厚煤層中千米定向鉆機(jī)鉆孔層位的合理布置

王 超

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 興縣 033699)

為提高煤炭資源采出率，消除馬圐圙煤礦和斜溝舊井老空積水對(duì)斜溝煤礦23109材料巷掘進(jìn)和后期23109工作面回采的影響，決定采用ZYL-2300 D型千米定向鉆機(jī)在23109材料巷探測(cè)馬圐圙煤礦和斜溝舊礦老空積水情況。針對(duì)千米定向鉆機(jī)在煤礦厚煤層中探測(cè)異常區(qū)運(yùn)用較少，新技術(shù)施工經(jīng)驗(yàn)不足、對(duì)地質(zhì)資料精度需求高等問題，開展千米定向鉆機(jī)縱向錯(cuò)位布置探測(cè)鉆孔研究，做到一孔多用，避免鉆探無效進(jìn)尺，減少鉆探工作量和施工時(shí)間。

1 概 況

斜溝煤礦23109工作面位于太原組13號(hào)煤層21采區(qū)北翼中東部，工作面所在區(qū)域整體為一走向近南北、傾向西的單斜構(gòu)造，探測(cè)鉆孔施工區(qū)域煤層厚度13.03～15.80 m，平均14.86 m，煤層結(jié)構(gòu)：6.78(0.25)2.89(0.30)2.32(0.34)1.98，煤層傾角平均9.6°，材料巷東側(cè)為馬圐圙煤礦(開采13#煤層，2007年07月22日淹井后關(guān)閉)、原斜溝煤礦舊礦(開采13#煤)設(shè)計(jì)巷道(不包括硐室)距根據(jù)物探異常劃定的積水線最近處72 m.山西省興縣馬圐圙煤礦“7.22”地表洪水灌井事故“2007年7月22日下午6時(shí)40分許，馬圐圙煤礦所在區(qū)域突降雨，造成井田內(nèi)麻焉塔溝山洪暴發(fā)”，基于各類報(bào)告中所敘述的老空區(qū)積水量不一致情形，特對(duì)老空區(qū)的最大積水量進(jìn)行了估算，依據(jù)山西煤礦安全監(jiān)察局、山西省煤炭工業(yè)廳印發(fā)的《井下探放老空水技術(shù)要求》中老空水積水量估算公式，估算老空區(qū)最大積水量約447萬m3.由于小窯采掘情況不清，資料可信程度不高，嚴(yán)重影響礦井生產(chǎn)，如果采用常規(guī)方法布置鉆孔，不僅會(huì)造成鉆孔過分密集降低探測(cè)效率，還會(huì)破壞煤柱，增加透水風(fēng)險(xiǎn)，因而采用千米定向縱向錯(cuò)位布置探測(cè)鉆孔，以最少的鉆探進(jìn)尺達(dá)到安全可靠性最高的防治特厚煤層區(qū)域洪水灌井老空水害的目標(biāo)。

2 探測(cè)方案

該次探測(cè)使用威利朗沃公司生產(chǎn)的ZYL-2300 D型千米定向鉆機(jī)。針對(duì)老空區(qū)積水量大且老空形態(tài)復(fù)雜放凈難度大等現(xiàn)狀，根據(jù)《煤礦防治水細(xì)則》第七十九條規(guī)定，優(yōu)先留設(shè)防隔水煤(巖)柱的方法保證工作面的采掘安全。總體采用防隔水煤(巖)柱邊界一線圈定，保證防隔水煤(巖)柱寬度范圍內(nèi)煤層完整性探查。由于該設(shè)計(jì)方案僅為防隔水煤(巖)柱寬度范圍內(nèi)煤層完整性的探查，并非為放水孔，故不需滿足“探放水孔徑96 mm、縱向上孔間距1.5～2 m”的要求，根據(jù)探測(cè)結(jié)果分析論證后再?zèng)Q定是否探放水。

23109材料巷掘進(jìn)進(jìn)入馬圐圙煤礦物探成果劃定的警戒線起施工千米定向鉆機(jī)鉆場(chǎng)，使用ZYL-2300 D型千米定向鉆機(jī)，在23109工作面受馬圐圙煤礦及斜溝舊井老空水影響的防隔水煤柱寬度+回采后煤層破壞范圍4.83 m，即23109材料巷東側(cè)72 m邊界，沿物探成果劃定的積水線一線布置縱向間距2 m的探測(cè)鉆孔2組6孔，孔深630～636 m；在23109材料巷東側(cè)50 m、30 m防隔水煤柱寬度內(nèi)部縱向錯(cuò)位各布置1組3孔，平行煤層頂?shù)装暹吔绲奶綔y(cè)鉆孔布置圖見圖1.鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見表1.

圖1 鉆孔布置圖

表1 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.1 鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)

鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)格為長(zhǎng)8.0 m×寬5.0 m×高3.3 m，滿足ZYL-2300 D型千米定向鉆機(jī)施工要求，鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)在23109材料巷進(jìn)入馬圐圙煤礦物探成果劃定的警戒線上幫，鉆場(chǎng)長(zhǎng)向設(shè)計(jì)方位0°長(zhǎng)度8 m，寬向設(shè)計(jì)方位90°長(zhǎng)度5 m，鉆場(chǎng)底板必須施工平整并硬化。

2.2 鉆孔設(shè)計(jì)

2.2.1 材料巷東側(cè)72 m處鉆孔設(shè)計(jì)

在23109材料巷東側(cè)72 m邊界，沿物探成果劃定的積水線一線布置縱向間距2 m的探測(cè)鉆孔2組6孔，開孔方位38°、37°，孔深630～636 m，施工順序按照1-1#主孔、1-1#-1#分支、1-1#-2#分支、1-1(2)#主孔、1-1(2)-1#分支、1-1(2)-2#分支。1-1#主孔，開孔方位38°，孔深636 m.由于設(shè)計(jì)剖面圖是根據(jù)煤層底板等高線設(shè)計(jì)，故在1-1#主孔施工過程中應(yīng)每隔30 m探測(cè)煤層頂板以便驗(yàn)證鉆孔是否在設(shè)計(jì)層位鉆進(jìn)，根據(jù)主孔的探測(cè)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整預(yù)計(jì)的煤層頂?shù)装暹吔缇€。1-1#-1#分支、1-1#-2#分支分別在1-1#主孔30 m、60處開設(shè)分支，1-1#-1#分支、1-1#-2#分支在縱向剖面上分別位于煤層頂板下方4 m、6 m處，孔深630 m.1-1(2)#主孔開孔方位37°，孔深636 m，1-1(2)#主孔在縱向剖面上位于煤層頂板下方8 m.1-1(2)-1#分支、1-1(2)-2#分支分別在1-1(2)#主孔30 m、60處開設(shè)分支，在縱向剖面上分別位于煤層頂板下方10 m、12 m處，孔深630 m.72 m鉆孔剖面圖見圖2.

圖2 72 m鉆孔剖面圖

2.2.2 材料巷東側(cè)50 m處鉆孔設(shè)計(jì)

在23109材料巷東側(cè)50 m一線防隔水煤柱寬度內(nèi)部布置1組3個(gè)孔，鉆孔開孔方位29°，孔深630～636 m，在煤層縱向與東側(cè)72 m處鉆孔錯(cuò)位布置。施工順序按照1-2#主孔、1-2#-1#分支、1-2#-2#分支。1-2#主孔根據(jù)72 m處1-1#主孔施工情況，在23109材料巷東側(cè)50 m一線的煤層頂板往下1.0 m處布置，以補(bǔ)充1-1#主孔在72 m處縱向上的鉆探空白，孔深636 m.1-2#-1#分支、1-2#-2#分支分別在1-2#主孔30 m、60處開設(shè)分支，1-2#-1#分支、1-2#-2#分支在縱向剖面上分別位于煤層頂板下方6 m、11 m處，孔深630 m.50 m鉆孔剖面圖見圖3.

圖3 50 m鉆孔剖面圖

2.2.3 材料巷東側(cè)30 m處鉆孔設(shè)計(jì)

在23109材料巷東側(cè)30 m一線防隔水煤柱寬度內(nèi)部布置1組3個(gè)孔，鉆孔開孔方位21°，孔深630～636 m，在煤層縱向與東側(cè)72 m、50 m處鉆孔錯(cuò)位布置，施工順序按照1-3#主孔、1-3#-1#分支、1-3#-2#分支。1-3#主孔根據(jù)72 m處1-1#主孔施工的情況，在23109材料巷東側(cè)30 m一線的煤層頂板往下3.5 m處布置，孔深636 m.1-3#-1#分支、1-3#-2#分支分別在1-3#主孔30 m、60處開設(shè)分支，1-3#-1#分支、1-3#-2#分支在縱向剖面上分別位于煤層頂板下方8.5 m、13.5 m處，孔深630 m.30 m鉆孔剖面圖見圖4.

圖4 30 m鉆孔剖面圖

鉆孔終孔分布圖見圖5.

圖5 鉆孔終孔分布圖

千米定向探測(cè)鉆孔施工過程中遇地質(zhì)構(gòu)造、巖層或塌孔等影響時(shí)，鉆孔達(dá)不到設(shè)計(jì)孔深，需進(jìn)行補(bǔ)充鉆探，補(bǔ)充鉆探仍達(dá)不到設(shè)計(jì)孔深時(shí)，對(duì)所施工探測(cè)鉆孔進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果制定防治水措施。

2.3 施工流程

1)鉆探工藝流程：立鉆—安裝—定鉆—通電試運(yùn)轉(zhuǎn)—開孔—固孔—正常鉆進(jìn)—退鉆—拆鉆—移鉆。

2)鉆機(jī)固定：上部采用3根立柱單體支撐固定，下部還有4根單體，開孔前使用鉆機(jī)開孔定向儀確定鉆孔的方位及傾角。

3)在設(shè)計(jì)位置用d96 mm鉆頭以設(shè)計(jì)方位、傾角鉆進(jìn)10 m，再用d196 mm鉆頭擴(kuò)孔10.5 m.

4)安裝固定孔口管。a)將孔口套管插入上述擴(kuò)孔后的鉆孔孔底，并用封孔器將鉆孔封閉。b)將注漿管路連接好。c)使用注漿設(shè)備往鉆孔內(nèi)注入水泥漿，待孔口套管口外壁出現(xiàn)水泥漿滲出，結(jié)束注漿。d)待水泥漿凝固后，使用d96 mm鉆頭對(duì)孔口套管內(nèi)水泥進(jìn)行掃孔，正常鉆進(jìn)。e)在孔口管上安裝控水閥門，管路連接好后即可進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，壓力不小于預(yù)計(jì)最大水壓的1.5倍(即1.3 MPa)，觀察孔口及孔口管有無滲水、松動(dòng)等現(xiàn)象，30 min后確認(rèn)沒有方可結(jié)束耐壓試驗(yàn)。在耐壓試驗(yàn)中，如果出現(xiàn)滲水及孔口管松動(dòng)等現(xiàn)象，要根據(jù)實(shí)際情況分析處理后再進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，直至達(dá)到耐壓試驗(yàn)要求。

3 實(shí)際探測(cè)情況

3.1 材料巷東側(cè)72 m處施工情況

23109材料巷澳鉆1-1#主孔，開孔方位38°，施工636 m，1-1#-1#分支施工633 m、1-1#-2#分支施工633 m，3個(gè)孔用時(shí)9天。施工過程中實(shí)際施工軌跡與預(yù)期的設(shè)計(jì)有一定誤差，根據(jù)該鉆孔施工情況分析：為了在最短的孔深內(nèi)鉆進(jìn)至預(yù)期層位，致使設(shè)計(jì)開孔傾角過大，鉆機(jī)穩(wěn)固性降低。實(shí)際探測(cè)頂板層面標(biāo)高高于根據(jù)煤層底板等高線推測(cè)的頂板標(biāo)高。

1-1#(2)號(hào)主孔，開孔方位37°，施工636 m，兩個(gè)分支孔分別施工630 m、633 m,用時(shí)8天，主孔由于開口50 m內(nèi)施工時(shí)方位偏差局部反向，設(shè)計(jì)分支孔曲率(1°～1.2°)/6 m,被迫超1°/6 m，見圖6.

圖6 72 m實(shí)際施工鉆孔軌跡圖

3.2 材料巷東側(cè)50 m處施工情況

23109材料巷澳鉆，在材料巷東側(cè)50 m處共施工鉆孔3個(gè)，1-2#主孔，開孔方位29°，此處共施工1 899 m，3個(gè)孔用時(shí)7天。根據(jù)材料巷東側(cè)72 m鉆孔情況，及時(shí)對(duì)煤層頂板底板進(jìn)行重新預(yù)測(cè)和調(diào)整，從施工效果來看材料巷東側(cè)50 m處澳鉆施工相對(duì)于上處施工要更理想，影響時(shí)間也相對(duì)較少。此處施工鉆孔與東側(cè)72 m處鉆孔布置成錯(cuò)落布置，以保證鉆孔在煤層縱向可以全覆蓋。

3.3 材料巷東側(cè)30 m處施工情況

23109材料巷澳鉆，在材料巷東側(cè)30 m處共施工鉆孔3個(gè)，主孔開孔方位21°.此處共施工1 896 m，用時(shí)10天。此處施工鉆孔與東側(cè)72 m、50 m處鉆孔布置成錯(cuò)落布置，以保證鉆孔在煤層縱向可以全覆蓋。

4 優(yōu) 點(diǎn)

該次在23109材料巷東側(cè)72 m、50 m、30 m 煤柱寬度內(nèi)縱向錯(cuò)位布置平行煤層頂?shù)装暹吔绲奶綔y(cè)鉆孔，可以有效避免老空巷道在鉆孔控制的范圍內(nèi)減少漏洞。合理布置鉆孔，做到一孔多用，避免鉆探無效進(jìn)尺，減少鉆探工作量和施工時(shí)間，節(jié)省固管材料和固管時(shí)間。根據(jù)探測(cè)實(shí)踐及分析研究，查清了防隔水煤柱的完整可靠程度以及工作面設(shè)計(jì)影響范圍內(nèi)的老空賦存大致情況，為巷道設(shè)計(jì)、探測(cè)方案預(yù)先變更提供依據(jù)，并為后續(xù)ZDY-1300礦用液壓鉆機(jī)探測(cè)鉆孔減少了探測(cè)工作量，縮小了靶區(qū)，提高了探測(cè)效率。

5 建 議

通過在23109材料巷對(duì)馬圐圙煤礦和斜溝舊礦老空積水的探測(cè)設(shè)計(jì)和成果對(duì)比分析，提出定向鉆機(jī)在厚煤層探測(cè)異常區(qū)時(shí)鉆孔層位合理布置施工建議：

1)鉆孔布置首先要掌握探測(cè)區(qū)域的煤層變化情況。地質(zhì)條件不清楚，可以先施工一個(gè)靠近頂板的主孔，在施工過程中應(yīng)增加頂板探測(cè)密度，根據(jù)探測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整預(yù)計(jì)的煤層頂?shù)装暹吔缇€。

2)根據(jù)掌握的煤層頂?shù)装鍞?shù)據(jù)，鉆孔沿煤層縱向上按1.5～2 m布置，鉆孔布置如果小于1.5 m,會(huì)有鉆孔穿孔的可能，如果大于2 m，會(huì)造成控制范圍太大，不能有效控制老空范圍。

3)鉆孔主孔盡量布置在分支的上部，這樣便于分支的留設(shè)。

4)每設(shè)計(jì)施工一個(gè)鉆孔必須明確探測(cè)目的及對(duì)探測(cè)區(qū)域內(nèi)整體勘探布置中所起的作用，做到一孔多用，避免鉆探無效進(jìn)尺，增加鉆探工作量和施工時(shí)間。