贵州大湾煤矿复杂地层井下定向钻进施工技术

2018-04-26 06:14:40于成凤曹建明
钻探工程 2018年3期
关键词:钻杆分支大湾

于成凤, 金 新, 曹建明

(中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710077)

贵州大湾煤矿井下地质构造复杂,煤层走向起伏多样,在未开采区域煤层地质资料不详的情况下,准确探明预施工地点地质情况,为后期定向钻进用于瓦斯抽采打好基础,同时节省开采成本[1-7]。本文以大湾煤矿120204机巷迎头地质构造探测以及顺层定向长钻孔施工为例,介绍了地质构造探测以及顺层定向长钻孔施工工艺流程。通过地质构造探测已探明的煤层走势,为矿方施工提供了准确的地质参数,通过钻孔轨迹优化设计给出了确定顺层定向长钻孔布孔方法,得出一套适用于大湾煤矿本煤层定向长钻孔成孔方法和布孔参数,以解决瓦斯预抽、安全综掘巷道难题。

1 配套设备及测量系统

1.1 配套设备

大湾煤矿井下长距离定向钻孔施工中使用的钻机为ZDY6000LD(B)型煤矿用履带式全液压坑道钻机,属于低转速大转矩类型,该钻机结构布局合理、工艺适应性强、操作省力、性能安全可靠等优点。主要配套设备见表1。

1.2 测量系统

测量系统型号为Y- S- X- W- T(B)无线随钻测量装置,由防爆计算机、隔爆电源、探管、防爆数据存储器等4部分组成。

工作原理:无线随钻测量装置由探管、控制器配套组成。探管的发射天线与孔底钻头后的上无磁钻杆连接,利用双向电磁波无线传输技术把测斜探管中磁通门传感器、重力加速度传感器测量钻杆的空间姿态参数实时用电磁波经由地层传输到地面后被固定在钻机旁地表天线接收至控制器,电磁波再通过计算机由地面的监视器接收解码还原出传感器测量出的各种动态数据,送给计算机串口通过数据处理软件生成钻孔轨迹图和数据表。测量系统连接如图1所示。

表1 定向钻进配套设备

图1 Y- S- X- W- T(B)无线随钻测斜仪连接示意图

2 大湾煤矿地质特征与钻孔设计依据

2.1 大湾煤矿地质特征

大湾煤矿隶属于贵州水城矿业股份有限公司,位于贵州省六盘水市钟山区大湾镇境内,大湾煤矿开采范围为水城矿区二塘向斜中、深部,为二塘向斜的主体部分,呈北西向展布的不规则多边形,走向长11 km,井田平均倾斜宽2.5 km,面积19.689 km2。煤种为主焦煤,具有低硫、低灰、低磷等特点。开采方式以倾斜长壁俯斜开采为主,走向长壁开采为辅,综合机械化采煤。大湾煤矿设计生产能力为90万t/a,目前开采2号煤层,煤层厚度1.4 m,系数f=0.41。2号煤层以及顶底板岩性见表2。

2.2 钻孔设计依据

井下钻场、定向钻孔布孔方式应与现场施工地点的工作面环境地质构造因素、煤层开采现状、钻机工作能力相匹配;为了达到大湾煤矿2号煤层良好的瓦斯预抽效果,本煤层定向钻孔布孔时,应使定向钻孔尽量穿过大湾煤矿120204机巷迎头2号煤层本煤层区域,保证本煤层瓦斯抽采达标,保障巷道安全掘进。

由于120204机巷迎头钻场施工工作面为2号煤层,设计定向钻孔布置在煤层中,在煤层中通过调整钻具倾角以及前进式开分支工艺探测煤层顶底板,直到探明地层起伏情况以及2号煤层分布。120204机巷迎头钻场2号煤层下面是3号煤层,因此只需要对2号煤层顶板进行探测,确定2号煤层顶板位置,从而探明煤层起伏变化趋势。该钻场区域地层条件复杂,因此施工的过程中要注意定向钻孔轨迹控制,保证排渣返水通畅。定向钻进至预定探煤点之前,通过调节控制螺杆马达弯头朝向快速上升,预留出分支点[8]。

表2 大湾煤矿120204机巷迎头2号煤层及顶底板岩性

2.3 施工工艺流程

根据现场施工要求,设计钻孔轨迹,大湾煤矿120204机巷迎头钻场区域中煤层走势未知,设计定向钻孔是为了探测120204巷道掘进方向煤层走势,为巷道的瓦斯抽采、掘进提供依据。本钻孔采用前进式开分支的工艺,首先从煤层钻进,向上探测煤层顶板,探顶后后退一段距离选取合适的分支点开分支继续探顶,依次类推,直至钻进到设计孔深为止,探明煤层倾角,提钻终孔。

2.3.1 钻孔设计

根据施工要求设计定向钻孔钻进参数、编写钻孔设计轨迹方案并制定现场相关施工技术措施,做好施工前期准备。定向钻孔轨迹设计时,通过控制钻孔倾角(即马达弯头朝向)来进行轨迹控制,达到探测煤层顶板的效果。

2.3.2 施工工艺

开孔施工工艺主要采用普通回转钻进进行施工,主要目的是安装孔口管和孔口四通,实现边钻进边抽采,防止钻孔施工过程中瓦斯超限。孔口管采用Ø150 mm PVC管,下入深度15 m。首先采用“Ø98 mm PDC钻头+Ø73 mm普通外平钻杆”钻具组合,回转钻进至15 m;其次采用“Ø153/98 mm PDC扩孔钻头+Ø73 mm普通外平钻杆”钻具组合,回转扩孔钻进至15 m;最后采用“Ø193/153 mm PDC扩孔钻头+Ø73 mm普通外平钻杆”钻具组合,回转扩孔钻进至15 m。按设计要求下入Ø150 mm PVC管15 m,并采用两堵一注方式进行注浆固管,通过法兰盘安装孔口四通,并连接抽采系统。

定向钻进主要采用滑动钻进工艺,采用的定向钻具组合为:矿用无线随钻测斜仪YSXWT(B)+Ø73 mm外平钻杆+Ø98 mm胎体式复合片钻头”施工至设计孔深。

在钻孔轨迹参数变化较小孔段,可以采取复合钻进工艺。复合钻进工艺是指回转钻进与定向钻进工艺交替使用,钻进效率高[9-12]。

通过调整测量系统软件上面的工具面向角来控制定向钻孔钻进轨迹。大湾煤矿使用的定向钻机所配套的钻杆长度为1500 mm的外平钻杆,定向钻进施工时,一般一次性加2根钻杆,定向钻进通常钻进3 m时,关闭泵车停止高压水的输送,待水压降下来后通过测量系统软件进行定向钻孔实钻轨迹参数的测量。根据定向钻孔实钻轨迹与设计轨迹之间的偏差进行工具面向角的调整,调整到预期的设计轨迹后,继续加钻杆钻进至下一次目标位置,一直施工至该分支孔结束为止,提钻后根据设计轨迹以及实钻轨迹情况寻找合适的开分支点,下钻继续施工下一个分支孔,施工定向钻进钻孔达到设计孔深后提钻终孔,最后按照大湾煤矿施工要求进行封孔。钻孔施工步骤如图2所示。

3 大湾煤矿定向钻孔施工及分析

大湾煤矿定向钻进施工主要采用滑动式定向钻进工艺[13-15],钻进过程中通过泥浆泵产生的高压水驱动孔底马达转子回转,再通过万向轴和传动轴带动钻头回转碎岩,同时,通过不断调整孔底马达弯头朝向,进行钻孔轨迹人为控制,最终实现定向钻进。根据钻孔开孔倾角、方位角设计参数,来进行钻机的稳固等工作。本次共施工定向长钻孔2个,1号定向钻孔为地层地质构造探测孔,主孔深度303 m,探顶分支孔7个,分支孔累计孔深888 m,施工工艺为梳状孔前进式开分支方式。2号定向钻孔设计轨迹是在1号钻孔地层情况探明的前提下为依据进行设计的。根据1号钻孔的实钻轨迹,以及见煤孔段,做出2号钻孔设计轨迹。

图2 前进式开分支工艺流程图

2号定向钻孔为顺层定向孔,主孔深度306 m。2个定向主孔以及分支孔钻进累计进尺1497 m。施工情况统计表见表3,实钻轨迹如图3~6所示。

表3 大湾煤矿2个定向钻孔施工统计

本次共施工2个长钻孔,7个分支孔。1号钻孔为煤层顶板探测孔。通过开分支方式进行探顶,由表3可看出,1号孔见煤段进尺为230 m,整个钻孔见煤率高达75%。

根据1号钻孔的实钻轨迹,以及见煤孔段,把见煤点连接成一条曲线,作为2号钻孔设计轨迹,设计轨迹如图5、图6所示。由表3可看出,2号钻孔见煤段进尺为195 m,整个钻孔见煤率为63.7%。2号定向钻孔钻进过程具有代表性,可为后续定向钻孔施工提供参考。

图3 1号钻孔、分支孔实钻轨迹剖面图

图4 1号钻孔、分支孔实钻轨迹平面图

图5 2号钻孔实钻轨迹剖面图

图6 2号钻孔实钻轨迹平面图

本次采用ZDY6000LD(B)型定向钻机以及附属定向钻进装备,共完成2个定向长钻孔,完成分支孔数7个,所有分支孔深累计888 m,定向钻孔钻进累计孔深1497 m。

4 结论

利用前进式开分支孔工艺,实现了1号钻孔复杂煤层地质构造精准探顶,钻孔见煤段高达75%。分析研究并优化设计1号钻孔实钻轨迹以及见煤段作为2号钻孔设计轨迹,施工钻进过程中高精度控制2号钻孔轨迹大大增加了顺层定向孔在复杂煤层中的覆盖率,2号钻孔见煤段高达63.7%,较大幅度提高了瓦斯抽采率,为巷道掘进打好基础。

ZDY6000LD(B)型定向钻机以及附属定向钻进装备与工艺适合于大湾煤矿定向钻孔施工,为实现大湾煤矿本煤层区域瓦斯治理和巷道安全掘进提供了一个有效的工艺方法,对于大湾煤矿安全高效生产有重要意义。

参考文献:

[1] 李子豪.长距离定向钻探技术在探查小煤矿边界及老空水中的应用[J].煤炭工程,2015,47(5):36-38.

[2] 石浩,张杰.煤矿井下精确定向探放水技术[J].煤矿安全,2015,(2):64-68.

[3] 李长寅,邢德恩.深井采煤工作面探放水技术应用[J].煤炭工程,2011,43(7):31-32.

[4] 姬中奎,任强.布尔台煤矿大采面老空区积水探放技术研究[J].煤炭工程,2013,45(10):66-68.

[5] 刘基,赵忠证,丁湘.千米定向钻机在高压探放水中的应用研究[J].煤炭工程,2014,46(11):36-38.

[6] 谭军,廉法宪,宋辉.负压俯角探放老空区积水的技术应用[J].煤炭工程,2015,47(1):50-52.

[7] 王毅武,金向阳.开采煤层上方老空区积水的防治技术[J].煤炭工程,2013,45(4):53-54.

[8] 姚宁平,张杰,李泉新,等.煤矿井下定向钻孔轨迹设计与控制技术[J].煤炭科学技术,2013,41(3):7-11,46.

[9] 刘金凯,张春雷,霍利杰,等.近水平煤层大采高综放开采冒落带高度研究[J].煤矿安全,2014,45(7):23-25.

[10] 杨贵.综放开采导水裂隙带高度及预测方法研究[D].山东青岛:山东科技大学,2004.

[11] 夏小刚,黄庆享.基于空隙率的冒落带动态高度研究[J].采矿与安全工程学报,2014,(1):102-107.

[12] 倪绍虎,何世海,汪小刚,等.裂隙岩体水力学特性研究[J].岩石力学与工程学报,2012,31(3):488-498.

[13] 方俊,石智军,李泉新,等.顶板高位定向大直径长钻孔钻进技术与装备[J].矿业研究与开发,2015,35(7):92-97.

[14] 张村,屠世浩,白庆升,等.陷落柱周边应力变化及推采控制研究[J].中国矿业大学学报,2014,(6):974-980.

[15] 姚宁平,张杰,李乔乔.煤矿井下近水平定向钻技术研究与应用[J].煤炭科学技术,2011,39(10):53-57.

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