复杂构造下小窑破坏区远距离精准探测技术及应用

郭启琛

(山西焦煤集团公司 西山煤电西曲矿, 山西 古交 030200)

近年来,全国煤矿水害事故发生的数量虽明显减少,但仍时有发生,这其中又以老空水害事故居多。2019—2021年,全国煤矿发生各类水害事故(含涉险事故)27起,其中因小窑老空透水造成的水害事故占33%[1]. 与其他类型水源不同,小窑老空水因其孤立、分散、隐蔽性强、瞬时水量大等特点一直是水害防治当中的难点[2]. 目前对于小窑老空水的防治主要手段是“探”[3]. 李晓龙等提出采用定向长钻孔“大落差、远距离、高精度”截引老空水,并利用下斜-上仰型定向钻孔成功中靶,确保了主运巷的安全掘进[4]. 方俊等将随钻测量定向钻进与常规回转钻进技术结合,实现了采空区积水的精确探查和疏放[5]. 朱先龙等将定向钻孔设计成U型实现了远距离疏放大矿采空区积水,避免了巷道揭露钻孔时突水的风险[6]. 但目前对于小窑老空水的探测仍存在较大缺陷,由于区域工程地质条件的不同,小窑空巷本身复杂、基本无规律,常规的物探手段存在一定误差,而地面钻探只能探测某一点,无法反映区域小窑破坏的真实情况。井下常规钻探受限于钻距短、误差大等因素的影响,探放水工作量大而探测范围小,并且安全隐患较高。因此,利用远距离定向钻进技术解决探放小窑老空水难度高、隐患大的问题,成为小窑老空水防治的新方向。

1 研究区概况

西曲井田位于太原西山煤田北缘,井田面积31.007 2 km2,地层自老到新出露的有石炭系上统太原组,二叠系下统山西组、下石盒子组,上统上石盒子组及新近系、第四系,矿区目前主采8号煤,属太原组。其中,南六盘区位于井田西南部,8号煤层平均埋深150 m,厚度2.50～4.50 m,平均3.50 m,且由东向西存在变薄现象。同时南六盘区位于井田构造发育带附近,盘区地质条件较为复杂,初步预计盘区内至少存在落差大于5 m的断层8条,陷落柱17个,直径在10～100 m.

南六盘区南部小煤矿在关闭之前曾对8号煤局部采用以掘代采的方式进行了破坏,但空巷资料并不精确。初步预计破坏区距离矿井现有生产系统约500 m,破坏面积达5 800 m2(图1). 由于小窑破坏区分散、孤立和隐蔽的特点,空巷内积水积气的情况均不清楚,所以对小窑破坏区进行精确探测是盘区下一步开发治理的首要工作。

图1 南六盘区四邻关系示意图

2 小窑破坏区探测方案

井下常规钻探技术钻进距离最远在200 m左右,钻探工程量大且精度低,对小窑破坏区的控制非常有限[7]. 因此利用定向钻机定向精度高、钻孔轨迹可随钻调控、钻孔深度大的特点[8],以定向长孔“线”性探查代替短孔“点”状探查。

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南六盘区8号煤小窑破坏区的资料信息极少,只有大致的范围和推断的煤层标高,且附近只有1处可参考的地质钻孔S9. 可以确定的是破坏区肯定存在于8号煤层内,因此要确保探测质量,基本的探测思路是必须将定向钻孔控制在倾角多变、地质构造复杂、厚度约3.5 m的煤层内,并充分利用盘区内的地质钻孔、钻进期间的反水、钻进速度、钻进压力等数据来分析钻孔当前层位,从而达到准确圈定8#煤小窑破坏区破坏范围的目的,同时实现盘区整体煤层的起伏情况和地质构造精细化勘探的目标。

2.1 钻场位置确定

南六盘区煤层向南倾斜,因此沿煤层钻进的顺层钻孔为负角度钻孔。将钻孔控制在8#煤层内,提升钻孔见煤比例,最合适的开孔层位是在8#煤层上开孔,可以节省钻孔找煤的进尺,也减轻了钻杆弯曲强度,能够增加单孔进尺,使得钻探成果效益最大化。

盘区外围系统巷道距离8号煤层位20～30 m,因此施工南翼地质补勘探巷作为1#钻场,钻场层位为8#煤,且为下一步工作面顺槽掘进位置。该次钻探采用ZDY6000LD(C)型煤矿用履带式全液压坑道钻机。

2.2 钻孔设计方案

由于小窑破坏区分散、孤立、规律不明显,单一的长距离钻孔探测精度显然不足,因此以钻场为圆心,定向钻孔呈扇形布置,从而达到破坏区“面状区域探测”的目的。针对南六8#煤小窑破坏区的探测,在综合考虑设备性能的情况下,还应兼顾以下原则:1) 以破坏区附近的S9地质勘探孔8#煤标高为定向钻进靶点,控制钻孔在煤层内。2) 若探通一处空巷,立刻以该探通点为圆心进行环绕探测,达到圈定小窑破坏区的目的。3) 对钻孔见岩情况进行实时分析,顶底板、断层、陷落柱见岩要分别采取不同的钻进方案,提升钻孔见煤比例。

刊载于《新青年》第6卷第6号(1919年11月)的《我们现在怎样做父亲》，表达出鲁迅五四高潮之际对父子关系的思索，向来为人们所关注。实际上，鲁迅这方面的思考并不限于此篇杂文，从五四前后直至晚年，在其杂文、散文、散文诗、小说、诗歌、书信、日记及翻译作品里，都能看到他对这一问题的深邃思索与真情流露。本文对此试做梳理与分析。

实际施工期间,研究区内南六1#定向钻场累计施工探放水孔主孔5个,分支钻孔13个,总进尺5 819 m,钻孔在非构造区域见煤率普遍能够达到70%以上。其中,1-2#孔、2-2#孔和2-2-1#孔分别在513 m、510 m和541 m处探通了8#煤小窑空巷;1-2#孔探通时水量13 m3/h,2-2#孔探通时水量5 m3/h,两孔提钻后合计水量最大为37 m3/h,截止2023年1月已排放小窑老空水4.36万m3,圈定盘区内小窑破坏范围在距离钻场510 m的范围之外,与前期调查收集的小窑资料基本吻合,资料可信度高。并据此重新圈定了受小窑老空影响的范围、老空水“三线”位置及空巷内预计积水量(图7).

图2 南六盘区小窑破坏区探测方案设计图

3 顺层钻进技术

3.1 钻进工艺

小窑破坏区定向钻孔综合采用螺旋钻杆回转钻进和螺杆马达随钻测量定向钻进多种方法耦合的钻进工艺[5]. 施工采用“开孔→固管→钻进→测量→钻进→测量→完孔”的工艺流程[9],见图3.

图3 定向钻孔施工工艺流程图

开孔套管段先采用回转钻进的方式施工先导,然后更换扩孔钻头扩孔钻进至孔底,扫孔冲孔后下入套管并固管注浆,在套管试压合格后再使用螺杆马达随钻测量定向钻进工艺沿煤层完成剩余段施工。

当钻孔长距离见岩且反水显示岩性有急剧变化时,则为陷落柱所致,此时钻孔轨迹遵循小型陷落柱(≤25 m)“直接通过”,大型陷落柱(>25 m)“避绕”的原则。

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3.2 套管段钻进技术

钻场处标高为+975 m,结合小窑破坏区范围,预计老空水水压最大为0.1 MPa,根据《煤矿防治水细则》的要求,煤层中钻进套管段长度取10 m. 套管段钻孔以φ153 mm开孔钻进11 m,由于孔径大易偏斜,因此前11 m钻进期间要保证开孔倾角和方位尽量与设计值一致,不能超过允许值;采用清水介质成孔工艺,钻进时选取低钻压、小扭矩的钻进参数,利用大直径螺旋钻杆保直和排粉,实现慢速稳定保直钻进,以便于套管的下入[4];套管下入后将孔口封闭,并固定好,管内预埋用以注浆时排出空气的小管;在注浆结束凝固48 h后扫孔,并注水做耐压试验,试验压力不得小于1.5 MPa,符合要求后方可继续进行钻探。

3.3 顺煤层段钻进技术

近年来，环境问题日益受到世界各国的重视，煤炭在为我国经济社会持续平稳发展提供能源保障的同时，其带来的资源、环境、生态和安全问题也越来越突出。所以，在煤炭从开发到利用全过程中，减少污染排放、提高利用效率成为必然趋势。2017联合国组织的能源会议上，参与会议国家和企业承诺，要发展CCUS。CCUS（Carbon Capture，Utilization and Storage）碳捕获、利用与封存是应对全球气候变化的关键技术之一，即把生产过程中排放的二氧化碳进行提纯，继而投入到新的生产过程中，可以循环再利用。在对于煤炭行业来说，积极推广该技术，从长远看，有较高的社会效益和综合经济利益。

利用定向钻机定向精度高、钻孔轨迹可控、钻孔深度大的特点,以 “点”代“线”,又以“线”结“面”,实现了对南六盘区大范围、广区域小窑破坏区的探查,同时也结合构造探测成果,对南六盘区采掘工程平面图进行了更新,为盘区下组煤设计提供了准确的水文地质基础资料,实现了在构造复杂区域小窑破坏区的准确圈定和地质构造精细化探测。

丁小慧才不相信许诺是那种人，她是认识许诺的。当初，许诺开着一个小加工厂，想跟丁小慧的爸爸谈合作，承包一个金属零件的制作。可是，他的技术水平有限，做出来的零件并不符合规范，丁爸爸一口回绝了他。许诺很固执，一次又一次拿着新样品上门，每次都比上次更好一点。最后那次，丁小慧看他满脸失望地下了楼，楼下一个模特般的女孩在等他，他克制着自己的失落，努力冲她笑。

1) 见岩为煤层顶、底板时。

8号煤平均厚度约3.50 m,顶板为2.40 m的石灰岩,底板为4.70 m的细粒砂岩,顶底板厚度稳定,硬度相差大且反水特征明显易判断,因此见岩为顶板或底板较易区分(表1).

表1 8#煤顶底板岩性钻进特征表

首先根据地质勘探钻孔推测的等高线对钻孔施工倾角进行合理设计,然后开孔进行钻进。顺煤层施工期间遵循 “主动见顶-开分支-主动见底-再开分支…”的钻进方法,结合区域煤层倾角,沿煤层施工要每隔一段孔深(一般为60～120 m)主动探顶或探底,在遇到顶底板后主动提钻开分支(一般提钻18～27 m),并结合更新预测的煤层倾角对钻孔轨迹进行微调,见顶向下,见底向上,进一步主动探顶或底,使钻孔在煤层中呈波浪线式前进(图4),同时结合见顶或见底的标高计算煤层厚度及倾角等参数,进一步完善盘区8#煤底板等值线,对单孔设计轨迹进行动态更新,提升钻孔见煤长度。

图4 钻孔见煤层顶底板后施工示意图

2) 见岩为断层时。

当钻孔长距离见岩(超过20 m)时,要立刻判断是否遇到断层或者陷落柱,若反水岩性无急剧变化,则可判断为断层导致煤层错断,此时钻孔轨迹遵循“大角度调整”的策略。

将钻孔控制在煤层内施工主要存在两个难点:煤层厚度2.50 m～4.50 m,平均3.50 m,且倾角多变,钻孔施工中极易见顶或见底,导致在岩层中钻进而错过揭露小窑空巷;施工区域内断层、陷落柱发育,进一步对钻孔顺煤层钻进造成干扰。

要结合盘区地表地质调查结果、原始地质资料、周边生产巷道尽可能地对盘区地质构造进行细化预测,然后根据钻进距离、钻孔见岩情况推测断层性质、煤层错断方向及断层落差等参数,同时立刻调整钻孔倾角追煤,在见煤后重新将钻孔角度调整为煤层倾角施工,根据前后两次见煤点的标高推算断层落差(图5).

图5 钻孔见断层后施工示意图

3) 见岩为陷落柱时。

化学作为一门传统的理工类学科，其实验复杂繁多，在进行实验教学中也很容易产生许多问题，导致教学效率缓慢.但是在高中化学实验教学中应用信息化技术可以极大地避免一些问题的发生，从而提高课堂的教学效率.在高中化学实验教学课堂中引入信息化技术的必要性具体表现在以下几个方面.

结合各个钻孔见煤岩情况,分析1-1#、2#、2-1#和2-2-1#孔分别在598 m、413 m、328 m和518 m处探到F41断层,并利用2-1#孔见煤标高对断层落差进行了探测,分析断层落差约为8 m. 此外,利用其余钻孔见岩数据对预测地质构造进行验证分析,如3-2#孔在225～255 m段、4-1#孔在396～425 m段反水岩性变化明显,并快慢交替有卡钻现象,可以判定为陷落柱。此次定向勘探共计探测到落差3 m以下断层5条,落差3～10 m断层4条,陷落柱6个,钻孔基础数据见表2.

某高速公路大修改扩建工程，全长68.4km，本项目沿线地形为山岭重丘，相对高差为10～40m，地质情况从起点到终点有燕山期花岗岩、白垩系砾岩，部分河流地段有冲积粉质黏土、粉土等。

4 探测成果及分析

4.1 探测成果

结合勘探区域预测的破坏区范围和地质构造情况,探测共设计主钻孔5个,分支钻孔5个,见图2.

图7 南六盘区小窑破坏区探测成果示意图

要结合前期预测陷落柱的位置、大小进行推算:若陷落柱直径大于25 m,则提钻选择在煤层内重开分支孔,避绕该陷落柱;若不是前期推测得到的陷落柱或预测陷落柱直径不超过25 m时,则按照煤层倾角直接穿过陷落柱,在反水稳定后找到煤层继续钻进(图6).

表2 1#钻场所有钻孔基础数据表

4.2 成果分析

针对以上两个难点,提出顺煤层定向钻孔“浅波浪线顺层钻进技术”: 即钻孔轨迹顺煤层施工时采取“主动见顶-开分支-主动见底-再开分支…”的钻进方式,使得轨迹在煤层中呈类似波浪线的形态,直到终孔探通煤层中的小窑空巷为止。结合盘区探测期间可能遇到的地质构造,该次探测对施工中见岩的3种情况分别制定了不同的钻进方案:

1-2#孔和2-2#孔两孔提钻后合计水量最大为37 m3/h,结合探通处煤层标高及钻场处实测标高,预计破坏区内积水标高至少在+976 m以上,因此空巷内仍存有积水约5.0万m3;同时围绕探通点沿煤层环绕探测,并对终孔位置精确定位,切实达到小窑破坏区“查全、探情”的目的,为下一步“放净、验准”治理工作和盘区工作面设计等问题提供了基础资料。

4.3 经济效益对比

相比以往在探测小窑破坏区时的方法及工作量,定向钻机的使用极大地减少了超前探循环次数和钻孔数量,投入成本降低,节省了大量人力、物力、财力,真正做到了“一优三减”。定向钻孔以破坏区附近S9#钻孔8#煤的底板标高为定向钻进靶点,将钻孔基本控制在煤层内,钻孔在非构造区域见煤率普遍能够达到70%以上,实现了在构造复杂区域小窑破坏区的准确探测,缩短工作面的准备时间、探放水工作量,降低了人力资源成本,保证了矿井安全生产;同时间接对盘区范围内较大地质构造分布情况进行了验证,提升了矿井地质工作的效率。

根据矿井以往探地质构造孔和探放水孔的施工经验以及成本,结合南六盘区地质构造探测成果,初步预计实际施工中平均每月需要3天时间探测地质构造,需要施工孔深约50 m的探构造孔至少12个,钻孔施工成本约为80元/m,则一年至少可节约57.6万元的钻探成本;同时定向钻已累计排放小窑老空水4.36万m3,实际施工中,按照单孔涌水量40 m3/h计算,每日排水960 m3,至少需要施工46个超过60 m的探小窑钻孔方能疏放完4.36万m3水,因此定向钻孔远距离疏放小窑老空水后,累计可减少施工普通探放水孔2 760 m,按照探放水孔施工成本约为100元/m,可节约施工成本27.6万元;节约施工班次至少60个,约240人,按照200元/人计算,可节约人力成本4.8万元;同时,可减少钻杆磨损、钻机维护、材料损耗费约40万元,排水泵的更换、维护等投入约30万元,合计可以节约至少160万元/年的费用。

5 结 论

1) 将破坏区附近地质勘探孔作为靶点控制钻孔轨迹在煤层内,并以钻场为圆心扇形布置定向钻孔的方案对小窑破坏区的探测成效明显。该次探测查清了盘区内小窑破坏范围在距离钻场510 m的范围之外,与前期调查收集的小窑资料基本吻合,资料可信度高,实现了破坏区探测由 “线形单一探测”向 “面状区域探测”的转变。

2) 提出顺煤层定向钻孔“浅波浪线顺层钻进技术”,使得钻孔能够很好地适应煤层变薄、断层、陷落柱等复杂地质条件下的钻孔轨迹顺煤层控制,利用8#煤顶底板明显的钻进特征区别,遵循遇断层“大角度调整”,遇陷落柱“直接穿过”或“拐弯避绕”,顺煤层施工“主动见顶-开分支-主动见底-再开分支…”的原则,最终钻孔在非构造区域见煤率普遍达到70%以上,进一步验证了盘区范围内较大地质构造,为下一步的生产设计提供了准确的基础资料。

TIO的致病肿瘤大多数为良性肿瘤，来源于间叶组织，最常见的病理类型为磷酸盐尿性间叶组织肿瘤，其他还包括神经纤维瘤、血管外皮细胞瘤、腱鞘巨细胞瘤、前列腺癌、霍奇金淋巴瘤、多骨型骨纤维异常增殖综合征等[6-9]。本研究35例TIO肿瘤病理证实为磷酸盐尿性间叶组织，2例未行免疫组织化学染色，病理为梭形细胞瘤，但是磷酸盐尿性间叶组织肿瘤形体学上主要是由弥漫或成束排列的梭形或星芒状细胞组成[10]，所以形态学上符合磷酸盐尿性间叶组织肿瘤的特征。

3) 通过对探通处标高进行精确定位,结合钻场处实测标高,预计破坏区内仍存有积水约5.0万m3;在减少探放水工作量,降低人力资源成本的同时,也对下一步老空水“放净、验准”治理提供了依据,对矿井安全高效生产具有重要的意义。