底抽巷穿层钻孔实施煤层巷道超前钻探技术研究

吴亚

摘要：随着矿井开采条件的日益复杂，矿井受水害的威胁也愈加严重。在巷道掘进过程中，探测其前方一定范围的赋存情况，对于确保巷道的安全掘进有着极其重要的意义，也可以为煤矿防治水提供相应的依据，从而减少和避免溃水事故的发生。基于此，对底抽巷穿层钻孔实施煤层巷道超前钻探技术进行研究，以供参考。

关键词：探放水;底抽巷;穿层钻孔;帮距;超前距

引言

治理煤矿中的瓦斯时，有以下几个有效措施：治理瓦斯的采空区和煤矿邻近层瓦斯穿层钻孔预抽等，部分矿区在硬岩进行高位钻孔以及在穿层孔施工时，具备极低的钻进效率，会严重损坏钻头，导致施工的钻孔时间久。尤其是出现钻孔故障时，将大大降低施工质量并拖慢施工钻孔的效率，导致抽放和抽采瓦斯的煤矿计划受到影响，加大采煤时间。

1水文地质条件及超前探放原则

（1）安全区域，经综合分析（地面物探、井下物探、生产采掘、理论推导等）确定不存在物探异常区、构造、封闭不良钻孔和老空水等威胁，且顶板水（K8、K10）为弱富水，底板带压系数<0.06MPa/m的区域。该区域煤层巷道掘进采用常规物探方式，超前钻探以地质盲区探测为主，且孔数不少于3个，并严格控制超前距和帮距。（2）受水威胁区域指掘进工作面受已知顶板水、底板承压水、老空水或已知导（含）水构造等水体威胁的区域。（3）异常区包括物探异常区、查明构造（断层、陷落柱等）和钻探出水的区域。综合分析煤矿采掘时坚持“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原则，巷道掘进前要对其前方一定范围进行探测。探测过程中，严格执行“物探先行、钻探验证、化探跟进”的操作规范，在巷道掘进前利用物探超前探测，同时结合底抽巷穿层钻孔超前钻探对巷道前方及两帮进行探测，对异常区再进行加密探查。针对查明的异常区或受水威胁区域，采用超前疏放或注浆加固的方式进行治理后，方可继续掘进;若掘进前方未发现异常区，则留足超前距离后可继续掘进。

2PDC钻头钻进高强较硬岩的具体回转方式

（1）回转钻进煤矿井下使用钻进方式最多的就是钻孔施工回转方法，动力提供依靠液压钻机，钻杆将回转器和油缸的回转力及推进轴向力变为合力后，破碎岩石接收钻头孔底。钻进井下煤矿回转较硬岩时，当钻杆与钻机符合钻进条件时，钻进效率主要因钻头钻具而影响，选择的钻进参数工艺直接决定钻头的单个进尺和使用寿命。（2）PDC钻头高强度钻进回转当岩层硬度具备较小的较硬程度时，采用PDC钻头高强度钻进回转，主要结构是刀翼式，可以采用最完美的角度保证各个切削齿的工作;冠部构成是抛物线状态的三翼，设计弧角的刀翼，切削齿更方便切入岩石，具备极高的钻进效率;分层错峰的布齿方式，可以确保分层并多轨道切削岩石体积，具有较小的钻进阻力，基本不需要二次破碎;PDC钻头的切削齿是弧面型的，可以使钻头体增加包镶PDC的面积，具备的焊接强度好，能增加钻头抵抗冲击的程度，减少崩齿和崩片的情况。（3）分析试验效率选取某矿完成试验，钻孔试验时选择钻孔是相同组内的，地层钻进是泥岩互层和较硬砂岩，分析对比之前采用的钢体式PDC钻头的不同类型，比如内凹的三翼及四翼所显示的数据，得出PDC钻头选择高强的三翼圆弧进行钻进的效率是1.6倍的PDC钻头三翼内凹的钻进效率，其中钻头单个进尺就增加4倍，相对于PDC钻头四翼内凹提高的钻进效率达2倍之高，钻头的单个进尺就增加8倍。试验时采用PDC钻头是四翼内凹以及三翼普通内凹都可以实现钻进进尺的增大，但是PDC钻头同时出现很多的崩齿片，严重磨损了钢体。

3有效抽采半径效果考察

结合不同距离井的瓦斯抽放率与时间函数的关系，可以看出，当采区瓦斯抽放率达到49.33%的目标值时，η煤溶出率大于49.33%，即初始瓦斯含量为11.12 m3/t时，工作面井的合理距离为3 m，井的有效流出半径为1.5m;;在100天预泵中，开采地点钻孔的合理间距为4 m，有效排水半径为2m;预泵120天时，工作面的合理距离为5 m，有效排水半径为2.5m;160天預泵时，开采地点钻孔的合理间距为6 m，有效排水半径为3 m。

4穿层定向长钻孔施工及下筛管工艺定型

1）在设备配置方面，定向钻具复合定向钻要求和扭矩超过4500N · m +螺旋槽有线耳/三角形螺旋钻管+螺旋电机+ MWD系统等。2）钻井技术：（1）根据煤巷布置水平线和煤层倾角确定适当的开倾角和煤层倾角，并使用定向钻机开洞直至看到煤（确保看到煤在约50 m处），并在看到煤后继续施工;（2）如果定向设计能够跨越软煤区，则继续施工至规定深度，并收回钻头;（3）如果软煤区的孔塌陷严重，更换三角螺旋钻杆钻头，转动摩擦孔，进入煤段后慢慢进入孔洗，排出更多矿渣。穿越软煤区后，继续施工约5 m，然后拉回钻头;（4）更换定向设计发动机，调整倾斜角度，使其基本符合煤层的倾角，继续施工至规定深度，并收回钻头。为保持井眼排水通道，确保排水效果，主要采用空心钻杆+开闭钻实现全管道排水过程。特别是：（1）送中空钻杆+开/关钻杆至孔底，将32mm花筒引入空心钻杆至孔底，然后将钻杆向后拉;（2）降低50 ～ 75mm管用于二次孔保护，其中50 ～ 75mm固体管位于煤炭点外至少2 m处， 50 ～ 75mm花管位于煤炭点内至少5 ～ 10 m处（在32 mm花管外形成二次孔保护，以防止煤层气界面出现孔崩）。

5“安全区域”探放方案

（1）“安全区域”物探设计方案。依据“物探先行，钻探验证”的规定，掘进巷道在超前探放水前需先进行井下瞬变电磁探测，其基本原理就是电磁感应定律。依据矿方实际条件，物探设备选用YCS160瞬变电磁仪和YCS256矿用本安型瞬变电磁仪，该设备专门为矿井井下顶底板探水、超前探测设置了回线边长2m的小线框，勘探最大深度100～120m，并配有专门的解释软件，在国内许多矿井进行了实际应用，取得了较好的地质探测效果。瞬变电磁法超前探测设计4个方向，分别是3个横向探测方向（与巷道顶板呈45°夹角向前方顶板探测、顺岩层方向向前方探测、与巷道底板呈45°夹角向前方底板探测）和1个纵向探测方向，（2）“安全区域”超前钻探设计方案。在煤层“安全区域”，巷道掘进采用常规物探方式，超前钻探以地质盲区探测为主，并严格控制超前距和帮距。

6钻进坚硬岩的冲击回转

（1）钻进冲击的回转方法。井下煤矿选择钻进冲击回转可以很好地处理钻进坚硬岩的低效率导致的一类施工钻孔方法，具体是在之前钻进回转的普通组合钻具内增加了冲击液动器，使钻头承受的回转合力及推进钻杆时，还可以承受冲击器所传递的冲击功，完成冲击联合回转将岩石破碎。冲击器大多选择小口径低能量高频型的，钻进过程主要完成钻进切削回转，岩石被钻头切入的冲击碎岩方式得以增加深度，可以用于岩石坚硬的较大塑性场合。（2）液动冲击器选择小口径。液压能的供给主要靠泥浆泵，冲击器受到液动冲锤的往复上下驱动而运动，接着钻头受到连续不断地冲击施加荷载，试验时的液动冲击器选择的是PDC钻头配套的高强圆弧胎体式。（3）分析钻进试验冲击回转的效率。选择某矿完成试验，选择的岩层试验规格是泥岩坚硬的硅质，具有较脆的高硬度的结核黄铁矿，能达到13的硬度系数。以下对比了钻进冲击的不同回转效果，主要针对冲钻进击选择的回转方法：①PDC钻头高强圆弧胎体式+液动冲击器，6.55m/h的硅質泥岩平均效率，具备较好的施工环境，冲洗介质是水。②钻头内凹三翼，0.13m/h的硅质泥岩平均效率，具备较低的效率。以上的液动冲击可得出钻进回转的效率是50倍的钻进普通回转模式。钻进普通回转大概消耗的钻孔钻头有4～5个，而钻进回转冲击才耗费1个钻头。试验对比的结果显示，液动钻进冲击回转的最优工艺参数是：3.5MPa的泵压和165L/min的流量，110～150r/min的转速和6～9MPa的给进压力，还有5～8MPa的回转压力。

7底抽巷层位选择

底抽巷布置层位选择主要是对现有的底抽巷位置进行调整，以解决目前底抽巷存在的断层等构造容易误揭煤层、巷道顶板支护难、穿层钻孔串孔及抽采钻孔覆盖范围小等问题。

8异常区治理

异常区包括物探异常区、查明构造（断层、陷落柱等）和钻探出水的区域。针对瞬变电磁法或超前钻探探测的异常区要进行加密钻探探查，查明异常区的具体情况。若为水文地质异常区，则查明其导含水情况，并利用超前疏放或注浆加固的方式对其进行治理，防止掘进过程中出水，导致危险事故的发生。注浆技术要求如下。（1）现场制造浆液，由泥浆泵、注浆管路将浆液注入待注浆钻孔内，注浆采用连续注浆方式。（2）浆液配比应遵循由稀到浓的原则，逐级改变，结束时又略变稀。（3）单孔注浆结束标准：注浆泵最低档泵量35L/min，注浆结束压力要大于区域静水压力的1.5倍，或根据注浆情况临时调整。

结束语

随着我国煤矿开采深度的不断增加，矿井煤岩瓦斯动力灾害日趋严重。防治煤与瓦斯突出灾害的关键在于瓦斯抽采，瓦斯抽采是防治瓦斯灾害的根本措施，是实现突出煤层安全高效开采的保证。封孔工艺及技术是保证瓦斯抽采效果的关键，国内众多学者对瓦斯预抽钻孔的封孔工艺及技术做了大量研究。

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