煤矿井下深孔定向超前钻探技术研究与应用

苗葳　丁荣飞

摘要：赵固二矿为河南能源焦煤集团主力生产矿井。矿井水文地质条件复杂，为煤与瓦斯突出矿井，矿井瓦斯与水害治理工期较长，造成钻探与掘进开拓工时矛盾严重，直接制约矿井接替。为缓解矿井接替紧张局面，采用深孔定向超前钻探技术代替传统超前探方式，采矿作业取得了很大的成效。

关键词：煤矿开采；矿井；超前探；深孔定向钻探；水害防治；水文地质 文献标识码：A

中图分类号：TD50 文章编号：1009-2374（2017）10-0216-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.10.109

1 赵固二矿超前探注工程现状

赵固二矿属河南能源焦煤集团主力生产矿井，开采山西组二1煤层，煤层埋深在500m以上，底板主要充水含水層为L8灰岩含水层，水压高达5MPa。为消除矿井水害隐患，矿井严格执行“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的防治水方针，对巷道实施超前探与底板注浆改造。但常规钻孔存在以下问题，影响了钻孔效果：（1）钻孔轨迹不可控，容易存在注浆盲区，为保证注浆效果必须设置大量钻孔，导致钻孔浪费，钻探工作量大，施钻人员劳动强度高；（2）钻孔以大倾角开孔，钻遇含水层的有效孔段较短，注浆加固效果不好且造成浆液的严重浪费；（3）钻孔孔深一般较浅，钻孔轨迹不能改变方向，只能边掘（边采）边进行加固，在工作面钻场未形成之前，不能实现区域超前底板加固，对矿井接替造成影响。因此，亟需研究新的底板注浆加固及超前探查技术方法。

2 钻探设备选定

为提高矿井超前探功效，采用井下深孔定向钻机实施超前探工程。定向钻机由钻机机身、移动泵站与随钻测量系统三部分组成，钻机机身由厂家提供，为矿用履带式全液压坑道钻机，最大额定转矩12000N·m、额定转速50～150r/min，适用于钻进大直径近水平长钻孔及1500m以上超长定向钻孔。移动泵站由矿井已有的喷雾泵改造而成，最大输出泵量560L/min。随钻测量装置由防爆计算机、防爆键盘、防爆数据存储器和探管四部分组成，在孔底马达钻进过程中，将探管连接在孔底马达后，在需要进行数据测量时，防爆计算机通过通缆钻杆和通缆水便向孔内探管供电并下工作指令，探管启动工作并采集钻孔倾角、方位角、工具面向角等数据通过通缆钻杆和水便传送到防爆计算机，通过装置软件的分析处理，在防爆计算机显示器上显示钻孔参数、设计轨迹、实钻轨迹等信息，通过系统软件可实现装置分析、数据处理、数据测量并以数字量形式进行显示、存贮、通信、处理分析成图等功能。数据测量结束后，防爆计算机停止为孔内探管供电，探管停止工作。

3 深孔定向钻探设计及要求

3.1 设计方案

本次在即将开拓掘进的11151工作面上顺槽进行试验，利用工作面下顺槽已形成的钻场对上顺槽方向进行超前探与底板加固工程。共设计两个探煤钻孔与一个底板钻孔，设计钻孔进尺3299m。探煤孔钻进层位为二1煤层，平均煤厚为5.88m，底板孔钻进层位为L8灰岩底部细粒砂岩中，该层砂岩平均厚度4.91m，层位稳定，上距L8灰岩平均5.14m。

先施工探煤钻孔，探煤钻孔每隔50m留设一个分支点，每隔70～100m探顶一次，确保提前探明工作面顺槽内煤岩层产状及构造特征。

3.2 钻孔结构及固管要求

下设两级套管，开孔孔径Φ193mm，一级套管Φ178mm，二级套管Φ146mm，终孔孔径Φ120mm。

要求钻孔下入套管前必须利用随钻测量系统进行测孔，确定钻孔轨迹与设计要求无偏差时方可继续下入套管，否则利用扩孔钻头对该孔进行扩孔，纠正钻孔轨迹后方可继续下入套管。

开孔使用Φ153mm钻头回转钻过设计一级孔口管长度多0.5～1.0m，再用Φ193mm钻头扩孔至孔底，然后下入设计长度的Φ178mm套管，用井下注浆泵采用水灰重量比1∶0.5～1∶1的水泥浆进行管内注浆固管（使用不小于0.1m?的容器进行搅拌），凝固时间不少于24小时（加水玻璃凝固时间不少于8小时），然后用Φ153mm钻头透孔，透出一级套管0.5～1m后进行耐压试验，耐压试验压力稳定在10MPa，稳压时间不少于30min，孔壁周围不漏水、不渗水为合格，否则重新固管。

一级套管耐压试验合格后用Φ153mm钻头回转钻过设计二级孔口管长度0.5～1.0m，然后下入设计长度Φ146mm套管，用井下注浆泵采用水灰重量比1∶0.5～1∶1的水泥浆进行管内注浆固管（使用不小于0.3m3的容器进行搅拌），凝固时间不少于24小时（加水玻璃凝固时间不少于8小时），然后用Φ133mm钻头透孔，透出二级套管0.5～1.0m后进行耐压试验，耐压试验压力稳定在15MPa，稳压时间不少于30min，孔壁周围不漏水、不渗水为合格，否则重新固管。

二级套管耐压试验合格后用Φ120mm钻头+Φ89mm单弯螺杆+随钻测量仪器进行定向钻进至终孔，钻进过程中每施工3m对孔底进行一次参数测定，根据测定的参数和已掌握的现场实际地质情况调整钻进方向，力求钻孔按照设计轨迹和要求钻进。

3.3 施工期间注意事项

3.3.1 钻探期间应时刻注意钻孔岩性变化，钻进时关注孔口返水及钻机钻压情况，并在每根钻杆行程后捞取岩粉观测形状、颜色等。要根据返出的岩粉及钻进压力初步判定钻进层位及岩性。当岩性判断困难时及时通知施工班组长到现场查看鉴定。

3.3.2 钻进时要在孔口下放置接纳岩粉容器，并保证孔底返水流入容器。每当换层或返水变化时及时停钻将岩粉取出。冲洗干净并干燥后的岩屑采用“大段摊开、宏观细找，远看颜色、近查岩性，干湿结合、挑分岩性，参考钻时”的原则。重点记录钻孔穿层、断裂构造带岩性变化情况及断层泥、破碎带厚度、破碎程度与胶结情况。

3.3.3 要求钻孔定向钻进期间每3m测孔一次（包含钻孔倾角、方位角、工具面等数据），并及时丈量孔外钻具长度，井上、下要有记录本，每班做好详细的原始记录；施工单位要建立工程施工台账，并每天将生产情况报地测科。

3.3.4 钻进过程中绝不允许钻杆摩擦孔口闸阀或孔口管，发现有摩擦现象时要立即停止施工，重新调整钻机角度，直到钻进方向与孔口管方向一致为止。

3.3.5 施工时若钻孔突然发生突水，施工单位要及时汇报，并详细记录出水位置、钻孔深度，测出水量、水压，并把详细情况及时上报，必要时，取水样送验。

3.3.6 钻孔钻进过程中，若孔内出水大于30m3/h，则对钻孔进行地面注浆，注浆材料选用黏土水泥混合漿，黏土浆与水泥浆比重为为1.12～1.18，一般是先稀后稠再稀。注浆终压15MPa，稳压30min。

4 钻探成果

通过实施本次井下深孔定向超前钻探，在3个月内探明了11151工作面上顺槽通尺175～645m范围内煤层赋存情况与地质构造情况，并对上顺槽通尺167～546m范围内底板L8灰岩与围岩裂隙进行注浆加固，超前探控制范围470m，在接替工期紧张的情况下保证实现安全不间断掘进。

4.1 构造区域分析

4.1.1 根据钻探资料显示，煤层探1与探2号钻孔在上顺槽通尺376～465m之间均发生较为严重的塌孔、泵压增高现象。根据三维地震勘探资料，DF29断层在11151工作面上顺槽预计揭露位置为397～400m，位于塌孔范围内，不排除由于DF29断层影响，最终致使钻孔在揭露该断裂破碎带期间出现塌孔等异常情况。根据断层两端探得的顶板标高计算，预计该断层落差1.6～1.8m。探测段煤层产状未发生较大变化，没有明显褶皱，断层断面没有向底板L8灰岩下延伸迹象。

4.1.2 根据探煤层顶、底板资料，探煤1#钻孔钻进至上顺槽通尺577～604m处煤层出现明显变薄情况，煤厚由5.8m变薄至4.3m，孔口反渣为煤层夹带泥岩，但位于该煤层变薄段西侧20m处的煤层探2#钻孔并未出现煤层异常情况，根据揭露资料分析，该煤层变薄区域为分布范围较小，不会对巷道掘进造成影响。

4.2 水文地质情况分析

底板L8灰岩厚8.24m，L8灰岩底界面细粒砂岩厚4.91m。根据底板注1#孔资料，七个分支钻孔总出水量为35.1m3/h，其中水量最大的为底板注1-1#钻孔，水量25.7m3/h，经注浆后，该出水点已基本无水。其余分支钻孔水量均小于10m3/h，且不存在钻孔水量骤增情况，反应出探测段垂向裂隙不发育。

5 今后改进方向及效益

（1）在今后设计中，应保证钻孔轨迹平直，尽量减小钻孔弯曲度，从而可有效降低钻杆与孔壁摩擦，减少给进压力在拐弯处消耗，延长钻孔控制范围。钻探岩粉在钻孔拐弯及低洼处不易排出，可采用回转钻机与定向钻进相结合的方式将孔内存积的岩粉带出，减少钻孔埋钻风险。在钻进过程中通过及时对比检查钻孔漏失量，可有效查明煤、岩层内孔隙、裂隙及断裂破碎带分布规律，为巷道掘进提供坚实可靠的地质资料；（2）该技术在赵固二矿及类似矿区的推广应用，实现了煤矿井下水害区域治理的突破，缓解矿井工作面接替紧张局面，可为国内地质及水文地质条件相似的矿井提供宝贵经验，可在焦作矿区乃至全国范围内进行推广应用，对实现在新背景新要求下的煤矿安全高效开采具有深远意义。

参考文献

[1] 张孝广.煤巷空间地质异常体超前综合物探研究与应用[J].山东煤炭科技，2016，（2）.

[2] 许延春，陈新明，李见波，姚依林.大埋深高水压裂隙岩体巷道底臌突水试验研究[J].煤炭学报，2013，（S1）.

作者简介：苗葳（1988-），男，河南焦作人，供职于河南能源焦煤集团新乡能源有限公司，研究方向：矿井地质及防治水。

（责任编辑：秦逊玉）