井下定向疏放水技术在梅花井煤矿的应用

国能宁夏煤业能源工程公司环安分公司 宁夏 银川 751100

0 概述

随着矿井采掘工作的不断开展,采掘工作时受工作面煤层顶板砂岩富水层影响越来越明显,甚至出现多次顶板透水事故。一般通过采用钻孔施工的方法对其进行合理、有效疏放。但在钻孔施工过程中,由于常规回转钻进工艺存在钻孔施工长度短、影响正常掘进、施工精度较差等问题,探放水效果较差,起不到超前探查和疏放顶板水的作用。鉴于此,采用井下定向钻进技术顺层施工长距离疏放水钻孔,不但可以超前探查掘进头600m范围内顶板赋水情况,对掘进工作影响也比较小,最主要是疏放水效果极佳,最大单孔涌水量可达到200m3/h,疏放效果显著。

1 工程概述

梅花井煤矿是国能宁夏煤业公司千万吨级重点煤矿之一。本次施工的232205工作面为23采区2煤接续工作面,根据相关地质资料显示,区内影响采掘工作面的主要含水层为直罗组砂岩裂隙～孔隙承压水含水层,含水层厚度16.81～340.82m,平均厚度81.01m。该工作面在巷道掘进过程中受上覆含水层影响,部分区段出现顶板淋水或锚索出水现象,对掘进工作造成了较大的影响。

鉴于上述情况,梅花井煤矿在232205工作面机巷布置长距离定向钻孔开展掘进超前探及工作面上覆含水层探查疏放钻孔工程,以解决工作面顶板赋水问题。

2 施工装备

本项目的主要设备为ZDY-6000LD井下定向钻机,它主要包括钻机系统、钻具组合和随钻定向系统,具体如下:

2.1 钻机系统 施工所用钻机采用西安煤炭科学研究院钻探研究所研制生产的ZDY-6000LD履带式全液压钻机。

2.2 定向钻具组合 φ94mmPDC钻头+φ76mm螺杆马达(弯角1.25°)+φ76mm下无磁+φ76mm测量探管+φ76mm上无磁+φ73mm通缆钻杆。

2.3 随钻定向系统 本项目施工采用YHD1-1000型随钻测量系统,可随钻测量钻孔倾角、方位、工具面等主要参数。

3 工程概况

3.1 钻孔布置 本次定向钻孔共布置2个钻场,5个主孔,孔长123-573m不等,主要用于疏放232205工作面机巷巷道顶板以及切眼附近顶部积水。

3.2 钻具组合及钻孔结构

3.2.1 钻孔结构 本次定向钻孔设计均采用φ94mm钻头进行开孔,采用φ165mm/φ180mm扩孔钻头扩孔,扩孔长度超过孔口管下设长度至少1.0m;扩孔后下设φ127mm,壁厚6mm的孔口管固孔,以φ94mm孔径裸孔钻进至终孔位置。

3.2.2 钻具组合

①开孔:φ94mm钻头+φ73mm常规钻杆+φ73mm水尾

②扩孔:φ165mm钻头+φ73m常规钻杆+φ73mm水尾

③钻进:φ94mm钻头+φ73mm常规钻杆+φ73mm水尾

3.3 止水管长度 布置钻孔开孔标高+761.8,与终孔点最大高差100m,钻孔涌水基本无压力,综合考虑按照防治水规定要求止水套管大于15m即可,考虑到钻孔成孔后排水系统影响,将孔口管加长到16m。并确保将煤层段全部进行封固。

4 工程施工情况

4.1 一号钻场 一号钻场共施工2个钻孔,主孔最深达到573m,终孔后钻孔涌水量达到40m3/h。

4.2 二号钻场 二号钻场共施工3个钻孔,主孔最深达到420m,终孔后最大涌水量30m3/h。

4.3 钻孔施工平面图

5 攻克的技术难点

5.1 钻孔目标层位粗砂岩含水层位于煤层顶板2.5-3m以上位置,由于煤层顶板泥岩遇水极易破碎导致钻孔开孔时塌孔严重,通过采用跟管钻进,很好的解决了钻孔封孔问题。

5.2 目标层位粗砂岩含水层实际厚度只有3.5-4m左右,与预计16m偏差较大,并且目标层位顶、底部均为泥岩,遇水极易破碎,给定向钻进带来很大困难。通过采用施工分支孔,区段探顶的方法最后确保了主孔轨迹在目标层位中延伸,达到了预期效果。

5.3 本次施工一号钻场1号钻孔主要解决巷道淋水问题,由于机巷条件限制,钻场只能布置在下帮,但钻孔在250m后需要穿过巷道往工作面延伸,由于目标层位距煤层顶板2.5-3m,而巷道支护锚索4-4.5m左右,这给施工带来很大困难。最后将钻孔轨迹确定控制在距巷道顶板5m左右通过巷道,未出现破碎情况以及巷道顶板漏水等问题。

5.4 钻孔施工时,由于目标层位较薄、局部起伏较大,钻遇底板泥岩就破碎导致钻孔很难再继续往前延伸,所以在施工过程中,人为多预留分支点,并且钻孔尽量贴近目标层位底板2m以上施工,一旦钻孔接触顶部泥岩塌孔时,可以开分支往下继续钻进。确保钻孔顺利施工到设计位置。

6 效果分析

一号钻场1号钻孔施工结束后最大涌水量达到40m3/h,较常规钻孔相比,钻孔涌水量衰减速度慢,持续较大,钻孔施工结束后,机巷顶板淋水明显减少,只有局部区域有少量淋水,为巷道安全掘进提供了强有力支撑。

二号钻场施工结束后,钻孔最大涌水量达到30m3/h,机巷该区域淋水明显减小,同时顶板水疏放为后期开切眼安全掘进提供了坚实保障。

7 结语

针对梅花井煤矿232205工作面机巷因煤层直接顶含水层影响,巷道顶板通过锚索眼和裂隙大量淋水,造成顶板变形严重,底板软化以及后期开切眼安全掘进等问题,通过从232205工作面机巷合适位置施工长距离定向疏放水钻孔,有效解决了机巷淋水问题及后续开切眼安全掘进问题,为232205工作面机巷的安全掘进提供了坚实保障,解决了矿方的燃煤之急问题。