定向钻探技术在煤矿防治水中的应用.pdf

2023.7 矿业装备/1550 引言我国煤矿储量丰富，受地势结构和环境等因素的影响，煤矿开采工作难度较高。探放水施工是推进矿井水防治工作和进行煤矿挖掘开采工作前必不可少的环节，直接影响后期各项开采作业的顺利开展。探放水施工过程需要对挖掘区域的岩层结构、构造水、采空区积水和老窑水等各种可能造成水害的因素进行考察和监控，以便影响矿井挖掘的进程。矿井水的防治工作一直深受煤矿开采行业的关注，如何在降低水害事故风险的同时，提高煤矿开采作业的效率和保障开采工人的人身安全，一直煤矿开采行业不断思索和亟需解决的难题。随着定向钻探技术的出现，其精准性、全面性和安全稳定性深受各煤矿开采行业的青睐。定向钻探技术从岩层机构、钻井技术、排水、工人安全等多个方面进行了综合考量，不仅有助于提高钻井挖掘效率，还能充分保障施工人员的人身安全。因此，把定向钻探技术用于煤矿防治水和钻井挖掘施工，将实地数据总结分析，对煤矿开采具有十分重要的意义。1 煤矿水害原因分析1.1 煤矿开采区积水水害虽然中国煤矿开采行业发展历史久远，但是矿井挖掘开采技术比较落后，因而在矿井内常常出现范围较大且深的采空区。当矿井岩层富水性较强时，就会导致积水进入采空区，如若积水大量在采空区沉积，将可能导致煤矿事故的发生。已有数据统计表明，煤矿开采区积水造成水害的事故发生频率较高，这不仅危害煤矿工作的开展，还可能影响周边的地质条件，甚至危害工人和周边居民的安全。1.2 煤矿顶板或陷落柱水害煤矿开采的工作场所多在地下，矿井内岩层结构复杂，顶板在维持采矿空间的稳定完整性和隔绝外界岩层方面发挥着重要作用。但对于地下水的渗透，顶板存在一定局限。顶板触及岩层造成水害与煤矿周边地质条件和岩层结构有着直接的联系，在顶板和富水岩层接触的部位，地下水长期渗透，将可能导致顶板发生断裂，这对煤矿开采工作和工人安全构成巨大的威胁。对于结构脆弱的石灰岩，受到较大压力冲击时，其内部结构容易发生断裂，并容易造成支撑矿井的岩石损坏，地下水灌注的风险也随之而来。因此，在开采煤矿时，需要提前对煤矿周边岩层结构进行仔细考察，观察是否存在暗渠，并测定其地质含水量和岩层的富水性，以避免矿井挖掘和煤矿开采过程中因误碰含水量较高的岩层而发生水害，影响煤矿开采进程、设备运行安全和工人的人身安全。定向钻探技术在煤矿防治水中的应用郭江鹏（山西省长治经坊煤业有限公司，山西长治 047100）摘要：水害问题严重阻碍着煤矿开采工作的顺利进行，先进科学的钻探技术对煤矿防治水施工具有重要意义。分析煤矿开采造成水害的原因，将定向钻探技术用于煤矿钻井挖掘和防治水施工中，并实地考察和研究其实际运用情况，结果显示定向钻探技术对提高钻井挖掘效率、缩短挖掘周期、保障施工安全稳定性等方面具有较高的实用价值。关键词：煤矿；水害；定向钻探技术156/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备2 煤矿防治水用定向钻探技术分类定向钻探技术主要采用千米钻机实施探放水钻孔，具有精准度高和探测距离长等优点，此技术在煤矿开采过程中具有广泛的运用。在定向钻井过程中，随钻的测量系统可对钻孔轨迹和方位角等进行监测和调整，以便于钻头按照指定方向施工，顺利到达积水区完成精准放水。定向钻探需要多种技术相互配合，包括煤层孔螺旋钻杆钻井技术、大口径直排水井钻井技术、井下探访水钻探技术和松软层根管钻井技术等，下面分别介绍各项技术。第一，煤层孔螺旋钻杆钻井技术，主要用于地质松软和煤层复杂的煤矿开采工作，因为地质松软的煤矿意味着粘度大、强度低和成孔难度高，钻头因此难以进入到深层，过度钻孔甚至可能造成煤层断裂和塌方事故。而煤层孔螺旋钻杆钻井技术可有效避免质地松软的碎屑堵住钻孔，对保证钻井效率和安全稳定性都具有较高的优势。按照规定要求，矿井井管内径一般为 400550mm，这对钻井施工是一大限制。第二，大口径直排水井钻井技术。在对钻进、气动潜孔井等影响因素进行大量研究调查和实地考察后，对原有钻井技术进行了优化改良，提出了该技术。当前此技术运用广泛，具有高效、安全和稳定等优点。第三，井下探访水钻探技术，需要定向钻探技术共同参与，以精确定位含水层的位置，促使钻孔对准目标方向，便于抽取和探访地下水，降低矿井岩层的含水量。井下探访水钻探技术的实用价值高，但对地质条件、设备技术和实际操作等都具有较高要求，任何一方面出现差错，都可能影响钻孔的精确度。第四，松软层根管钻井技术，主要用于结构复杂多变的岩层，岩层组成不同，硬度也随之不同，从浅层表面钻井至松软层，开孔难度大，操作不当甚至会引起地下水渗漏。因此，在钻井过程中，需堵塞各放水孔，在高强度钻头和岩心管相互配合下钻井至更深的岩层。如若在深层钻井阶段遇到松软层土质，为了避免松软土质引起钻孔堵塞，需要插入孔径更大的管道和直径大于钻头的岩心管。一旦钻进松软层，迅速将岩心管拉起，然后借助根管的外扩压力让钻头快速通过松软层1。3 煤矿防治水中定向钻探技术的应用3.1 钻探工作面探测和准备工作为了钻探施工的顺利开展，必须根据规定和要求落实各项准备工作。以 8102 综采工作面为试验对象，对煤矿岩层结构等进行实地考察，工作面坑透回风和进风顺槽深测长度分别为 490m 和 485m。采用电法探测对工作面进行考察，发现 4 个局部低阻异常区，标记为 DZ1、DZ2、DZ3 和 DZ4。其中，DZ1和 DZ4 深度较深，具有一定富水性，DZ2 和 DZ3 较浅，富水性较弱，对开采工作影响较小。在回风顺槽和切眼交口位置发现一陷落柱，但未发现明显富水性，对后期工作是否产生影响无法下结论。根据岩石吸收系数 CT 成像结果分析，工作面存在5 个透射异常区域，标记为 CT1、CT2、CT3、CT4 和 CT5。CT1 因陷落柱使得电磁波衰减，CT2 由铁器或隐伏断层地质结构造成，CT3 和 CT4 与断层地质和岩体破碎造成，CT5 可能存在隐伏断层地质结构。根据考察记录结果，对整个钻探石洞制定了合理的计划方案。此后依据钻探施工计划对工作人员进行了合理分配，并采取了相应的技术培训，同时针对技术工作人员制定了相应的规范要求。此外，对机械设备进行了合理安排，并对各设备结构零件进行了大范围的检查维修，避免因设备故障影响施工计划。3.2 防治水定向钻探施工方案3.2.1 第一步钻探施工方案第一步是针对陷落柱和岩层结构，探查技术路线，并制定注浆加固技术方案。对于陷落柱需科学分析和布控，煤层底板初步设计控深为 70m，顶板为 30m，终孔间距 1015m，陷落柱边缘和周边松动释放外应力影响范围圈预设为 1015m。在对底板进行注浆加固综合治理时，需严格按照封孔要求进行操作。为了预防因陷落柱造成水害事故，对于钻探施工涉及的各项参数，尽可能详细规范，及时更新2。3.2.2 第二步钻探施工方案第二步是布置钻场，确定施工技术，充分分析数据资料，合理调整和确定每一孔的施工参数。钻场相对陷落柱的距离保持在 20m 以下，开展回风顺槽钻场施工时，在钻孔低洼 2m 以外的位置开展循环水泵坑施工，沿着煤墙方向，保持与离煤墙距离约 0.5m。孔口安装布置测压系统，主要包括分水阀、压力表和注水测压阀等，孔口压力稳压时间大于 30min，压力设置一般比预测压力大 2 至 3 倍。在钻井过程中需时刻关注岩层是否出现漏水现象，检验合格之后才能继续钻探。2023.7 矿业装备/157一开孔的孔径大小为 115mm，深度 020m。一级套管直径为 108mm，长度 1020m。二开孔的孔径为 85mm，深度直到终孔。深入一级套管管径为 108mm，直到孔底。3.2.3 注意事项钻孔施工工艺过程需要注意的点：第一，一级套管灌注水泥或玻璃材料凝固一段时间达到要求后，再进一步扫孔至到孔底，在深入 0.51.0m后，做耐压试验。第二，固管压力达到要求后换成管径为 85mm 的套管继续深入钻进，到达孔层位时，开始注入水泥浆。第三，底板注浆压力为水压的 2 至 3 倍，为 4.838.74MPa，注浆时间至少维持30min才关阀停止注浆。第四，注浆前确保通道正常，先注入稀释程度大的水泥浆，再慢慢增大水泥浆的稠度，注浆快结束的时候降低稠度。整个注浆过程水泥浆的浆液比例变化为 1.10、1.15、1.35、1.4、1.35、1.10。3.3 防止水定向钻探结果分析整个钻探施工有 58 个钻孔，勘测统计结果显示有35 个钻孔出现了渗透漏水的现象，其中 34 个检测压力为 1.41.6MPa。9-2、6-5、7-2 和 2-3 四个钻孔的压力均为 1.4MPa，涌水量分别为 2m3/h、0.5m3/h、0.2m3/h和 6m3/h；1-2、18-3 和 17-4 三个钻孔的压力为 1.55MPa，涌水量分别为 3m3/h、3m3/h 和 12m3/h。水泥浆凝固后对 12-3 钻孔进行施工，水压为 2.6MPa。深入钻探有 2个钻孔，在加固此陷落柱中间排空区时，两孔水压为1.6MPa，涌水量分别为 0.5m3/h 和 0.1m3/h，注水压力测试结果表明水压对注浆扩散没有明显影响，符合整体质量要求。钻孔水量的自然给量和时变反应差对钻孔没有明显的潜在威胁。施工过程中一边施工一边注意监测涌水量，35 个出现渗透水钻孔的涌水量为 0.241m3/h，底部两个钻孔涌水量最小，11-3 钻孔的涌水量最大，为 41.42m3/h。大多数钻孔的涌水量在 0.55.0m3/h 范围内。钻探过程中一个钻孔的疏防不影响其它钻孔施工，表明涌水量可能受疏放空隙和补给源等因素的影响，属于一个动态变化过程。如果钻孔间裂隙通道相互连通，表明岩层铰结性较差，具有潜在突发性渗水的风险。在进行注浆施工过程中，注浆压力可保持稳定在 10MPa。注浆钻孔见串通不明显，基于水泥浆的扩散特性，在较高注浆压力下，水泥浆的高胶结密度可以提高防水效果。相比以前探放水钻井技术，定向钻探技术使得整个钻井施工效率得到了明显的提升。钻井、探放水和巷道挖掘相互配合，各个环节施工速率大幅度提高，整个施工周期明显缩短。传统钻探技术每向前钻进 80m 需要采取一次探放水施工，整个过程平均需要花费 1.5d 时间。并且每月至少需要探放水施工 2 次，这对钻探技术施工进程是严重的阻力。而定向钻探技术施工每月则只需要进行探放水施工1 次，对巷道挖掘进程影响小。对钻井挖掘的速度统计分析结果显示，采用定向钻探技术，钻井挖掘速度提高至 9.8m/d。4 结束语煤矿开采行业不断发展，水害事故发生频率不断上升，不仅严重影响了煤矿开采工作的顺利开展，还严重威胁到了施工人员的人身安全，因此采取有效措施降低水害事故发生的概率，极大地有利于整个煤矿的开采。定向钻探技术综合考量了煤矿周边地质条件、岩层结构、岩层含水量、钻井技术、防治水施工和工人安全等多方面的问题，在施工过程中注重监测岩层含水量，针对不同含水量的岩层和钻井深度，定向钻探采用钻井过程中变化套管直径、注重注浆浆液的比例的技术，力求降低顶板和底板发生渗透水的风险，为施工工人创造安全稳定的作业环境。在 8102 工作面的实际应用结果显示，定向钻探技术有助于提高钻井挖掘施工的效率，缩短施工周期，可大范围用于煤矿开采的防治水和钻井挖掘施工过程中。参考文献1 马鹏程.定向钻探技术在煤矿防治水中应用 J.煤矿现代化,2021(1):42-44.2 范天升.定向钻探技术在煤矿防治水中的应用分析 J.当代化工研究,2021(13):68-69.