定向钻进技术在张集煤矿探放水中的应用.pdf

第2 9 卷第l 期煤炭技术 V d ．2 9 ．N o ．0 1 2 0 1 0 年1 月 C o a lT e c h n o ] o g y J a n ，2 0 1 0 定向钻迸技术在张集煤矿探放水中韵应用 裔传标，罗亚兵，史守芳 宝鸡秦源煤业有限公司，陕西宝鸡7 2 1 0 0 6 摘要张集煤矿利用一7 0 0m 水平大巷穿层定向放水技术解决复杂地质条件下探放水技术难题。采用先进的设 备和技术措施对钻孔倾角和方位进行控制，成功地放出了张集煤矿7 3 0 8 老塘水，消除了水害隐患。 关键词定向钻孔；大倾角；高水压；放水 中图分类号．T D 2 6文献标识码A文章编号1 0 0 8 8 7 2 5 【2 0 1 0 叭一0 2 1 4 0 3 A p p l i c a t i o no fD i r e c t i o n a lD r i l l i n gT e c h n o l o g yi nE x p l o r ea n d D e w a t e r i n go fZ h a n g j iC o a lM i n e Y IC h u a n b i a o ，L U OY a b i n g ，S H IS h o u f a n g Q i n y u a nC o a lI n d u s t r yL i m i t e dC o m p a n y ，陶i7 2 1 0 0 0 6 ，C h i n a 一 A b s t r a c t I nt h i sp a p e r ，w eu s e 一7 0 0mh o r i z o n t a ls h a f tp e n e t r a t i n gd i r e c t i o n a ld e w a t e r i n gt e c h n o l o g yt os o l v e e x p l o r ea n dd e w a t e r i n gt e c h n o l o g yi nc o m p l i c a t e dg e o l o g yc o n d i t i o no fZ h a n g j ic o a lm i n e ．A d a p t i n ga d v a n c e d e q u i p m e n t sa n dt h et e c h n i q u em e a s u r e st Oc o n t r o ld r i l lh o l ed i pa n dd i r e c t i o n ，w es u c c e e d e di nd e w a t e f i n g 7 3 0 8o l dp o n dw a t e r so fZ h a n g j ic o a lm i n ea n da v o i d i n gt h ew a t e rd i s a s t e r ． K e yw o r d s d i r e c t i o n a ld r i l l i n g ；l a r g ed i p ；h i g hw a t e rp r e s s u r e ； w a t e r i n g 0 概况 江苏徐州矿务集团张集煤矿于1 9 7 0 年开始建 井，1 9 7 9 年1 2 月投产，为立井多水平开拓，经改扩建 后，设计生产能力9 0 万t ／a ，2 0 0 2 年矿井达产，实际 产量9 2 万t ，a 。目前矿井主采石炭、二迭纪7 、9 煤 层。生产水平为一7 0 0m 水平以下，生产采区有一 7 0 0m 东一上山采区、东二采区；接续采区为中央采 区及一7 0 0 [ m 东三下山采区。矿井由于受1 9 9 7 年 “2 ．1 8 ”奥灰突水淹井及后期采掘生产的影响，中央 采区上部工作面为剃头式开采，东部与东四采区煤 柱相隔，故在一3 0 0m 东一上山采区7 3 0 8 面采空区 及其上部采空区和老峒内汇聚了大量积水，积水线 标高为⋯4 2 55 8 0m ，预计积水量约1 3 万岔。接 续的中央采区位于7 3 0 8 面老空积水区下部，如不及 时放出7 3 0 8 面老空水，必将造成中央采区工作面不 能正常生产，从而影响矿井正常生产接续，为此，决 定在一7 0 0m 东大巷采用穿层定向钻进技术进行探 放7 3 0 8 老塘水，消除水害隐患，确保矿井正常生产。 张集煤矿对国内现有的钻探技术、设备进行了 广泛的调研，并对实施过程中的技术难题进行了深 入的研究。钻机选择了煤科总院西安分院钻探研究 所研制生产的M K D 一5 S 型全液压坑道钻机。从 2 0 0 3 年6 月2 日开始施工，6 月1 2E t 钻孔准确透巷 道，现场施工结束，至2 0 0 3 年1 2 月3 0 日累计放出 水量1 3 ．5 万m 3 ，老空积水基本放完。 水灾害的快速判别和高效治理技术的研究课题，对 地面垂直孔进行了定向钻进，确保了3 个钻孔按设 计要求准确透巷；受控定向水平钻进技术研究论 文，研究受控定向水平钻进钻孔轨迹弯曲的机理、影 响因素和钻具的受力变形，并建立相应模型，然后据 此采取有针对性的控制措施，保证钻孔轨迹。对于 长距离、大倾角、小遇层角的特殊条件下的定向钻 进，国内尚没有研究的报道，更没有成功的先例。 7 3 0 8 面老空水探放工程能否达到预期的设计 要求，关键是能否实现定向钻进或终孑L 位置有效击 中范围很小的靶区，否则将造成废孔，延误探放水工 程的时间，影响矿井生产的正常接续安排。影响钻 孔定向钻进的因素较多，其一，钻进长度，钻进过程 中随着钻进距离的加长，钻杆的刚度变小，柔性增 大，在钻机的推力和重力的作用下钻杆易弯曲，导致 钻孔偏移；其二，倾角大小，大倾角钻进，由于钻机的 推力，产生一个垂直向上的分力，将导致钻杆向上弯 曲，造成钻杆前端的岩芯管的方向向下偏移；其三， 钻进方向与岩层产状的关系。钻进方向与岩层产状 在空间上平面直角有利于钻进方向的稳定，两者之 间的夹角越小钻进方向越易偏移，在小遇岩层夹角 的情况下若岩性发生明显变化，钻孑L 极有可能沿软 岩顺层钻进。因此，长距离、大倾角、小角度穿层钻 进，集中体现了定向钻进的技术难点，同一工程同时 受这三种影响因素，在国内历次探放水工程中实属 少见。 1影响定向钻进的主要因素分析 2定向钻进的主要技术措施 目前定向钻进技术的研究主要俱I j 重于地面垂直 钻进和井下水平钻进。如奥灰隐伏陷落柱特大突 2 ．1 钻进技术参数的确定 钻压大倾角上仰孔钻进，所需钻压除了要满足 收稿1 3 期2 0 0 9 0 6 2 9 ；修订日期2 0 0 9 1 1 1 0 作者简介裔传标 1 9 6 3 一 ，男，江苏建湖人，地质工程师，毕业于中国矿业大学，现为宝鸡秦源煤业有限公司副总工程师，主要 从事矿井地质测量、水文技术管理工作。T e l 1 3 7 7 2 6 4 4 6 9 0 ，E m a i l c b y b j q y 6 2 0 4 0 1 1 6 3 ．e , o m 。 万方数据 第1 期裔传标，等定向钻进技术在张集煤矿探放水中的应用 2 1 5 正常钻进钻头切削岩石及克服冲洗液自然升举力 外，还要承受由于钻孔孑L 深的延伸而不断增加的钻 杆自重，因此给进力相对近水平钻进所需压力不断 增大，一般情况下，孔深每增加2 0m ，钻压增加2 0 0 k g 左右。钻进过程给进表压2 ．0 5 ．0M P a 。施工 过程中若出现由软岩层向硬岩层钻进的情况，为防 止钻头下滑，可适当减小钻压。 泵量与泵压因钻孔上仰，利于排粉，泵量一般 不超过9 0L ／r a i n ，泵压1M P a 不包括钻孔加深，产生 的自然升举力和钻孔出水压力 。施工过程中，在由 软岩变硬岩时，可以减小泵量。其目的是为了在第 一个扶正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 部形成岩煤楔，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。这种上右偏移的力 与下滑力趋于平衡，从而使钻孔轨迹沿原方向延伸。 转速钻进过程中转速控制在1 0 0 。2 0 0r ／m i n ， 随着钻孔深度的增加，钻机的钻速应相应增加。其 原因是随着钻杆的加长，钻杆的刚度减弱，柔性增 强，易导致钻孔轨迹弯曲。加大钻速，可产生一个向 心力，达到保持钻杆在接近直线的状态钻进。具体 施工钻孑L 操作规程参数见表l 。 表1 钻孔操作规程参数 孔段钻具转速 ，m 组合／r ．r a i n 一1 钻进表压冲洗液 ％％P 日 蕊，。暮。 0 5 0 稳斜 9 0 1 2 02 ．03 ．00 ．51 ．O6 0 5 0 7 0稳斜1 0 0 ～1 4 02 ．53 ．50 ．51 ．56 0 7 0 一9 0稳斜1 0 0 1 4 03 ．04 ．00 ．51 ．8舳 9 0 一1 1 0 稳斜1 2 0 1 6 03 ．55 ．00 ．52 ．0 8 0 1 1 0 1 3 0 稳斜1 2 0 一1 6 04 ．O 8 ．O0 ．52 ．89 0 1 3 0 1 4 7 稳斜 1 4 0 一2 0 04 ．58 ．00 ．54 ．59 0 2 ．2 按钻孑L 弯曲规律初级定向，控制钻孔开孔方位 由于钻孔实际轴线往往不能和设计的轴线完全 一致，总会有或多或少的偏离，为了尽可能地减少这 种偏离，在实际施工中采取一定的工艺技术措施对 钻孔的倾角和方位角进行控制，使钻孔进到预定的 7 3 0 8 放水道。 施工大倾角、小角度穿层定向钻孔的技术关键 是如何防止钻孑L 顺层弯曲和保持钻孔倾角不变沿 设计方向延伸。其主要工艺方法是按钻孑L 弯曲规 律进行初级定向；采用稳定组合钻具钻进；适时调整 钻进工艺规程参数；钻孑L 测斜，准确掌握孔斜情况， 及时更换钻具组合或调整钻进工艺参数。 根据钻孔所在地区的有关地质资料、钻孔平面 布置图、地质剖面、钻孔终孔位置及钻进施工条件， 计算出各孑L 段的岩性及钻孔的遇岩层夹角 见表 2 ，从而确定定向孑L 的总长度 孔深 、开孔倾角及方 位角。 根据施工时钻孑L 自然弯曲强度的规律，总结分 析对比以往施工同类地层不同钻孔倾角 3 0 06 0 0 所 形成的弯曲规律，在保直钻进工艺中，孑L 深超过1 0 0 m 以后，钻孔自然向下弯曲 强度1 0 ％、1 ．5 0 ％ ，开 孔倾角越大，向下弯曲强度越小。1 0 0m 孔深钻进 倾角基本保持不变。本次钻孔孔深1 5 0m ，自然弯 曲强度约0 ．5 。一1 0 ，设计钻孑L 倾角5 1 。，靠近6 0 0 ，所 以增加倾角O ．5 。为宜，若倾角减少，靠近3 0 。，增加钻 孔倾角1 0 左右。针对本次施工所遇地层特点，将原 设计倾角5 1 。、方位1 3 7 0 的钻孔以倾角5 1 ．5 0 方位不 变开孔钻进。 塞 笪堂皇塑过鎏壅墨丝星生篁 设汁深度，m地层 实际钻进深度，m 岩石硬度 遇岩层夹角， 。 2 6 ．41 0 煤2 6 ．11 21 6 ．0 4 5 ．0 粉砂岩4 6 ．04 ．61 6 ．0 4 8 ．0 9 - 2 煤4 8 ．81 。21 5 ．8 5 3 ．4粉砂岩5 4 ．64 ．6 1 6 ．0 5 5 ．49 煤5 6 ．01 。21 6 ．0 9 6 ．0 细砂岩 9 4 ．5 8 1 01 5 ．5 1 1 4 粉砂岩 1 1 84 ．6 1 5 ．1 1 堂 捡塑壁登 盟 l 』i 2 ．3 采用稳定组合钻具 稳定组合钻具由帖3 ．5r u m 外平钻杆、稳定器和 柏4 舢内凹式复合片钻头组成。稳定器也称扶正 器，是外径接近于钻头外径且焊有合金外保径的接 手。 稳定组合钻具结构具有3 种形式 如图1 ，即 使钻孔上仰、保直、下斜。 根据钻进过程中对钻孑L 的测斜结果，调整钻具 组合形式，改变钻孔延伸方向。 上仰组合钻具 a 的工作原理是在钻进过程 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，钻头对孑L 壁上侧的岩石切削作用增 强，使钻孔轨迹上仰。 保直组合钻具 b 即保持钻孔倾角不变的工作 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，钻进过程中在钻头前部短 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。 图1 稳定组合钻具图 1 ．钻头2 ．扶正器3 ．钻杆 下斜组合钻具 c 的工作原理是第一个稳定器 前面的钻杆靠自重自然向下弯曲，在钻压的作用下 加剧对孑L 壁下侧岩石的切削，从而引起钻孔轨迹下 斜。 本次钻进所遇地层存在软硬互层，遇岩层夹角 小，平均约1 6 。。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艿≤2 0 。时，由 于钻压P 所引起的钻具在岩层面上的下滑力P c o s 艿 将超过钻具与岩层层面的摩擦力厂，钻具便沿层面下 滑，钻孔顺硬岩层面方向弯曲，因此采用了上仰式稳 万方数据 第2 9 卷第1 期煤炭技术 V 0 1 ．2 9 ，N o ．0 1 2 0 1 0 年1 月 C o a lT e c h n o l o f t y J a n ，2 0 1 0 ■_ _ - - - _ _ _ - _ ●一h i m1k _ _ ■■- - _ _ ■_ _ _ _ - _ - - - ■■■_ _ 一 岩石中深孔预裂爆破应力分布的研究 范文祥 淮浙煤电公司顾北煤矿分公司，安徽淮南z 3 2 1 5 1 摘要根据岩石爆破特征，对中深孔欲裂爆破产生的弹塑性区的应力分布进行了研究，给出了弹塑性区内应力分 布的解析表达式。借助于爆炸力学近似计算公式，验证了应力在弹塑性区的分布，理论计算结果表明，理论计算值 与近似计算基本一致。 关键词爆炸力学；岩石力学；欲裂爆破；柱装药 中图分类号0 3 8 3 ．1 文献标识码A文章编号1 0 0 8 8 7 2 5 2 0 1 0 0 1 0 2 1 6 0 3 S t u d yo nD i s t r i b u t i o no fS t r e s sC a u s e db yC o l u m nc h a r g eB l a s t i n g F A NW e n x i a n g G u b e iC o a lB r a n c h ，H u a i z h eC o a l ＆E l e c t r i cC o ．甜．，H u a i n a n2 3 2 1 5 1 ，C h i n a A b s t r a c t A p p l y i n gt } l et h e o r yo fc y l i n d r i c a lc a v i t ye x p a n s i o n ．t h ee h a r a e t e r i s t i e so fd i s t i l b u t i o no fs t r e s s i n e l a s t i c p l a s t i cz o f l e sa r es t u d i e da c c o r d i n gt ob e h a v i o ro fb l a s t i n g i n d u e e dd e f o r m a t i o no fr o c k ．7 r h ed i s t r l b u t i o no fs t r e s se x p r e s s i o no ft h e o r yi sp r e s e n t e d ．T h es t r e s sv a l u ei sv a l i d a t e db yt h et h e o r yo fc l a s s i c a le x p l o s i o n m e c h a n i c s ．1 h er e s u l t so ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n a l y s i sk e e pg o o dc o n s i s t e n c ew i t } lt } 1 a tg i v e nb yt r a d i t i o n a l m e c h a n i c s ． 一 一一 一 K e yw o r d s m e c h a n i c so fe x p l o s i o n ；r o o km e c h a n i c s ；d e e ph o l eb r o k i n g ；e o l u n mc h a r g e 0引言 当岩石中中深孑L 预裂爆破时，炸药爆炸产生的 高压气体冲击孔壁，同时产生向外传播进入岩石的 定组合钻具，从而保证钻孑L 轨迹按设计方向延伸而 不发生偏移，取得了令人满意的效果。 3实施效果 由表3 可知，实际钻进的深度、地层岩性变化、 见煤深度等与钻孔设计情况相当吻合。终孔位置的 绝对误差控制在1 ．0m 的范围内，钻孔偏斜率 0 ．5 ％。 4 经济效益分析 4 ．1 实际放出水量统计 从2 0 0 3 年6 月1 2 日钻孑L 出水涌水量1 3 00 ／h ， 至2 0 0 3 年9 月3 0E t 钻孔涌水量3m 3 ／h ，水量比较稳 定，至2 0 0 3 年1 2 月3 0 日钻孔涌水量确定已基本放 完，累计放出水量1 3 ．5 万m 3 ，与预计水量基本吻 合。钻孑L 涌水量统计见表3 。 表3 钻子I ．涌7 k 量统计 强冲击波，根据岩石的变形程度，装药爆破后将在岩 石中形成4 个区域 如图1 所示 ，分别为空腔区、塑 性区、弹性区和未受扰动区。对爆炸后形成的弹塑 性区内的应力进行分析是研究条形装药爆破机理十 1 减少中央采区探放水施工巷道8 0m ，节省 费用1 2 万元。 2 减少中央采区巷道探放水工期4 个月，保证 了中央采区正常掘进和按期投产，早出煤7 ．2 万t ， 创产值l3 3 2 万元，创利润1 9 4 万元。 5结论 该项目于2 0 0 3 年6 月2 日在东翼一7 0 0m 水平 运输大巷开孔，6 月1 2 日中班钻进到7 3 0 8 放水道， 经实际测量孔深1 4 7m 、倾角为5 1 0 、方位角1 3 7 。, 钻 孔涌水量最大约1 3 0m 3 ／h ，至2 0 0 3 年1 2 月3 0 日已 放出水量约1 3 ．5 万m 3 ，确保了中央采区的安全施 工，达到了预期效果。由此得出以下结论 1 在分析以往施工同类地层不同钻孔倾角所 形成的弯曲规律的基础上，结合本项工程的施工特 点，选择了合理的初级定向角。 2 施工过程中根据地层岩性的变化情况，及时 R 期6 月1 2 日6 月2 6 I t7 月凹u8 月1 8 口8 月2 6 口9 t l3 0 日1 2 月3 0 日 调整组合钻具的形式，有效地控制了大倾角、小角度 4 ．2 经济效益分析 大巷穿层定向放水，在不影响矿井正常生产的 情况下，成功地放出了7 3 0 8 采空区及老峒积水约 1 3 ．5 万m 3 ，与从采区巷道中放水相比，不但提高了 放水的安全保障性，而且放水期间不需停头，减少了 对巷道掘进的影响，保证了中央采区按期投产，改善 了采掘关系，效益显著。 穿层钻孑L 的弯曲度。 3 老塘积水量计算选用参数合理，实际放水量 与预计积水量基本吻合。 4 钻孔放水，省掘放水巷8 0m ，节约掘进费用 1 2 万元；巷道掘进期间不需再停头放水，节省掘进 巷道工期4 个月，保证了中央采区正常接替，可获间 接经济效益1 9 4 万元。 5 该项工程实施后不久消除了水害隐患、提高 了经济效益。而且解决了大倾角、大水量、小遇岩层 夹角、高水压探放水的技术难题，具有良好的推广应 用前景。 收稿日期2 0 0 9 0 6 2 2 ；修订日期2 0 0 9 1 1 一1 6 作者简介范文祥 1 9 7 8 一 ，男，安徽淮南人，技术员，现主要从事技术管理工作。 责任编辑吕瑶 万方数据