分析定向钻进技术在界沟煤矿井下探放水孔施工中的应用.pdf

煤炭新视界CHINA COAL VISION煤 矿 安 全分析定向钻进技术在界沟煤矿井下探放水孔施工中的应用段春雷，王正伟，马跃（安徽界沟矿业有限公司界沟煤矿，安徽 宿州 234000）摘 要：为解决煤矿井下探放水孔施工环节存在的开孔精度较低和施工距离受限的问题，规避由此引发的突水和涌水安全事故，确保钻进质量的提升和效能的优化，对定向钻进技术进行分析。首先介绍案例工程概况，梳理定向钻进质量的影响因素和方案设计细节，其次从施工准备阶段、精准对穿钻孔施工阶段、长距离探水孔施工阶段和小遇层角穿层定向施工阶段入手，归纳技术要点，最后对定向钻进技术在煤矿井下探放水施工中的应用效果进行分析。关键词：定向钻进技术；井下施工；探放水孔中图分类号：TD745文献标识码：A0引言在多种水害类型中，采空区积水和强含水层出水是最为常见的。传统模式下，在探放处理过程中，通常借助施工探放水孔来确保积水排出1。虽然这种方式在一定程度上能降低水害发生的概率，但是由于传统钻机施工无法控制孔内倾角、方位、钻孔深度等，在实际应用中仍然存在一定的局限性。因此，有必要引进新型定向钻进技术来优化、改进水害防范措施。1案例工程概况界 沟 煤 矿 井 田 面 积 为 13.6438km2，核 定 产 能 为140 万 t/a。矿井采用立井开采方式，主采煤层为 7、8、10 号煤层。其中，矿井东102 采区 10 号煤层大部分已经回采，形成了大面积积水的低洼点。现场勘探发现该区域积水量已经达到了 3 万 m3，威胁临近东（10）下采区煤层的安全开采，很容易引发水害事故。因此，决定采用长距离定向探放水孔施工，将采空区内的积水排出。此外，西一采区 71351 工作面的顶板砂岩富水性强，不均一，水压较高，需要进行超前探放，以确保巷道掘进和回采安全进行。2定向钻进质量影响因素钻进参数。主要包括钻压、转速、泵量等。在大倾角仰孔钻进工作中，钻压的影响尤为明显。钻压不仅需要满足常规钻头切削岩石的需求，还需要克服冲洗液自然升举力、钻杆自重等问题。只有结合钻孔孔深递增情况，对应调整钻压参数，才能确保钻进效果的优化2。开孔方向。开孔方向通常以设计剖面图资料为准。精确的开孔方向能够更好地保证探放水孔施工质量。组合钻具配置方式。组合钻具的融合能够极大地提升定向钻进在不同工程、不同地质条件中的适用性。在实践中，要做好钻孔测斜信息的采集更新工作，对应调整组合钻具方案。常见的组合钻具方案主要有钻孔上仰、钻孔保直、钻孔下斜等形式。3定向钻进施工方案设计综合工程实际情况和定向钻进质量影响因素分析结果，确定了系统化的施工技术方案（工艺流程见图 1）。在定向钻进施工开始前，需要严格控制开孔位置及孔口装置安装精度，根据探放水孔设计需求确定钻场位置。该施工钻场布置在场所东侧的地下运输巷道之中，标高为-700m，并系统检测巷道围岩情况，符合安全性、稳定性需求。然后将钻机搬运到指定位置，按照说明书对钻机进行调试检测，观察其是否运行正常，方位角、倾角等参数均要符合要求，使用钻机自带压车柱对钻机进行固定和校正。钻机固定完成后，组织开展孔口管的安装工作，使用150mm 硬质合金取芯钻头，在标记点钻进 15.5m，然后停钻封孔，孔口外部露出部分不大于 20cm。管体的密封性能务必达标，可以在四周塞入棉纱，搭配红胶泥提升密封性能，再用封孔泵注浆封闭。为保证探放水孔结构的稳定性，固结结束的 72h之后，还应进行扫孔操作，扫孔深度必须符合要求，以超 过 空 口 管 长 度 0.5m 为 宜。按 照 设 计 要 求 装 配 三28CHINA COAL VISION煤炭新视界煤 矿 安 全通、水压表、试验盘等，采用逐级升压法进行测试。该耐压测试共分为 4 个等级，初次加压 1MPa，稳压 5min观察是否出现渗漏水问题，然后每级递增加压 1MPa，直至达到设计值 4MPa，稳压 30min 并观察探放水孔孔口密封情况。如果试验孔洞通过耐压测试，则继续安装螺杆钻具进行定向钻进，否则需要重新开孔，避免出现孔洞坍塌等问题。在钻进环节，还需要实时测斜，确 保 钻 进 角 度 不 偏 离 设 计 轨 迹，直 至 钻 到 设 计深度。图 1 定向钻进施工流程示意图4定向钻进技术在煤矿井下探放水孔施工中的应用4.1 施工准备该工程采用山东中煤工矿物资集团有限公司生产的 ZYWL-6000DS 钻机，该钻机由主机、泵站、操纵台和履带车体四大部分组成，各部分之间用软管连接，结构紧凑，具有多项优点。首先，运输搬迁方便。设备的主机、泵站以及操纵台采用集成化布置方式，具有较强的爬坡能力（可达 25）和走行速度（1.5km/h），适用于运输条件较差的区域。其次，控制性能良好。设备具有较强的给进、起拔能力，能够有效降低卡钻事故。设备还配置了双泵系统，支持回转参数、给进参数的独立调节，灵活性更强。此外，设备还支持钻孔倾角的自动化调节，可调范围为 090，可适应各种复杂条件下的钻进需求。最后，通用性较强，设备采用液压驱动方式，液压元件均为进口、国产通用元件，维修保养更加便捷。同时，配置了 CQ-1A 型磁球定向测斜仪，能够对非磁性钻孔孔段进行测量，能将误差控制在1以内。选用保直钻进稳定组合钻具，配置63.5mm 外平钻杆、94mm 内凹式复合片钻头。4.2 精准对穿钻孔技术精准对穿钻孔技术主要应用于采空区积水疏放项目中，按照设计方案需要开设 5 个巷道精准定向对穿钻孔，并配置套管护壁结构以提升稳定性。施工前需要科学确定开孔方位，以靶点巷道掘进工作面中心点为基准，测量钻场开孔点的垂高和直线距离。以 3#-1孔为例（各探放水孔轨迹剖面图见图 2），经测量发现其高度参数应为 32m，向右侧偏出 22m，直线距离为167.8m。探放水孔施工过程中，主要穿越泥岩、细砂岩等岩层，地质结构相对稳定，面临的垮塌风险较小。确定钻孔位置后，还需要优化设计钻孔的孔深，按照设计孔深优化钻孔工序。以钻孔起点为基准，每次向下降低 1020m 打设一个钻孔，最终降低至设计标高，以确保施工安全性和可靠性。钻孔倾角在 1113之间，方位偏差在 13之间，这样可以有效避免串孔问题。每次开孔之后，均要进行严格的封孔打压试验，以免出现塌孔事故和风险。试验完成后，按照设计倾角持续、快速爬升，达到100m 后逐渐减小倾角，以达到水平对穿的效果。如果按照设计方案施工却未能达到对穿效果，可以左右调整方位角，使钻孔轨迹经过巷道侧帮穿出。钻机系统配备了高精度磁球测斜仪，实践环节要加强跟踪监测，通常情况下每 3m 测一次倾角、方位角以及工具面等参数，根据检测结果进行纠偏，以保障探放水孔能够顺利对穿。与巷道掘进施工相比，这种定向钻进施工 的 速 度 更 快、成 本 更 低，实 测 钻 孔 终 孔 排 水 量 达32m3/h。图 2 探放水孔轨迹剖面图4.3 长距离探水孔施工技术从物探结果来看，71351 工作面本身的环境条件比较复杂，含水层富水性较强，且水位恢复较为迅速，给井下生产工作带来了较大的威胁。因此，决定布置钻孔，利用定向钻进技术对含水层进行超前探放。在施工过程中，先使用120mm 钻头，搭配89mm 外平钻杆进行施工。钻进深度达到 50m 时，进入泥岩层段，此时提钻并更换钻头，扩大至 153mm，下入套管，注浆并进行耐压测试。设计压力为 3.5MPa，同样采29煤炭新视界CHINA COAL VISION煤 矿 安 全用逐级加压方式维持 30min，观察是否存在密封不严、渗水漏水等情况3。完成后回转扫孔至孔底，使用89mm、73mm 螺杆马达及随钻测量系统定向钻具组合定向钻进，缓慢调整倾角，以确保钻具顺利进入含水层。钻孔施工至 267m 时，现场出现了涌水增多情况，及时暂停施工。实测涌水量为 42m3/h，已达到超前探放目标。长距离定向探水孔施工效果和传统钻孔施工效果对比如图 3 所示。图 3 长距离定向探水孔与传统钻孔的对比4.4 小遇层角穿层定向施工技术软硬互层是煤矿井下探放水孔施工环节中经常遇到的地层类型。这类地层的稳定性较差，围压对于软层、硬层的膨胀变形约束效果不同，很可能引发互层岩体剪切破坏等情况。如果遇层角偏小，软硬岩层的弹性模量、峰值强度、内摩擦角都会发生改变，进而制约定向钻进施工的质量和效果。这是因为软层、硬层结构质地差异较大，钻头钻进时承受的反作用力也存在较大差异，钻进过程中很容易产生倾倒力矩，进而改变钻头设定方向，增加钻孔弯曲风险。通常来讲，钻孔弯曲方向、强度是有规律可循的，会随着遇层角大小、软硬层硬度差变化而变化3。当遇层角 20时，这种影响就会十分显著。钻压P作用于钻具和岩层时，会产生向下的滑动力Pcos，滑动力持续上升，并超过钻具和岩层的摩擦力f，进而导致钻具下滑，出现“顺层跑”的状况。在此次施工中，3#探放水孔会穿过一处较大的软硬互层区域，遇层角仅有 16，钻孔弯曲的风险较高。因此，在实践中需要进行专门的方案调整和优化。该工程采用了调低钻压、减小泵量的方法，以确保钻孔轨迹与设计方向一致。这种做法的原理较为简单，当定向钻钻压下降时，产生的向下滑动力Pcos 也会减小，钻具下滑强度会明显减弱。同时，调小泵量会导致岩煤粉颗粒出现堆积情况，其充斥于第一稳定器部分和钻头部分，回转过程中钻具受到的摩擦力上升，迫使钻具向右上方偏移，进而更加符合设定的钻进方位轨迹，有助于提高探放水孔施工质量4。5定向钻进技术在煤矿井下探放水孔施工中的应用效果有效距离长。传统组合钻具钻进环节，由于无法控制方位角，探放水孔施工精度很难保证，钻孔深度通常不能超过 200m。而定向钻机采用自动化作业方式，操作简单、定位精准，能够对深层隐伏构造进行超前探测，进而精确揭露各种地质构造，有效长度可以达到 200m 以上，非常适用于采空区、富水含水层的超长探放水孔施工工程。施工安全性高。井下运输条件差，存在上下坡，传统模式下依靠人力进行设备的安装和钻孔工作的推进，很容易埋下安全隐患5。施工期间每层、围岩结构受到扰动，还可能出现各种孔内事故。而此次使用的 ZYWL-6000DS 钻机自身爬坡能力极强，行走速度快，搭配凹槽通缆钻杆，能够有效提升自动化水平和排渣能力，有助于降低事故的概率，提升施工安全性。精准命中靶点。定向钻进技术使用了自动化随钻测量系统，靶点定位精度较高。钻探过程中，依托定向钻进技术打设探放水孔，实现了采空区积水和强含 水 层 超 前 探 放 目 标，单 孔 出 水 达 到 了 32m3/h 和42m3/h，能够为煤矿井下生产工作带来良好的经济、社会效益。6结语综上所述，定向钻进技术具有先进、高效的优势特征，应用于煤矿井下探放水孔施工，能够显著提升方位角控制能力，确保施工精度和质量，实践中务必对其给予充分重视。要结合现场水文地质条件科学确定钻机的技术参数，选择适宜的组合钻具，对应调整开孔方位、开孔角度。同时，明确精准对穿钻孔技术、长距离探水孔施工技术差别，深入把握软硬互穿层地质特征，为煤矿井下施工的顺利推进奠定坚实基础。参考文献：1武建.矿井探放水钻孔精确定向技术应用实践研究J.山西化工，2022（7）：93-95.2高晓岗.定向钻机在远距离探放水施工过程的应用研究J.煤炭与化工，2022（10）：50-52.3殷自强.煤矿地质防治水中定向钻技术的应用J.矿业装备，2022（5）：64-65.4杨星.定向钻机在井下探放水中的应用J.内蒙古煤炭经济，2022（17）：163-165.5邢佳佳.定向钻探技术在煤矿探放水施工中的应用J.机械管理开发，2022（9）：238-239+242.作者简介：段春雷（1988-），男，汉族，安徽亳州人，本科，工程师，从事煤矿地质、防治水工作。责任编辑：宋潇潇30