三灰观测孔穿越厚层泥岩施工技术应用

高法民，于 雷，李延才，高东升，张茂增

（梁宝寺能源有限责任公司， 山东嘉祥县 272404）

三灰观测孔穿越厚层泥岩施工技术应用

高法民，于 雷，李延才，高东升，张茂增

（梁宝寺能源有限责任公司， 山东嘉祥县 272404）

梁宝寺矿井在三灰孔施工过程中需穿过较厚的泥质粘土岩，经常出现卡钻、糊钻、断钻杆的现象。针对此种情况，结合梁宝寺煤矿3301工作面67号三灰观测孔施工实际情况，研究应用了穿过厚粘土层施工三灰观测孔技术。通过改进钻具结构、优化施工工艺、更换冲洗液等综合措施，使三灰观测孔施工成功率由原来的89%提高至95%以上，减少了钻探事故，避免了不必要的经济损失，大大提高了工作效率。

泥岩；粘土层；三灰观测孔；施工工艺

1 梁宝寺煤矿地质概况

梁宝寺煤矿是肥城矿业集团在巨野煤田投资新建的第一座大型现代化矿井，主采煤层为位于山西组中、下部的3煤层，3煤层下距太原组三灰平均60m。梁宝寺矿井三灰为石炭系上统太原组稳定岩层，自太原组顶界至六灰主要由粉砂岩及泥岩组成。此段泥岩常出现在2至5层，厚度为0.6～20 m，有膨胀度高、粘结性强等特点。

三灰岩溶裂隙含水层是影响矿井可采煤层回采的主要含水层，厚度为4.8～5.2m，平均5.1m，上距可采煤层3煤层平均60m；三灰单位涌水量为0.0121～0.1338L／s.m，富水性不均一，为弱至中等。为查明矿井各采区不同水文块段内三灰的富水性、水压、水量及隔水层厚度等水文地质情况，掌握三灰的水文地质特征，加大其疏放水量，保证采区内煤层的安全开采，各工作面回采前必须施工三灰观测孔。由于矿井地处平原地区，三下压煤情况严重，投产工作面多为条带式开采，搬家撤面频繁，所以工作面三灰观测孔的施工也较多。

2 三灰观测孔施工过程中遇到的问题

通过对建矿以来施工的所有三灰观测孔进行统计，发现梁宝寺矿三灰观测孔施工成功率为89%，考虑到三灰观测孔施工周期长、钻孔深、一次性投入大，每次打钻投入的材料都是不可回收的，不高的成功率造成了相当程度的人力及材料浪费。经过长时间现场观测，发现关键问题在于煤层底板至三灰间的泥岩粘土层难以穿越。影响钻孔顺利穿越粘土层的主要因素有以下3点。

（1）没有合适的钻具。常规钻具对于泥岩层的穿越效果较差，过泥岩时极易造成塌孔、断钻杆，对三灰孔施工成功与否关系重大。

（2）钻探用料不适应现场情况。采用常规的高压清水当冲洗液，泥岩遇水膨胀，难以冲出，是造成钻探事故的重要原因之一。

（3）地质条件复杂。井下现场断层的互相牵引，泥岩被撕扯得支离破碎、粘结性相当高，是造成钻探事故的主要原因。

3 三灰观测孔施工方法改进应用实践

结合梁宝寺矿3301工作面轨道顺槽第67号三灰观测孔施工情况，具体说明三灰观测孔施工新工艺的应用情况。

3.1 现场概况

梁宝寺3301综放工作面标高－899～－936 m，该面3煤为气煤，总厚度为5.0～7.2m，平均6.5m，煤层结构较简单，煤层倾角为7°～14°，平均11°，煤层普氏硬度系数f＝1.8。工作面掘进期间共揭露23条断层，地质构造复杂。且从3301工作面施工三灰观测孔，需穿越3层泥岩粘土层，其中最厚的一层泥岩达4m，加之打钻区域内地质构造复杂，泥岩呈破碎状态，粘结性极高，如仍然采用常规的打钻冲孔方法施工，极易造成钻孔失败。

3.2 三灰观测孔施工技术现场应用

3.2.1 合理设计钻孔参数

三灰观测孔的施工原则是尽量避开构造复杂区域，减少穿越泥岩厚度。根据这一原则，在达到防治水要求的前提下，应尽量避开断层破碎带，实行大倾角施工，减少穿越泥岩厚度。综合考虑冲孔及钻探机具性能，67号三灰观测孔设计钻探倾角为－45°，钻孔直径75mm，钻孔深度122m（见图1）。

图1 67号三灰观测孔施工参数示意

3.2.2 优化施工工艺

由于钻进经过的泥岩层具有极强的粘结性、阻水性且厚度较大，钻进泥岩过程中如用高压清水冲洗钻孔极易造成泥岩粘结钻头、粘土膨胀卡钻、糊钻等钻探事故。通过实验室及现场试验，在应用了各种冲洗液材料后，发现在高压水中掺入膨润土作为冲洗液对泥岩层来说效果很好，因膨润土光滑、吸附性极强，与粘土相溶性差，可以在粘土不膨胀的情况下很好地将泥岩带出。

根据现场地点的岩性特征，具体制定出操作步骤。尤其当钻机钻进至泥岩粘土层时，及时在高压水中掺入适量膨润土作为冲洗液，防止粘土层膨胀粘钻。同时要加快施工进度，三班施工人员现场交接班，做到停人不停钻，尽快钻过泥岩层，最大限度地防止在钻进泥岩层过程中出现卡钻、吸钻现象。

3.2.3 改进钻具结构

据经验积累，发现以往三灰孔过泥岩层失败大半情况下是泥岩段过去了，钻头在前钻进另一个层位时，泥岩段的钻杆旋转扰动泥岩加之有水，使泥岩“抱”住钻杆导致断钻杆事故。通过以上原因的剖析，本文认为保证泥岩段钻孔的孔径是确保钻孔继续钻进的关键。因此决定在穿过泥岩段的钻杆接头上焊接三道合金翼，使其接头直径达到90mm，只在泥岩段使用，确保每2m扫扩孔一次（每根钻杆长2m），有效将泥岩排出的同时保证泥岩段钻孔孔径比其他岩层处孔径略大，可有效预防泥岩“抱”住钻杆。

采用以上施工工艺后，3301工作面轨道顺槽67号三灰观测孔在45天的施工时间内，未出现过一次吸钻、卡钻及断钻杆事故。尤其是在穿过三段泥岩粘土层时，由于施工工艺先进，采取措施得力，有效地确保了成功穿越粘土层。同样采用上述施工技术，矿山又在3408工作面、3404工作面、－708北翼回风等地点成功施工了7个三灰观测孔，施工成功率达到了100%，没有出现一例钻探事故。

4 结 论

根据梁宝寺井下实际情况，总结改进了原有的三灰观测孔施工技术并在现场进行了应用，成功率达100%。在提高工作效率的同时，保证了矿山各采区各工作面及时、顺利安全地安装回采，取得了较好的经济效益，避免了不必要的材料浪费，为矿山安全生产提供了保障。

［1］国家安全生产监督管理总局.煤矿防治水规定［M］.北京：煤炭工业出版社，2009.

［2］聂文志.唐口煤业l30、230采区三灰承压含水层的疏水降压实践［A］.山东省煤矿防治水技术研讨会，2008.

［3］王 欣.青东煤矿副井井筒冻结段过粘土层采用外壁掘砌施工法的应用［J］.科技风，2009（19）.

［4］莫暖娇.饱和软粘土抗浮土层锚杆试验研究［J］.隧道建设，2011（4）.

［5］杨振宏.预裂爆破参数计算及参数优化［D］.西安：西安建筑科技大学，1989.

2011－11－19）

；高法民（1962－），男，山东济南人，研究员，总工程师，主要从事矿井开采及一通三防方面的技术研究。