电压为127V），该系统主要特点有：

（1）测量信息可以实时显示及测量数据实时导出，测量信息主要包括：孔深、方位角、倾角、工具面向角、左右偏差、上下偏差、下行轨迹、日期及时间状态。

（2）测量精度高。倾角：±0.2°，方位：±1.5°，工具面向角：±1.5°。

3.5 螺杆钻具定向方法

螺杆钻具定向采用可调式弯头螺杆钻具，螺杆弯度可调整（0.5°、1.5°、2.5°），通过调整螺杆的弯度，满足工具造斜率，但由于可调式结构缺乏稳定性，易造成弯头处断裂，因此已经很少使用。固定式弯头螺杆钻具，螺杆弯度固定（常用1.25°、1.5°），工具造斜率稳定，且由于弯头角度固定，不易发生破损、断裂现象，目前井下定向钻均采用该种螺杆钻具。

4 组织机构配备及职责

为确保项目的顺利实施和工程质量，项目执行过程中，采取项目经理部管理的方式开展工作。成立钻探工程项目经理部，负责项目的技术管理、施工管理、安全质量等工作。项目经理部必须接受甲方的监督和指导。项目经理部将充分利用在煤矿井下定向钻进技术、人才等领域的综合优势，对参加本次项目的所有专业人员进行统一协调组织，以实现项目的最佳系统管理。项目经理部定期召开施工协调会议，研究项目施工的进度、质量及其他方面的管理工作，及时对项目进度情况进行总结，提出管理、协调配合建议和下阶段的工作目标，并将会议决定及时发放各个部门进行落实、实施，力争在最短的时间内，全面完成61101工作面5#煤层顶板砂岩疏放水定向钻孔工程任务。井下钻探工程项目部人员组织管理机构配置如图5。

图5 井下钻探工程项目部人员组织管理机构配置

5 放水效果及工作面安全评价

（1）该工程共施工1个主孔和4个分支孔，钻孔进尺1251m。4#分支孔600m处穿老空区，钻孔穿水点水位标高为+1135m水平。测得出水初压为1.08MPa，单孔最大出水量采用容积法现场测得142m3/h，达到矿方放水要求。

（2）+1100m水平探水钻孔布置在B4煤层中，沿B4煤层水平钻进400m后，沿煤层倾角斜向上进行钻进，在+1135m水平（平面投影600m处）遇到采空区。

（3）通过近8个月的排水工作，据矿方井下目前观测放水孔压力在0.36MPa左右，水量约为25m3/h。由此推测目前老空水水位标高约为+1136m，基本与钻孔最低标高相吻合。

（4）依据排水记录，钻孔打穿采空区进行放水工作以来，总排水量约50余万m3，基本将+1135m水平以上老空区积水排放完毕。目前钻孔出水量为25m3/h，与+1280m水平补给水量基本一致。

（5）+1280m水平以下原始开采B3、B4煤层，均为老窑，采用走向短壁前进式开采，存在约30万m3的老空积水，经+1100m水平探水钻孔排水，已疏放至+1135m水平。但已疏放部分区段可能存在煤柱隔断积水，或者顶板垮塌后存在堵塞积水。因此，B3、B4煤层采掘过程中，建议采用物探结合钻探的方式进行老空水补查，确保安全生产。