顶板探放水长距离定向钻孔在巴彦高勒煤矿的应用_王博.pdf

第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0390引言煤矿水灾是煤矿建设和生产的主要灾害之一，施工探放水钻孔是解决水害的重要手段。定向钻进技术以其钻进轨迹可控、钻孔轨迹精确测量、钻孔长、目标层钻遇率高等显著的技术优势，近年来发展迅速，已成为煤矿井下非常成熟的坑道钻探技术，目前已广泛地应用于探放水、瓦斯防治、地质构造探测等领域。巴彦高勒煤矿处于鄂尔多斯盆地侏罗世含煤带中部深埋区的呼吉尔特矿区南部，矿井水害问题突出，主要体现在主采的3-1煤层顶板延安组和直罗组含水层结构复杂，尤其直罗组含水层富水性极强，不均一，且层位垂高大，现有的普通回转疏放水受钻孔深度浅、轨迹无法控制、探查范围及精度有限等条件限制，导致疏放水效率低下，因此引进长距离定向钻进技术解决巴彦高勒煤矿水害问题具有重要意义。1矿井水文地质条件概况巴彦高勒井田位于区域性地表分水岭“东胜梁”的南侧，是区域性单斜储水构造单元的组成部分。矿井目前主采煤层为3-1煤，煤层顶板含水层自上而下依次为第四系松散层潜水含水层、白垩系下统志丹群孔隙潜水承压水含水层、侏罗系中统安定组碎屑岩类承压水含水层、侏罗系中统直罗组碎屑岩类承压水含水层、侏罗系中统延安组碎屑岩类承压顶板探放水长距离定向钻孔在巴彦高勒煤矿的应用王博（中煤科工西安研究院（集团）有限责任公司，西安710077）摘要：针对巴彦高勒煤矿主采的3-1煤层顶板延安组和直罗组含水层结构复杂，尤其直罗组含水层富水性极强，不均一，且层位垂高大，采用常规钻孔进行顶板砂岩水害治理存在钻孔深度浅、轨迹无法控制、探查范围及精度有限的问题，引进定向钻进技术，利用其轨迹可控，探查精度高，钻孔深度大的优势在311307工作面施工长距离定向钻孔进行采前顶板砂岩含水层探放，通过现场应用，完成1#钻孔孔深1 118 m，1-1#分支钻孔孔深778 m，控制钻孔轨迹在目标直罗组砂岩层位延伸，增加了钻孔探放水有效孔段距离，单孔最大出水量88 m3/h，提升了工作面探放水钻孔的探查范围和放水效率，为工作面实现掘进和回采提供了安全保障。关键词：顶板探放水；定向钻进；长距离；有效孔段中图分类号：TD745文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 167 04Application of Long Distance Roof Water Exploration and DrainageDirectional Drilling in Bayangol Coal MineWANG Bo(China Coal Technology and Engineering Xian Research Institute(Group)Co.,Ltd.,Xian 710077,China）Abstract:In view of the complex aquifer structure of Yanan formation and Zhiluo formation in the roofof 3-1 coal seam mainly mined in Bayangaole coal mine，in particular,the Zhiluo formation aquifer ishighly water rich,uneven,and the horizon is vertical and tall，there are some problems of shallow drillingdepth,uncontrollable trajectory，limited exploration range and accuracy when conventional drilling isused for roof sandstone water disaster control，introduce directional drilling technology，takingadvantage of its controllable trajectory,high exploration accuracy and large drilling depth，long distancedirectional drilling is constructed in working face 311307 for pre mining roof sandstone aquiferexploration and drainage，through field application，No.1 borehole depth 1 118 m，No.1-1 branchborehole depth 778 m were completed，controlling the extension of borehole trajectory in targetsandstone horizon，the distance of effective hole section is increased.The maximum discharge of singlehole is 88 m3/h，the exploration range and drainage efficiency of water exploration and drainageboreholes in the working face are improved，it provides security for the working face to realize the excavationand mining.Key words:roof water exploration and drainage；directional drilling；long distance；effective hole section167第42卷第02期顶板探放水长距离定向钻孔在巴彦高勒煤矿的应用王博Vol.42 No.02水含水层，3-1煤采后主要的充水含水层为延安组和直罗组含水层。2配套装备优选考虑此次长距离定向钻孔施工钻孔距离长、轨迹高程大的特点，结合巴彦高勒矿311307工作面顶板地层条件，配套了由中煤科工集团西安研究院有限公司生产的ZDY6000LD(F)型履带式全液压定向钻机、3NB-300/12型泥浆泵和YHD2-1000（A）型随钻测量系统，配套了73 mm定向钻具组合、133/93 mm、153/133 mm、193/153 mm、250/120 mm扩孔钻具组合，长距离定向钻孔优选配套设备参数：钻机ZDY6000LD（F）泥浆泵3NB-300/12钻杆73 mm3 m通缆钻杆73 mm1.5 m外平钻头/mm96钻头/mm133/94扩孔钻头/mm153/133扩孔水辫/mm73-通缆水辫普通测量系统YHD2-1000(A)螺杆马达/mm73/1.25水箱/m32.25中 煤 科 工 集 团 西 安 研 究 院 研 制 生 产 的ZDY6000LD（F）履带式全液压定向钻机有搬迁方便、转速调节范围宽、扭矩大、结构合理、技术性能先进、工艺适应性强、操作省力、安全可靠等优点。ZDY6000LD（F）型钻机主要技术参数：主轴倾角/（）-1020钻车质量/kg7 000回转速度/rmin-150190回转扭矩/Nm1 6006 000主轴额定制动转矩/Nm1 000给进能力/kN180起拔能力/kN180行走速度/ms102.5给进/起拔行程/mm1 000最大爬坡能力/（）20液压系统额定压力/MPa泵26/泵21电机功率/kW75配套使用3NB-300/12型泥浆泵，3NB-300/12泥浆泵为卧式三缸单作用活塞泵，主要作用：为冲洗介质提供动力，使冲洗介质完成驱动螺杆钻具，携带岩屑、冷却润滑钻具等任务。该泥浆泵具有性能稳定、流量可调、维修方便的特点。选用了73 mm中心通缆钻杆，该钻杆具有以下特点：钻杆接头采用内加厚方式局部增加壁厚，通过摩擦焊与钻杆相连，钻杆外径73 mm，内径59 mm，钻杆强度较高；在测量钻孔轨迹的过程中，通缆钻杆能够实现孔底钻孔参数的信号传递；该钻杆刚性好、抗弯扭能力强，强度既可满足孔底马达钻进要求也可以满足回转钻进要求。选用了YHD2-1000（A）随钻测量装置，YHD2-1000（A）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4部分组成。与定向钻机、孔底螺杆马达和钻头配套使用，用于水平定向钻进的测量和控制，从而实现钻孔轨迹控制，该系统具有测量准确、信号稳定、传输快的特点，可缩短长距离钻孔施工的辅助钻进时间。随钻测量装置系统连接如图1所示。图1YHD2-1000（A）随钻测量系统连接示意图1.测量探管2.螺杆钻具3.定向钻头4.无磁钻杆5.通缆钻杆6.防爆计算机7.通信电缆8.送水器9.定向钻机10.高压水管11.泥浆泵车选用了73 mm/1.25四级螺杆马达，1.25的马达弯角易实现平滑的钻孔轨迹，有利于减小长距离钻孔孔壁与孔内钻具之间的摩阻，螺杆马达最大扭矩达到534Nm，可实现在中硬岩层中高效钻进。此次顶板探放水长距离钻孔轨迹钻穿含水地层延伸时，容易出现钻孔大量涌水现象，危险系数大大增加，孔口安全措施必须做到位，在中心通览钻杆中加入防喷逆止阀短接、在孔口增设防喷器能够大大提高钻孔施工的安全性。3工程应用3.1钻孔结构设计考虑到此次施工目的为探放直罗组中砂岩含水层，根据以往采掘揭露的地层水信息，预计钻孔出水量3060 m3/h，为保障钻孔顺利施工，确保钻孔施工安全，并为孔内事故处理留有余地，设计钻孔结构如表1、图2所示。表1长距离顶板探放水钻孔结构表1234567891011终孔孔径96一级孔径193一级套管180二级孔径153二级套管127mm168图2钻孔孔身结构设计示意图1.水泥浆液2.二级套管3.一级套管4.岩壁5.泄水阀3.2钻孔轨迹设计1#钻孔主孔开孔高度2.6 m（距离3-1煤底板），开孔倾角15，设计孔深1 000 m，钻孔轨迹穿延安组含水层进入直罗组含水层并延伸至终孔位置。设计参数如表2所示。表2长距离疏放水钻孔设计参数表3.3钻孔施工现场施工从2017年12月2018年2月，在311202工作面转载巷钻场施工长距离疏放水钻孔1个，累计进尺1 536 m。其中，1#主孔深度1 118 m，1-1分支孔深度778 m，钻孔最大垂高93.54 m，单班最大进尺42 m，具体施工数据如表3所示，实钻轨迹如图3和图4所示。表31#钻孔施工数据统计表图31#钻孔实钻轨迹剖面图图41#钻孔实钻轨迹平面图4探放水效果分析总体分析1#钻孔探放水情况，钻孔超前探放最大深度1 118 m，探放最大垂高93.54 m，1#主孔与1-1#分支钻孔终孔水平间距51.64 m。1#钻孔首次出水孔深141 m，垂高30.3 m，综合分析返水及钻渣情况，判断出水层位为延安组灰色砂岩层位，出水量4 m3/h。1#钻孔二次出水孔深483 m，垂高74.5 m，钻孔返水颜色变为灰白色，岩性变为中粒砂岩，判断已进入直罗组中粒砂岩层位，出水量由4 m3/h增至12.5 m3/h。1#主孔钻进至孔深834 m，垂高83.72 m，出水量短期内增大至88 m3/h，判断出水层位为直罗组中砂岩层位。此后随着孔深增加，钻孔轨迹揭露直罗组底部灰绿色砂质泥岩，钻孔出水量逐渐减小并稳定至10 m3/h，至1#钻孔施工至1 118 m终孔，出水量再无明显变化。1-1#分支钻孔分支点位置孔深343 m，终孔位置相对于1#主孔向南偏移51.64 m。1-1#分支钻孔施工至孔深498 m，垂高74.07m，钻 孔 出 水 量 由8 m3/h增加至12.5 m3/h，随着孔深增加，1-1#钻孔出水量稳定至10 m3/h至终孔，终孔孔深778 m。具体出水量统计如表4所示，出水层位如图5所示。表41#钻孔出水