大口径瓦斯抽放孔施工工艺及事故处理研究-以塔山煤矿为例

7大口径瓦斯抽放孔施工工艺及事故处理研究—以塔山煤矿为例、摘要:大口径瓦斯抽放孔施工要根据地层变化选择钻具组合及泥浆液,合理控制压力,加强固井。本文结合塔山煤矿瓦斯抽放孔穿越浅部采空区情况,采用上部“环空间隙加塞地面灌浆”、中部双层砌筑隔水墙、下部“管内注浆返排”方式固井,并采用机械整形法处理套管变形,效果良好。关键词:大口径;瓦斯;采空区近年来,随着钻探技术与装备进步,煤炭钻探工程产生了大口径水井钻、大口径桩基孔以及深部地下竖井工程、非开挖工程乃至过江隧道(盾构工程)等特殊钻探项目,且大口径钻井(孔)、L型井(孔)工程量逐渐增多,主要应用于矿区地面大口径工程、煤层气水平定向井工程与煤层顶底板区域治理等领域。大口径等特殊钻探可以应用于煤矿矸石投放、充填采空区塌陷区治理、连通回风联巷、瓦斯集中抽排放等工程,还可以在遇到矿难时,施工定向孔连通地面和井下用于抢险救灾;用于地面和地下线缆布设、煤层顶底板区域治理等领域;这种在不开挖地表条件下进行地下施工的的勘探与开发、煤矿煤层顶底板区域治理等领域[1-3]。同煤大唐塔山煤矿是国内领先的特大型高瓦斯矿井,瓦斯含量大,“大口径瓦斯抽放孔＋地面泵站”是瓦斯治理和利用的常用方式,研究大口径施工瓦斯抽放孔施工工艺十分必要。塔山煤矿坐落于山西省西北部,距离大同市区约30km。该矿区横跨大同和朔州两个地级市的行政区划,分别隶属大同市南郊区、左云县以及朔州市怀仁县管辖。得益于周边完善的交通网络,矿区物资运输便捷、高效。矿区整体地势由西南向东北逐渐降低,平均海拔约1350m。地表主要被黄土层覆盖,仅在局部沟谷地带可见侏罗系地层露头。区内水系发达,以口泉河为主干,支流纵横交错,形成树枝状水文网络,塑造出典型的黄土梁峁地貌。矿区西部基岩广泛出露,以侏罗系大同组为主;东部以二叠系上石盒子组为主,多为抗风化能力强的砂岩。沟谷走向大多呈北西－南东走向,整体呈现壮观的层峦叠嶂景观。塔山井田位于大同煤田东部边缘,地质构造复杂多样。勘探结果表明,该区域地层既保留了大同煤田的整体沉积特征,又因其特殊的地理位置而形成独特的沉积特点。主要含煤地层包括侏罗系中统大同组、石炭系上统太原组以及二叠系下统山西组。值得注意的是,虽然侏罗系中统大同组含煤,但并不包括在当前的采矿范围内。井田地层见表1。序号地层厚度(m)岩性特征1上太古界集宁群-肉红色花岗片麻岩等,分布于井田外东南2寒武系(∈)下统(∈1):底部为薄层页片状砂质泥中统(∈2):竹叶状灰岩及厚层状石灰岩。上统(∈3):厚层状灰岩与泥质条带灰岩互层3奥陶系(O)下统(O1):下部冶里组为白云岩,泥质白云岩夹结晶白云质灰岩4石炭系(C)本溪组(C2b):铁质泥岩,铝土质泥岩、煤和1~2层石灰岩。太原组(C3t):灰部分煤层中有煌斑岩侵入5二叠系(P)采,平均煤厚2.63m。下统下石盒子组8续表序号地层厚度(m)岩性特征6侏罗系(J)下统永定庄组(J1y):底部为中、粗粒长石石英杂砂岩(标志层K8),中部为厚层夹砂岩、砂砾岩。中统大同组(J2d):砂成。中统云岗组(J2y):主要出露于井田互层7白垩系(K)白垩系下统左云组(K1z):出露于井田砾径变化大,成分复杂,主要为片麻岩、8第四系(Q)和小砾石。全新统(Q4):为冲积、洪积2施工工艺通过地质特征,明确钻遇地层的岩性、埋深、层厚,水文地质特征应指明含水层厚度、含水量和含水压力等参数,为钻井设计及施工提供参考,提前规划钻头优选、优化钻进参数[4]。结合不同井径、井深的钻进特点,优选合理的钻进工艺、钻具级配及钻进参数。先导孔以快速钻进、精确定向为主,在确保命中靶点基础上优化轨迹控制;扩孔以铅垂保直钻进为主,优选钻具组合及钻进参数,实现扩孔保直钻进,为下套管提供条件[5-6]。钻孔设计孔深为495m,穿越3-5号煤层,钻孔结钻孔采用五开结构,一开采用定向钻进,其余4开为扩孔,钻具组合见表2。表2钻具组合表开钻次序井眼尺寸(mm)钻进井段(m)钻具组合一开二开三开四开五开钻进过程中要时刻调整钻进参数,确保“安全、质钻,禁止不转钻具直接冲出井眼,上部井段地层易破碎垮塌,易出现掉块,做好防卡工作。打好领眼,轻压慢钻,在保证钻铤出地面后,方可将钻井参数逐渐提高到设计值,实现快速钻进;同时,要时刻关注扭矩变化,发现扭矩突然增大时应及时采取措施,再恢复钻进,防止断钻具事故。钻井参数表3钻井参数设计开钻次序钻头序号层位井段喷嘴组合钻井液性能钻进参数PV(MPa●s)YP(Pa)钻压(kN)转速(rpm)排量(L/s)立管压力(MPa)一开1云冈组~太原组//二开2-3云冈组~太原组//2~5三开4-5云冈组~太原组//2~5四开6-7云冈组~太原组//2~5大口径井固井套管下放后,环空面积及环空体积大,井壁不光滑及套管侧片、吸壁等诸多因素会影响固井质量,保证水泥充分、均匀填充环空,提高固井质量9是完井的关键ꎮ井管安装前测量钻孔垂直度ꎬ用专用试孔器检查尺寸ꎮ确认无阻后下放井管ꎬ固定上端和护口管防位移ꎮ井内放置特制钻杆ꎬ底部有喇叭口ꎬ配合压浆泵置换环空泥浆并清洁孔壁ꎮ最后通过钻杆向环形间隙注入水泥浆完成固井ꎮ固井参数经优化调3事故处理施工到45m左右位置时突然掉钻ꎬ泥浆液流失不返为顺利通过采空区ꎬ先用216mm钻头ꎬ清水钻进1420mm套管隔离采空区ꎬ然后采用“管内注浆返排”方式进行表套下半部固井ꎮ上部采用“环空间隙加塞地面灌浆”方式进行上半部固井ꎮ中间采空区采用人员下井切开1420mm套管后(入口)进入采空区ꎬ然后采用水泥和砖在稍远离套管的方向围绕套管先围砌一堵隔水墙(外墙)ꎬ然后在离套管较近方向再围绕套管围砌一堵隔水墙(内墙)ꎬ并随着内墙升高及时向内外墙之间浇筑钢筋笼和水泥ꎬ待全部围砌完毕ꎬ返回套管并进行入口焊补ꎮ3.2套管变形有水涌出ꎬ水量约20m3ꎬ同时套管不能继续上下活动ꎮ分别采用直径650mm、311mm的钻头进行通孔测试ꎬ钻取下入全套钻杆(不带钻头)ꎬ其钻杆直径127mmꎬ接箍直径165mmꎬ再次进行孔内测试ꎮ下入孔深325.70m时ꎬ钻具遇阻ꎮ经左右活动ꎬ钻杆顺利下入至孔深443.10m(套管底部浮力塞位置ꎬ浮力塞长度0.92m)ꎮ由于已下入的套管(内径888mm)直径太大ꎬ环空内泥浆与套管内注入的清水连通ꎬ造成传感介质模糊不清ꎬ导致探测效果不好ꎮ经探测影像资料看ꎬ在孔深320~340m处光线较强ꎬ且传感介质流速加快ꎬ大致判断出该位置套管压扁、变形ꎬ并存在断裂现象ꎮ结合理论分析和实践证明ꎬ造成不能继续下入套管的原因为:在孔深325.70m时ꎬ套管抗压强度达到极限空内泥浆急速流入管内ꎬ孔壁瞬间垮塌ꎬ环空内有大量由于现有套管不能上下移动ꎬ为了继续完成施工888mmꎬ且管内存在焊缝ꎮ如果再次下入套管ꎬ壁厚20mmꎬ外加加强筋厚度的直径50mmꎬ所以二次套管直径最大为720mmꎬ建议下入套管直径700mmꎮ为解决套管变形问题ꎬ我们创新采用机械修复方法ꎮ首先对井口现有套管进行加固ꎬ确保后续施工稳定ꎬ随后引入专门设计的液压扩管装置ꎮ该装置被精确定位于受损套管段以上适当位置ꎬ通过巧妙利用钻杆和配重系统提供必要动力ꎮ操作中ꎬ扩管器在套管内自由下降ꎬ利用下落惯性使其锥形工作面与变形部位瞬时接触ꎬ产生强大径向作用力ꎬ将变形部位扩张回原状ꎮ我们反复进行这一过程ꎬ确保彻底修复ꎮ为验证效果ꎬ随后下入800mm直径钻头检测ꎬ结果证实了修复技术的有效性ꎮ套管安装阶段ꎬ采用改进下管技术ꎬ在管口上方0.5m处对称开凿135mm直径圆孔ꎬ穿入横杆并用钢缆连接起重设备主钩ꎬ精确控制下放过程ꎮ安装完成后ꎬ移除横杆ꎬ用预先切割的圆形钢板填补孔洞并焊接固4结论通过研究得出以下结论:①根据地层变化优化钻具和泥浆液ꎬ合