淮南矿区顶板复杂地层中高位定向钻孔钻进工艺研究

　第４６卷第１１期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４６　Ｎｏ􀆰１１　　２０１８年１１月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｎｏｖ.２０１８　淮南矿区顶板复杂地层中高位定向钻孔钻进工艺研究　　　王　鲜ꎬ许　超ꎬ李泉新ꎬ董昌乐(中煤科工集团西安研究院有限公司ꎬ陕西西安　７１００７７)摘　要:基于顶板高位定向钻孔抽采瓦斯原理及现有施工技术ꎬ针对淮南矿区顶板复杂地层中高位定向钻孔难以有效成孔的问题ꎬ提出了采用高压注浆加固地层、扩孔技术疏通钻孔和大倾角快速穿越破碎层段相结合的成孔技术措施ꎬ首次在淮南矿区成功施工了３个孔深５１０ｍ、孔径１５３ｍｍ的顶板高位大直径定向钻孔ꎬ形成了适用于淮南矿区顶板复杂地层的高位大直径定向钻孔成孔工艺技术ꎬ为该类条件矿区工作面瓦斯治理提供了新技术途径ꎮ同时针对施工中需频繁起钻扩孔、硬岩中钻进效率低、常规打捞钻具在大直径钻孔中打捞准确度低和下管护孔难度大等问题ꎬ提出解决方案ꎬ为后续研究提供思路和方向ꎮ关键词:淮南矿区ꎻ顶板复杂地层ꎻ高位定向钻孔ꎻ成孔工艺中图分类号:ＴＤ４１　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)１１－０１４５－０６Ｓｔｕｄｙｏｎｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｏｒｅｈｏｌｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｃｏｍｐｌｅｘｒｏｏｆｓｔｒａｔｕｍｏｆＨｕａｉｎａｎＭｉｎｉｎｇＡｒｅａＷＡＮＧＸｉａｎꎬＸＵＣｈａｏꎬＬＩＱｕａｎｘｉｎꎬＤＯＮＧＣｈａｎｇｌｅ(Ｘｉ’ａｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＣｈｉｎａＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐꎬＸｉ’ａｎ　７１００７７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｅｘｉｓｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｂｙｈｉｇｈｌｅｖｅｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｏｒｅｈｏｌｅꎬａｎｄｗｉｔｈｒｅｇａｒｄｔｏｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｏｒｅｈｏｌｅｗｈｉｃｈｗａｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｂｅｒｅａｌｉｚｅｄｉｎｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｒｏｏｆｓｔｒａｔａｏｆＨｕａｉｎａｎＭｉｎｉｎｇＡｒｅａꎬｔｈｅｐｏｒｅｆｏｒｍｉｎｇｔｅｃｈｎｉｃａｌｍｅａｓ￣ｕｒｅｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｓｔｒａｔａｂｙｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｇｒｏｕｔｉｎｇꎬｄｒｅｄｇｅｄｒｉｌｌｉｎｇｂｙｒｅａｍｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｒａｐｉｄｃｒｏｓｓｉｎｇｂｒｏｋｅｎｌａｙｅｒｂｙｌａｒｇｅａｎｇｌｅｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ.Ｔｈｒｅｅｒｏｏｆｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｏｒｅｈｏｌｅｓｗｉｔｈ５１０ｍｄｅｐｔｈａｎｄ１５３ｍｍｂｏｒｅｄｉａｍｅｔｅｒｗｅｒｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｃ￣ｔｕａｌｉｚｅｄｆｏｒｔｈｅｆｉｒｓｔｔｉｍｅｉｎｔｈｅＨｕａｉｎａｎＭｉｎｉｎｇＡｒｅａ.Ｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｏｒｅｈｏｌｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｗｈｉｃｈｗａｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｃｏｍｐｌｅｘｒｏｏｆｓｔｒａｔａｉｎＨｕａｉｎａｎＭｉｎｅＡｒｅａｗａｓｆｏｒｍｅｄ.Ｔｈｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐｒｏｖｉｄｅｄａｎｅｗｔｅｃｈｎｉｃａｌａｐｐｒｏａｃｈｆｏｒｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｉｎｓｉｍｉｌａｒｃｏｎ￣ｄｉｔｉｏｎｍｉｎｉｎｇａｒｅａ.Ｓｐｅｃｉｆｉｃｔｏｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｆｒｅｑｕｅｎｔｒｅａｍｉｎｇꎬｌｏｗｄｒｉｌｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｎｈａｒｄｒｏｃｋꎬｌｏｗｆｉｓｈｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｏｆｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｆｉｓｈｉｎｇｔｏｏｌｓｉｎｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｆｅｎｔｅｒｉｎｇｂｕｓｈｉｎｇꎬｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄꎬａｎｄｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｄｉｄｅａｓａｎｄｄｉｒｅｃ￣ｔｉｏｎｓｆｏｒｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＨｕａｉｎａｎＭｉｎｉｎｇＡｒｅａꎻｃｏｍｐｌｅｘｒｏｏｆｓｔｒａｔａꎻｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｏｒｅｈｏｌｅꎻｐｏｒｅｆｏｒｍｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅ收稿日期:２０１８－０５－０２ꎻ责任编辑:赵　瑞　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１８􀆰１１􀆰０２３基金项目:国家科技重大专项资助项目(２０１６ＺＸ０５０４５－００３－００１)ꎻ陕西省重点研发计划资助项目(２０１７ＧＹ－１５２)作者简介:王　鲜(１９９１—)ꎬ男ꎬ陕西兴平人ꎬ硕士ꎮＥ－ｍａｉｌ:[e-mail]引用格式:王　鲜ꎬ许　超ꎬ李泉新ꎬ等􀆰淮南矿区顶板复杂地层中高位定向钻孔钻进工艺研究[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(１１):１４５－１５０􀆰ＷＡＮＧＸｉａｎꎬＸＵＣｈａｏꎬＬＩＱｕａｎｘｉｎꎬｅｔａｌ.Ｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｏｒｅｈｏｌｅｆｏｒｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｉｎＨｕａｉｎａｎＭｉｎｉｎｇＡｒｅａ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(１１):１４５－１５０􀆰０　引　　言矿井瓦斯是煤矿重大自然灾害之一ꎬ严重威胁、制约着矿井安全生产[１]ꎮ针对矿井瓦斯抽采需要ꎬ国内外学者开展了大量研究ꎬ形成了卸压增透瓦斯抽采理论、抽采钻孔周围瓦斯流动的本构理论和瓦斯抽采的Ｏ型圈及椭抛带学说等[２－５]ꎬ开发了高位瓦斯抽采巷道、埋管法、地面钻孔、穿层钻孔、本煤层定向长钻孔和顶板高位定向长钻孔等瓦斯抽采方法ꎬ取得了较好的瓦斯抽采效果[６]ꎮ但高位抽采巷道存在工程量大、施工成本高及安全隐患大等问题ꎬ埋管法抽采瓦斯浓度低、利用率小ꎬ地面钻孔施工成本高且适用范围有限ꎬ穿层钻孔施工量大、钻孔利用率低ꎬ而本煤层定向长钻孔和顶板高位定向长钻孔５４１２０１８年第１１期煤炭科学技术第４６卷因施工方便、成本低、抽采效果好ꎬ逐渐得到认可和广泛推广ꎬ尤其是顶板高位定向长钻孔的应用ꎬ有效降低了工作面采空区及上隅角瓦斯浓度ꎬ减少了高位瓦斯抽采巷道掘进工程量ꎬ具有工程量小、钻孔利用率高和经济效益显著的优点ꎬ应用前景广阔[７－８]ꎮ顶板高位定向钻孔是在工作面回风巷道内布置钻场ꎬ向煤层顶板施工定向钻孔ꎬ使其沿工作面走向距煤层顶板一定高度延伸ꎬ在工作面回采后ꎬ利用顶板中釆动影响形成的离层裂隙和竖向裂隙构成瓦斯运移通道ꎬ在抽采负压作用下ꎬ实现邻近层和采空区瓦斯抽采[９－１０]ꎮ该技术自推广以来ꎬ取得了很好的应用效果ꎬ但在淮南矿区却因煤层顶板岩层力学强度低、局部地层异常破碎等原因而难以有效成孔ꎬ至本次研究开展前仍未有成功施工的先例ꎮ基于此ꎬ在淮南矿区顾桥矿开展了顶板复杂地层中高位定向钻孔成孔工艺技术研究ꎬ以期形成适用于淮南矿区及类似条件矿区的高位定向钻孔施工技术ꎮ１　高位定向钻孔抽采瓦斯原理采场覆岩移动的理论分析表明ꎬ煤层回采后ꎬ其上覆岩层的移动破坏ꎬ在竖向自下而上形成“三带”ꎬ即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带ꎻ在横向上形成“三区”ꎬ即煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区ꎬ这构成了顶板高位钻孔抽采采空区瓦斯的主要理论依据[１１]ꎮ煤层回采后ꎬ顶板岩层自然垮落ꎬ采空区中部被压实ꎬ在四周则形成一个横向连通的采动裂隙发育区ꎬ称之为Ｏ型圈ꎬ釆动形成的Ｏ型圈对煤层瓦斯解析及顶板内瓦斯运移的控制ꎬ为瓦斯抽采提供了条件ꎬ是采空区瓦斯聚集的主要区域[１２]ꎮ顶板高位定向钻孔是利用定向钻进技术ꎬ使钻孔轨迹在釆动形成的Ｏ型圈内延伸ꎬ在负压作用下ꎬ以Ｏ型圈内广泛发育的裂隙作为通道ꎬ实现长期、稳定抽采瓦斯[１３]ꎬ其原理如图１所示ꎮ图１　顶板高位定向钻孔抽采瓦斯原理Ｆｉｇ.１　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｂｙｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｏｒｅｈｏｌｅｉｎｒｏｏｆ２　高位大直径定向钻孔施工技术２.１　成孔技术方案顶板高位大直径定向钻孔成孔时ꎬ先采用常规回转钻进施工孔口套管段ꎻ固管完成后采用定向钻进施工先导孔ꎬ使钻孔轨迹沿顶板裂隙带钻进至设计孔深ꎻ最后采用回转扩孔工艺将钻孔孔径扩大ꎮ施工工艺流程如图２所示ꎮ图２　高位大直径定向钻孔施工工艺流程Ｆｉｇ.２　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｈｉｇｈ－ｌｅｖｅｌａｎｄｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｂｏｒｅｈｏｌｅ２.２　先导孔定向钻进技术先导孔施工时采用复合定向钻进技术ꎬ它是滑动定向钻进技术与复合钻进技术的结合ꎮ复合钻进技术是在高压水驱动螺杆马达转子带动钻头回转碎岩的同时ꎬ钻机动力头也带动钻具回转并向钻具施加钻压ꎬ实现双动力复合碎岩ꎮ施工时ꎬ滑动定向钻进技术与复合钻进技术交替使用ꎬ即在需要造斜钻进时采用滑动定向钻进ꎬ稳定螺杆马达工具面朝所需的方向ꎬ实现钻孔轨迹的人工控制ꎻ在钻孔轨迹与设计轨迹偏离不大时ꎬ采用复合钻进技术稳斜钻进ꎬ实现双动力高效施工ꎮ相较于滑动定向钻进ꎬ复合定向钻进施工效率更高ꎬ施工的钻孔轨迹更光滑、钻进阻力小、钻进系统压力小ꎬ钻孔清洁度和施工安全性都有较大提高ꎬ有利于实现深孔钻进[１４]ꎮ６４１王　鲜等:淮南矿区顶板复杂地层中高位定向钻孔钻进工艺研究２０１８年第１１期２.３　大直径回转扩孔技术为了扩大钻孔与围岩接触面积以提高瓦斯抽采效果ꎬ在定向先导孔成孔后ꎬ采用回转扩孔技术将孔径进一步扩大ꎮ扩孔过程中应注意以下４点[１５]:１)为避免扩孔过程中开出分支孔ꎬ应选用带导向头的扩孔钻头ꎻ在选用丝扣连接的组合式扩孔钻头时ꎬ应将丝扣拧紧ꎬ防止脱扣将钻头掉落孔内ꎮ２)大直径扩孔时钻杆弯曲变形严重ꎬ应选用高强度高韧性钻杆ꎬ防止发生断钻事故ꎬ保障扩孔施工顺利进行ꎮ３)扩孔过程中应控制好钻压和转矩ꎬ保证合理的钻进和回转速度ꎬ扩孔一定进尺后ꎬ应停钻冲孔ꎬ保证孔内清洁ꎬ防止发生孔内事故ꎮ４)在不稳定孔段内扩孔时ꎬ应合理控制钻压和钻速ꎬ防止钻具过大扰动不稳定岩层造成塌孔ꎻ塌孔堵塞原孔或导致扩孔过程开出分支后ꎬ应立即停钻ꎬ下测量仪器复测钻孔轨迹ꎬ尝试找到原孔ꎮ３　复杂地层中高位定向钻孔施工３.１　施工准备３.１.１　地层条件施工钻场位于顾桥矿１１２３(３)工作面轨道巷１３－１煤中ꎬ煤层平均厚度４.２ｍꎬ埋深－７８０ｍꎬ煤层原始瓦斯含量３.９５~５.８５ｍ３/ｔꎬ瓦斯压力０.２~０.５ＭＰａꎬ工作面回采期间瓦斯涌出量２７.４ｍ３/ｍｉｎꎮ地质资料显示:煤层顶板地层复杂多变ꎬ主要由泥岩、砂质泥岩和泥质砂岩组成ꎬ且泥岩、砂质泥岩的抗压强度较低ꎬ平均３４２~５１３ｋｇ/ｃｍ２ꎬ局部异常破碎ꎬ煤线、炭质泥岩夹层发育ꎮ３.１.２　钻孔布置合理的钻孔布置是顶板高位定向钻孔抽采瓦斯成败的关键ꎮ顶板高位定向钻孔利用釆动形成的Ｏ型裂隙圈抽采瓦斯ꎬ因而在钻孔布置时应主要考虑２个因素:１)竖直方向ꎮ钻孔应布置于瓦斯浓度较高且裂隙带发育充分的层位ꎬ一般应为裂隙带的中部ꎬ且应位于较稳定的岩层中ꎬ避免布置在软弱、破碎地层中ꎮ２)水平方向ꎮ为保证采空区及上隅角瓦斯抽采效果ꎬ一般选择靠近回风巷平行布置钻孔ꎬ钻孔平面间距的选择应以单孔有效抽采范围为依据ꎬ避免钻孔间距过大或过小造成的瓦斯抽采效果不佳或钻孔工程量增加ꎮ根据煤层开采后冒落带及裂隙带高度计算的经验公式[１６－１７]:Ｈｍ＝１００∑Ｍ４.７∑Ｍ＋１９±２.２(１)Ｈｌ＝１００∑Ｍ１.６∑Ｍ＋３.６±５.６(２)式中:Ｈｍ为冒落带高度ꎻＨｌ为裂隙带高度ꎻＭ为煤层采高ꎮ经计算ꎬ１３－１煤层顶板冒落带高度为(１０.８±２.２)ꎬｍꎬ冒落带之上(４０.７±５.６)ｍ为裂隙带范围ꎬ结合顶板地层资料ꎬ决定将钻孔布置于煤层顶板以上约３８ｍ的稳定泥质砂岩层中ꎬ设计３个钻孔间平面间距１２ｍ左右ꎮ３.１.３　施工装备在复杂地层中进行顶板高位大直径定向钻孔施工难度大、孔内事故发生概率高ꎬ对施工装备钻进及事故处理能力要求高ꎬ因此特选用了施工能力强、性能稳定可靠的ＺＤＹ１２０００ＬＤ型大功率定向钻机(图３)和配套ＢＬＹ４６０/１３型全液压泥浆泵车(图４)[１