煤层底板奥灰水害防治定向钻孔施工关键技术

　第４７卷第５期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４７　Ｎｏ􀆰５　　２０１９年５月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｍａｙ２０１９　移动扫码阅读李晓龙ꎬ张红强ꎬ郝世俊ꎬ等.煤层底板奥灰水害防治定向钻孔施工关键技术[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１９ꎬ４７(５):６４－７０􀆰ｄｏｉ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１９􀆰０５􀆰０１０ＬＩＸｉａｏｌｏｎｇꎬＺＨＡＮＧＨｏｎｇｑｉａｎｇꎬＨＡＯＳｈｉｊｕｎꎬｅｔａｌ􀆰Ｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇ＆ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｏｆｃｏａｌｆｌｏｏｒＯｒｄｏｖｉｃｉａｎｌｉｍｅｓｔｏｎｅｋａｒｓｔｗａｔｅｒｄｉｓａｓｔｅｒ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１９ꎬ４７(５):６４－７０􀆰ｄｏｉ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１９􀆰０５􀆰０１０煤层底板奥灰水害防治定向钻孔施工关键技术李晓龙１ꎬ２ꎬ张红强３ꎬ郝世俊２ꎬ郑玉柱２ꎬ赵永哲２ꎬ尚　荣２ꎬ秦艺璞４(１.西安科技大学地质与环境学院ꎬ陕西西安　７１００５４ꎻ２.中国煤炭科工集团西安研究院有限公司ꎬ陕西西安　７１００７７ꎻ３.陕西省地质调查院ꎬ陕西西安　７１００５４ꎻ４.陕西澄城董东煤业有限责任公司ꎬ陕西澄城　７１５２００)摘　要:基于渭北某矿井煤层底板奥灰水害防治定向钻孔工程ꎬ对成孔关键技术进行了研究ꎮ研究结果表明:煤层底板以下４６ｍ层位可实现深孔探查ꎻ空气钻进工艺可解决孔内排渣不畅及难成孔的问题ꎻ通孔钻具可保障套管下至设计深度ꎻ利用引导钻头ꎬ采用回转钻进工艺可实现深孔下套管ꎻ孔内高压注浆、环空静压补浆可确保套管封固质量ꎻ滑动定向钻进、回转钻进相结合可提高稳斜段钻进效率ꎻ以低于０.５ＭＰａ的钻压在增倾角孔段顺利侧钻开分支ꎻ利用不同钻进方法判断含水地质异常体性质ꎻ回转钻进方式快速多回次透孔ꎬ或大角度定向钻进可穿过易塌孔层位ꎮ研究成果为渭北煤田底板奥灰水害防治提供了技术支撑与理论依据ꎮ关键词:定向钻进ꎻ奥灰水害ꎻ开分支技术ꎻ套管封固技术ꎻ钻进工艺中图分类号:ＴＤ２６５.４　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１９)０５－００６４－０７Ｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇ＆ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｏｆｃｏａｌｆｌｏｏｒＯｒｄｏｖｉｃｉａｎｌｉｍｅｓｔｏｎｅｋａｒｓｔｗａｔｅｒｄｉｓａｓｔｅｒＬＩＸｉａｏｌｏｎｇ１ꎬ２ꎬＺＨＡＮＧＨｏｎｇｑｉａｎｇ３ꎬＨＡＯＳｈｉｊｕｎ２ꎬＺＨＥＮＧＹｕｚｈｕ２ꎬＺＨＡＯＹｏｎｇｚｈｅ２ꎬＳＨＡＮＧＲｏｎｇ２ꎬＱＩＮＹｉｐｕ４(１.ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＧｅｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬＸｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｉ’ａｎ　７１００５４ꎬＣｈｉｎａꎻ２.Ｘｉ’ａｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＣｈｉｎａＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐＣｏｒｐ.ꎬＸｉ’ａｎ　７１００７７ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＳｈａａｎｘｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＳｕｒｖｅｙꎬＸｉ’ａｎ７１００５４ꎬＣｈｉｎａꎻ４.ＳｈａａｎｘｉＣｈｅｎｇｃｈｅｎｇＤｏｎｇｄｏｎｇＭｉｎｉｎｇＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＣｈｅｎｇｃｈｅｎｇ　７１５２００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｏｊｅｃｔｆｏｒｔｈｅｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｏｒｄｏｒｉｃｉａｎｌｉｍｅｓｔｏｎｅｋａｒｓｔｗａｔｅｒｄｉｓａｓｔｅｒｉｎａｍｉｎｅｏｆＷｅｉｂｅｉꎬｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｈｏｌｅｆｏｒｍｉｎｇｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｅｐｈｏｌｅｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｃａｎｂｅｒｅａｌｉｚｅｄｉｎｔｈｅ４６ｍｌａｙｅｒｂｅｌｏｗｔｈｅｃｏａｌｓｅａｍｆｌｏｏｒꎻｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆａｉｒｄｒｉｌｌｉｎｇｃａｎｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｐｏｏｒｓｌａｇｄｉｓｃｈａｒｇｅａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｆｈｏｌｅｆｏｒｍａ￣ｔｉｏｎ.Ｄｒｉｌｌｉｎｇｔｏｏｌｓｃａｎｅｎｓｕｒｅｔｈｅｃａｓｉｎｇｐｉｐｅｔｒａｖｅｌｓｄｏｗｎｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｄｅｐｔｈꎻｄｅｅｐ－ｈｏｌｅｃａｓｉｎｇｃａｎｂｅｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇａｒｏｔａｒｙｄｒｉｌｌｐｒｏｃｅｓｓｂｙｕｓｉｎｇａｐｉｌｏｔｄｒｉｌｌꎻＴｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｈｉｇｈ－ｐｒｅｓｓｕｒｅｇｒｏｕｔｉｎｇａｎｄｔｈｅａｎｎｕｌｕｓｓｔａｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅｆｉｌｌｉｎｇｃａｎｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓｅａｌｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃａｓｔｉｎｇꎻｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｓｌｉｄｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇａｎｄｒｏｔａｒｙｄｒｉｌｌｉｎｇｃａｎｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎻｔｈｅｂｒａｎｃｈｈｏｌｅｃａｎｂｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｄｒｉｌｌｅｄｉｎｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｏｆｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅｗｉｔｈａｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｌｅｓｓｔｈａｎ０.５ＭＰａꎻｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒｉｌｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｕｓｅｄｔｏｊｕｄｇｅｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｗａｔｅｒ－ｂｅａｒｉｎｇｇｅｏｌｏｇｉｃａｌａｎｏｍａｌｉｅｓꎻｔｈｅｒｏｔａｒｙｄｒｉｌｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｃａｎｂｅｕｓｅｄｆｏｒａｆａｓｔａｎｄｍｕｌｔｉ－ｐａｓｓｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈｈｏｌｅｓꎬｏｒｔａｋｉｎｇｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｏｆｌａｒｇｅａｎｇｌｅｓｔｏｐａｓｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｃｏｌｌａｐｓｉｂｌｅｓｅｃｔｉｏｎ.ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｉｄｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔａｎｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｏｒｄｏｒｉｃｉａｎｌｉｍｅｓｔｏｎｅｋａｒｓｔｗａｔｅｒｄｉｓａｓｔｅｒｉｎｔｈｅＷｅｉｂｅｉｃｏａｌｆｉｅｌｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｄｒｉｌｌｉｎｇꎻｏｒｄｏｖｉｃｉａｎｌｉｍｅｓｔｏｎｅｋａｒｓｔｗａｔｅｒｄｉｓａｓｔｅｒꎻｏｐｅｎｉｎｇｂｒａｎｃｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎻｃａｓｉｎｇｓｅａｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎻｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ收稿日期:２０１８－１２－０５ꎻ责任编辑:赵　瑞基金项目:国家重点研发计划重点专项资助项目(２０１７ＹＦＣ０８０４１０２)作者简介:李晓龙(１９８９—)ꎬ男ꎬ陕西澄城人ꎬ博士研究生ꎮＥ￣ｍａｉｌ:[e-mail]０　引　　言随着煤炭资源开采深度、强度、速度ꎬ以及开采规模的不断增大ꎬ矿井水害现已成为制约我国煤矿安全生产的第二大灾害ꎮ其中ꎬ底板奥灰水害以其高水压、动储量、补给性强、突发性强、致灾性强等特４６李晓龙等:煤层底板奥灰水害防治定向钻孔施工关键技术２０１９年第５期点严重制约着我国华北地区石炭二叠纪煤田的安全开采[１－３]ꎮ现阶段ꎬ利用底板定向钻进技术可实现精确超前注浆加固底板隔水岩层裂隙ꎬ增强底板抗拉、抗压强度ꎬ可有效克服底板高承压水ꎬ降低底板突水的危险性ꎬ并可保护地下水资源ꎬ同时可对含水地质异常体进行治理ꎬ此项技术解放了大量煤炭资源[４－６]ꎮ渭北石炭二叠纪煤田属典型的华北型煤田ꎬ尤以澄合、韩城矿区为主ꎬ其中５、１１号煤层下部地层水文地质条件极其复杂ꎬ开采标高均在区域奥灰水位＋３７５ｍ以下ꎬ且距奥灰顶界面较近ꎬ煤层底板完整性较差ꎬ煤层底板以下含水地质异常体较发育ꎬ底板岩层组合方式为砂泥岩互层的隔水岩组ꎬ灰岩地层硬度大ꎬ且构造主要以断裂构造为主ꎬ存在局部导通奥灰水的可能ꎬ可见渭北煤田５、１１号煤层的开采深受底板奥灰水害的威胁ꎬ故须采取底板定向钻进技术超前加固底板隔水岩层裂隙ꎬ并对煤层底板奥灰含水层进行探查ꎬ以确保该煤层安全回采[７－１０]ꎮ针对渭北煤田煤层底板砂泥岩互层易导致塌孔、缩径ꎬ高硬度灰岩地层钻进效率低ꎬ含水地质异常体分布较多ꎬ断裂构造发育ꎬ奥灰含水层水压高ꎬ以及钻孔轨迹须满足防治水要求等技术难题ꎬ特选取渭北某典型矿井进行定向钻进关键技术研究ꎮ矿井位于渭北煤田东部ꎬ主采３、１１号煤层ꎮ其中１１号煤层位于太原组中下部ꎬ平均厚度３.５ｍꎬ资源量丰富ꎬ煤层底板距奥灰岩层顶界面１５~３０ｍꎬ奥灰含水层水位为＋３７５ｍꎬ富水性强ꎬ该煤层回采受底板奥灰水害的威胁[１１]ꎮ为此ꎬ中国煤炭科工集团西安研究院有限公司(以下简称西安院)利用井下定向钻进技术开展奥灰顶部岩层利用与注浆改造工程ꎬ根据峰峰二段分布及厚度发育情况、岩层硬度及防治水规定中关于临界突水系数的要求ꎬ注浆改造层位选取奥灰顶部２５ｍ左右ꎮ笔者以该矿０９、１０工作面施工的２４个定向钻孔为研究对象ꎬ对底板奥灰水害防治定向钻进相关技术难题进行了重点研究ꎬ研究成果可为渭北石炭二叠纪煤田底板奥灰水害防治定向钻进技术提供理论与实践依据ꎮ１　定向钻进设备现阶段ꎬ履带式全液压坑道钻机以方便移动、起下钻速度快、大转矩、高转速、工作效率高、安全可靠、处理孔内事故能力强、劳动强度低等优点已在我国煤矿井下瓦斯抽采、探放水、地质构造探查等领域得到广泛应用ꎬ逐渐成为煤矿坑道钻机的主导机型[１２－１４]ꎮ井下定向钻探工程采用的设备主要包括定向钻机、泥浆泵、随钻测量系统、螺杆马达、钻具ꎮ钻机为ＺＤＹ６０００ＬＤ型煤矿用履带式全液压坑道钻机ꎮ钻具为ø７３ｍｍ´３ｍ通缆钻杆、ø７３ｍｍ´３ｍ柔性钻杆ꎬ扶正器规格为ø１５１ｍｍ´１.５ｍ、ø１９１ｍｍ´１.５ｍꎮ钻头为ø９８ｍｍ胎体式ＰＤＣ钻头、ø１５３ｍｍ导向扩孔钻头、ø１９３ｍｍ导向扩孔钻头ꎮ泥浆泵为３ＮＢ－３２０/８－３０型往复式泥浆泵ꎮ随钻测量系统为ＹＨＤ２－１０００型ꎮ螺杆马达为ø７６ｍｍ´３ｍ、１.２５°结构弯角[１２－１４]ꎮ２　钻孔设计钻孔设计主要包括开孔倾角、开孔方位角、套管孔段、直孔段、定向造斜段和定向稳斜段ꎬ采用三级孔径两级套管的钻孔结构ꎬ利用清水钻进方式ꎮ钻孔孔身结构如图１所示ꎮ图１　钻孔结构示意Ｆｉｇ.１　Ｄｒｉｌｌｉｎｇｈｏｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ２.１　开孔参数设计１)工作面倾向长度为１２００ｍ左右ꎬ鉴于钻机能力ꎬ特采取自工作面开切眼、停采线两端对向钻进的方式ꎬ因此钻孔孔深设计为６５０ｍ左右ꎬ既可提高钻进效率ꎬ又能形成合理的探查重叠区域ꎮ钻孔平面轨迹设计如图２所示ꎮ２)０９、１０工作面倾向２９４°ꎬ因此３、４、５、６钻场的钻孔主设计方位角为２９４°ꎬ１、２钻场的钻孔主设计方位角为１１４°(对向钻进)ꎬ钻孔平面轨迹沿工作面倾向延伸ꎬ孔间距以钻孔单孔注浆扩散半径确定ꎬ防治水技术要求将工作面内部定向钻孔孔间距设计为４０ｍꎬ巷道两侧的定向探查孔设计为距巷道中心线６ｍꎮ鉴于回转钻进效率明显高于定向钻进ꎬ同时单弯孔底马达和钻具施工钻孔弯曲强度须满足≤２°/６ｍꎬ因此开孔方位角应在考虑孔底马达以及钻具弯曲强度的基础上ꎬ尽可能延长直孔段钻进的距离ꎬ缩短造斜段的长度ꎬ以提高钻探效率ꎮ５６２０１９年第５期煤炭科学技术第４７卷图２　钻孔平面轨迹设计示意Ｆｉｇ.２　Ｄｒｉｌｌｉｎｇｐｌａｎｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｄｅｓｉｇｎ　　３)防治水要求将剖面轨迹控制在煤层底板以下４０ｍ左右ꎬ煤层起伏状况可参考工作面煤层剖面图ꎬ因此剖面轨迹应先以负角度进入煤层底板ꎬ之后将倾角缓慢升至地层视倾角进行延伸ꎮ开孔倾角越大ꎬ垂深越大ꎬ则剖面轨迹可尽早达到设计深度ꎬ从而为后续倾角上升提供充足的空间ꎬ并可延长稳斜段的距离ꎬ缩短穿过泥岩段的距离ꎬ考虑钻机主轴倾角范围为－２０°~２０°ꎬ故选取－２０°开孔较合理ꎮ钻孔剖面轨迹设计如图３所示ꎮ图３　钻孔剖面轨迹设计Ｆｉｇ.３　Ｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｏｆｉｌｅｔｒａ