定向钻进技术在煤矿井下探放水孔施工中的应用.doc

定向钻进技术在煤矿井下探放水孔施工中的应用张立君沈阳煤业(集团)有限责任公司地质测量处2008-5-28定向钻进技术在煤矿井下探放水孔施工中的应用张立君沈阳煤业(集团)有限责任公司地质测量处摘要：由于煤矿井下旧巷汇聚了大量的顶板裂隙水，对其他采面采掘施工安全带来严重威胁。利用定向钻进技术，成功地施工探放水钻孔，并通过钻孔将积水放出，清除了水害隐患，保证了矿井安全生产。关键词：旧巷；定向钻进；探放水1 引言沈阳煤业(集团)有限责任公司西马煤矿，煤系地层及其上部地层为中等含水层，在工作面回采后采空区会有大量顶板岩层裂隙水充填。个别旧巷亦会有大量积水会集现象。北二采区北翼皮带道内会聚了大量积水，预计积水量约3284m3，对其巷道的维修及其邻近采空区积水的排放带来严重影响。为了及时消除水害隐患，满足矿井生产的需要，我公司利用了定向钻进技术进行探放旧巷积水钻孔施工。于2008年12月5日成功施工钻孔孔深147m，孔径90mm，仰角15，探放水钻孔钻至北二总排风巷积水最低点，单孔出水量达70110m3/h。2 钻场及工程地质条件探放水钻场位于北二采区北翼皮带道，行人便利，通风顺畅，水电充足。钻孔自北翼皮带道测1号点前20m，钻孔方位23，倾角15，设计孔深146m，钻孔终孔至北二总排风巷。钻孔所穿岩层依次为：粉砂岩，灰色，层理发育，钻进深度14.3m；14煤，黑色，粉块状亮煤，钻进深度1.9m；细砂岩，灰白至灰黑色，坚硬，钻进深度54.4m；13煤，黑色，粉块状亮煤，钻进深度2.5m；中砂岩，灰白色，厚层状，夹薄层煤屑，钻进深度66.7m；12煤，黑色，结构为0.4(0.5)0.6m，钻进深度6.9m。所钻岩性粉砂岩、细砂岩、中砂岩，f=410，可钻性级，共穿越3层煤，即14煤、13煤和12煤，煤层最厚1.0m，煤质较软，性脆，f=2。岩层倾角为23，各岩层均为平行地层。3 定向探放水孔施工3.1 施工设备定向钻进探放水孔所采用的设备有：MKD-5S型全液压坑道钻机和BW250型泥浆泵。MKD-5S型钻机可施工孔深300，终孔直径为8094mm的钻孔。该钻机由主机、泵站和操纵台3部分组成，搬迁方便，适合煤矿井下坑道有限空间施工。其不但钻进工艺适应能力强，而且起拔、给进能力大，处理孔内事故的能力也强，钻具拧卸还实现了机械化，降低了工人劳动强度。钻孔倾角可090范围调整，可满足施工大倾角钻孔的要求。BW250型泥浆泵，泵量52250L/min，泵压2.56Mpa。该泵不仅能满足定向钻进技术的需要，还能满足放水孔孔口管压水试验（耐压试验稳定4Mpa）的测试要求。3.2 仪器测斜仪选用CQ-1A型磁球定向测斜仪。该仪器用于非磁性钻孔孔段单点测量倾角和方位角，可同时实现倾角和方位角的测量，具有结构简单、精度高、测量结果直观等特点。其倾角测量误差为1。3.3 钻具MKD-5S型钻机选配63.5mm外平钻杆，单根长度1.5m，抗扭强度可达到2000Nm。施工中选用了两种钻头：89mm内凹式复合片钻头（保直钻进）和89mm支柱型球面复合片钻头（造斜钻进）。钻进中使用的保直组合钻具，由63.5mm钻杆、稳定器和89mm内凹式复合片钻头组成，上仰或下斜组合钻具由63.5mm钻杆、稳定器和89mm支柱型球面复合片钻头组成。4 施工工艺根据本次定向放水钻孔的实际施工，其工艺流程如下：钻场准备安装固定钻机开孔及空口管的安设耐压试验定向钻进。4.1 钻场准备钻场布置在北二采区北翼皮带道，准备工作符合施工要求，设备进入钻场。4.2 安装固定钻机设备及材料合理布置，摆放整齐。先调试钻机正常运转，再调钻机方位角和倾角。用单体液压支柱将主机固定，再校正一次保证开孔方位和倾角符合设计要求。4.3 开孔及孔口管的安装为了定位准确，用150mm硬质合金取芯钻头取芯钻进至15.5m停钻封孔。孔口管外露部分预留长度不大于20cm，管壁周围塞入棉纱，并用红胶泥密封，用封孔泵注浆固结孔口管。4.4 耐压试验固结72小时后扫孔。扫孔深度超过孔口管长度0.5m，在孔口管上安装三通、控水瓦笼和水压表、试验盘，管路连接好后即可进行耐压试验。压水试验采取逐级升压法。试验共分四级，每级1 Mpa，即先稳定在1 Mpa左右5min，观察管口有无渗水、松动等现象，确认没有后可继续升压至2 Mpa，依次进行，直到压力最后稳定在4 Mpa，时间不少于30min方可视耐压试验结束。4.5 定向钻进工艺技术在实际施工中采取稳定组合钻具保直钻进、通过测斜掌握钻孔轨迹、及时更换钻具组合形式或调整钻进工艺参数的定向钻进工艺技术措施，对钻孔的倾角和方位角进行控制，使钻孔钻进到预定靶区。4.5.1 保护直钻进稳定组合钻具稳定组合钻具由63.5mm外平钻杆、稳定器和94mm内凹式复合片钻头组成。稳定组合钻具结构形式如图1，根据其对钻孔倾角的影响，分使钻孔上仰、保直两种类型。根据实际钻进过程中对钻孔的测斜结果，调整钻具组合形式、改变钻孔延伸方向。保直组合钻具（a）（保持钻孔倾角不变），其工作原理是：钻头后的稳定器等间距布置，且因其直径与钻头直径相接近，整个钻具达到了“满”、“刚”、“直”的要求，保持钻具在孔内处于居中的位置，能够限制由于钻具弯曲而产生的增斜力；同时由于使用端面切削内凹式复合片钻头，钻进工程中，在钻头前部短岩芯柱的导向作用下，钻头几乎不对或很少切削孔壁，所以使钻孔轨迹沿原设计方向延伸。上仰组合钻具的工作原理是：在钻进工程中，由于靠近钻头的稳定器的支撑作用，使其后的钻杆因自重作用向下弯曲，在钻压和回转离心力的作用下，弯曲加剧，钻头对孔壁上侧的岩石切削作用增强，使钻孔轨迹上仰。在孔深70余米，据孔斜情况更换上仰组合钻具上调钻孔轨迹。4.5.2 小遇层角穿层定向工艺钻进所遇地层存在软硬互层，遇层角较小，约16。由于当钻头通过软硬互层的岩层时，软硬互层对钻头的反作用力的大小不同，使钻具产生倾倒力矩，造成钻孔弯曲。而钻孔弯曲的方向和强度取决于遇层角的大小和软硬互层的硬度差。当钻头由软岩层进入硬岩层且遇层角20时，由于钻压P所引起的钻具在岩层面上的下滑力Pcos将超过钻具与岩层层面的摩擦力f，钻具便沿层面下滑，此时，钻孔将顺岩层方向弯曲（俗称“顺层跑）。为了防止钻孔顺硬岩层面弯曲，保证钻孔轨迹按设计方向延伸。在实际钻进过程中，采取降低钻压、减小泵量的工艺促使进行控制，取得满意的效果。其工艺原理是：降低钻压，也就是减小下滑力，使钻具沿层面下滑强度减弱；减小泵量，目的是为了在第一个稳定器与钻头部分岩煤粉产生堆积，钻具回转时，由于钻杆与岩煤粉颗粒间摩擦力的作用，钻具下部形成岩煤屑，它将迫使钻具向上右方向偏移，产生使钻头也向上右偏移的作用力。二者趋于平衡，从而使钻孔轨迹沿原方向延伸。定向探放水钻孔操作规程参数见表1。5 实际钻进与设计钻孔对比根据实际钻进地层与设计钻孔地层情况的对比，在钻进深度、地层岩性、见煤情况几个方面进行对比，初步推断钻孔的延伸情况。从表2中可以发现，实际钻进地层深度与设计吻合得比较理想。表1 钻孔操作规程参数孔段m钻具组合转数r/min钻进表压冲洗液P给P系P回泵压/ Mpa泵量L/min0-50稳斜90-1202.03.00.51.06050-70稳斜100-1402.53.50.51.56070-90上斜100-1403.04.00.51.88090-110稳斜120-1603.55.00.52.080110-130稳斜120-1604.08.00.52.890130-147稳斜140-2004.58.00.54.590表2 实际钻进与设计比较钻孔设计地层可钻性钻进深度（m）深度（m）遇层角度（）14.315.5粉砂岩4-613.516.216.014煤1-215.270.616.0细砂岩4-671.573.115.813煤1-273.9139.816.0中砂岩4-6140.8146.015.512煤1-2147.06 结语探放水孔于2008年11月23日开始，12月5日中班钻孔钻至北二总排风巷积水区最低点。经实测，单孔出水量约90m3/h，日出水量达到2000m3，达到预期效果。a. 合理使用稳定组合钻具和适当调整钻进工艺参数，是定向钻进技术在施工大倾角、小角度穿层放水钻孔的关键技术。实践证明，定向钻进工艺技术成熟，钻孔效果比较理想。b.