定向钻进技术在底板水害超前探查中的应用

袁子航，叶根飞，赵永哲，孙 阳

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；3.中国煤炭科工集团有限公司，北京 100013)

矿井水害是煤矿重大自然灾害之一，严重威胁着煤矿安全生产。随着煤矿开采深度的加深，底板灰岩水害治理工作已经成为煤矿安全开采的重中之重，在淮南矿区尤为突出[1-4]。为预防巷道掘进过程中发生突水事故，实现巷道安全、连续掘进，目前在巷道掘进前主要采用常规前探孔和定向前探孔对巷道底板一定范围内含水层进行超前探查，并要求超前探查距离不小于30m[5，6]。

由于定向钻孔具有钻孔轨迹可控、目标层位钻遇率高、单孔探查距离远等优势[7-10]，采用定向长钻孔进行底板防治水成为一种发展趋势。本文以淮南顾北煤矿掩护底板巷道掘进水害超前探查项目为例，分析优化定向前探孔的设计及施工工艺，并将定向前探孔与常规前探孔的施工效果进行对比分析。

1 地质条件及施工目的

淮南顾北煤矿1#煤层底板距离石炭系太原组第一层灰岩平均18.32m，第一水平(-648m)灰岩水头压力达6.5MPa，超过1#煤层底板岩层允许承受的最大水压值，且底部奥灰水可能因断层或其它导水裂隙直接与太原组灰岩发生水力联系。因此，1#煤层底板巷道掘进受灰岩水害威胁严重。为掩护巷道安全掘进，需施工钻孔对底板水害进行超前探查。

图1 地层柱状图

2 钻孔设计

2.1 钻孔轨迹设计

图2 设计钻孔轨迹

表1 钻孔设计参数

2.2 孔身结构设计

表2 TD2-1及TD2-2孔身结构参数

3 配套机具

定向钻进配套机具主要包括钻机、泥浆泵、螺杆钻具、随钻测量仪器等。煤矿井下定向钻孔施工时，需根据施工目的、地层条件及钻孔参数选用合适的定向钻进设备。依据顾北煤矿地质条件复杂、灰岩硬度高、泥灰岩交界面不稳定、煤矸石薄层较为破碎等特点，选用的主要设备机具参数见表3。

表3 定向钻进设备机具参数

4 施工工艺

4.1 钻进规程及设备参数

钻进规程参数主要指泵量、转速和钻压。煤矿井下钻孔施工使用清水作为循环液，为保证钻渣顺利返出钻孔，环空流速应不小于1m/s。钻头转速由转盘转速和螺杆转速两部分组成，定向钻进过程中转速由螺杆提供。式(1)表示返水流速与泵量的关系，式(2)表示螺杆钻具转速与泵量的关系，确定钻具组合及返水速度后，可计算得到定向钻进过程中泵量及定向钻进转速的取值。钻压的取值主要与岩石硬度有关。本次钻孔施工过程中的钻进规程参数选取见表4。

表4 钻进规程参数

Q=0.06×A·v

(1)

式中，Q为泵量，L/min；A为环空间隙的面积，mm2；v为环空流速，m/s。

Q=N·q

(2)

式中，q为螺杆钻具每转的排量，L/r；N为螺杆钻具的转速，rpm。

4.2 一开钻进

4.3 二开钻进

二开钻孔采用定向钻具组合，以复合钻进为主。由于泥岩及煤线较破碎、软弱，易出现缩颈、掉块甚至引起塌孔、卡钻事故，因此当钻入软弱破碎地层时，应适当降低泥浆泵排量和转速，从而降低螺杆钻具产生的横向振动[13，14]，减小对孔壁的破坏。钻遇地层由软岩钻入硬岩时，应控制钻压，防止钻孔轨迹产生较大偏斜，导致下套管时遇阻。二开钻进同样采用施工先导孔，然后扩孔的施工工艺。扩孔完毕后，进行冲孔排渣和通孔作业，最后安设次级套管并封固。

4.4 三开钻进

5 现场应用效果分析

表5 钻孔实际施工情况

表6 定向前探孔与常规前探孔应用情况

以现场应用情况为依据可分析得到，当探查距离约600m时，施工定向钻孔与施工常规钻孔进行水害超前探查相比较，前者钻孔总进尺和辅助掘进工程量约为后者的1/5，有效探查进尺占比达92%，约为后者2.7～3倍，钻孔施工工期减少约2/3；后者虽然目标层累计进尺可达前者3倍，但对含水层有效覆盖孔间与终孔水量并无显著提高。因此，两种前探孔施工均可对一定范围内含水层进行连续的、长距离有效探查，能满足水害超前探查需求。但为掩护掘进长度大于600m的巷道进行水害超前探查时，采用定向前探孔相较于常规前探孔在经济效益方面具有显著提高。

6 结 论

1)巷道掘进超前探查定向钻孔施工技术，具有工期短、经济效益好、单孔探查距离长、有效探查进尺占比高等优势，可满足水害超前探查的需求。

2)通过参考临近区域钻孔施工资料，对定向钻孔不同孔段施工工艺进行研究，总结出适用于该矿区的定向钻孔施工工艺，可指导优化定向钻进参数，提高钻孔施工效率。

3)定向超前探查钻孔的成功施工，为顾北煤矿水害超前探查提供了新模式，符合煤矿降本增效的开采理念和发展思路。