定向长钻孔精确探放矿井老空水技术及其应用_方俊.pdf

第43卷第2期 2015年4月 煤田地质与勘探Vol. 43 No.2 Apr. 2015 COAL GEOLOGY 2.中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西西安710077;3.神华宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏银）II750011 摘要老空水害事故危害程度大．系统研究了定向长钻孔探放老空水的原理、钻进装备、钻孔设 计和成孔工艺方法等关键技术，将随钻测量定向钻进与常规回转钻进技术结合施工定向长钻孔， 实现了煤矿井下老空水的精确探查和疏放，形成了一套老空水探放技术与装备。在宁煤集团白菜 沟煤矿现场应用情况表明，该技术方案先进可靠，老空水探放效果良好． 关键词老空水；走向长钻孔；随钻测量定向钻进 中图分类号P634文献标识码ADOI 10.3969/j .issn. l 00 l-1986.2015.02.02 l Technology and application of precise detection and drainage of goaf water by directional long borehole FANG Jun 1立，LUJun3, ZHANG Youzhen2, SONG Hongjuan3 I . Faculty of Architecture and Civil Engineering, Xi’an University of Science 2. Xian Research Institute, China Coal Technology and Engineering Group Corp, Xian 710077, China; 3. Shenhua Ningxia Coal Industry Group, Yinchuan 750011, China Abstract Goaf water is an important type of mine water disaster, causing serious accident. Use of directional long borehole to detect and drain goaf water is an important innovation for coal floor water prevention. By combining directional drilling technology with conventional rotary drilling technology, this paper systematically studied the detection and drainage of goaf water by directional long borehole, drilling equipment, borehole design, drilling technol- 0町，directionaldrilling technology and equipment. The tests in Baijigou mine show that the drilling technology and equipment are reliable and advanced, the effect of detection and drainage of goaf water is good. The research results en- rich and improve s for goaf water prevention, it is s晤1ificantfor safe and highly efficient mining. Key words goafwater; directional long borehole; directional drilling with MWD 从煤矿水害事故水源看，大．多数是老空透水造 成的。20082012年，我国发生较大水害事故70 起，其中老空透水63起，占90.0［］。 老空水主要贮存在矿井周边的小煤窑，矿井本 身的采空区或与采空区相连的煤、岩石巷道内，位 置往往较高，水体的几何形状极不规则，矿井采掘 工程与这种水体的空间关系错综复杂。由于历史原 因往往缺乏甚至没有可靠的技术资料，水情难以分 析判断。这种水体分布集中，水压传递迅速，采掘 工作面一旦接近，老空积水便可突然溃出，发生透 水事故［2］。这种水体不但存在于地下水资源丰富的 矿区，也可能存在于干旱地区的矿区，是煤矿生产 过程中普遍存在的一种水害，资源整合、兼并重组 后的矿井尤为突出，是煤矿防治水的重点[3］。 收稿日期2013-12-22 采用钻孔对老空水提前进行探放是避免老空水 害事故发生的有效途径［叫。但当前采用常规回转钻进 技术进行老空水治理时存在施工工程量大、钻孔深度 较小、施工过程中钻孔轨迹无法连续测量和实时控制、 难以精确探放等技术难题［6-8］。因此，提出采用定向长 钻孔进行老空水探放的技术方案，即将目前先进的煤 矿井下随钻测量定向钻进技术引人到煤矿井下老空水 探放领域中，并对其关键技术进行研究，通过定向长 钻孔精确中靶采空区，实现老空水超前探放。 1 定向长钻孔探放老空水技术方案 采用定向长钻孔探放老空水时，以先进的随钻 测控技术为依托，通过对实钻钻孔轨迹的实时测量 和精确控制，当已知老空区位置时可保证定向长钻 基金项目陕西省科技统筹创新工程计划项目（2011KTCG-01-IO;2014KTCL03-14 作者简介方俊1985一），男，湖北谷城人，硕士研究生，从事钻探工艺及过程控制研究.E-mailfangjunlz 引用格式方俊，陆军，张幼振，等．定向长钻孔精确探放矿井老空水技术及其应用［耳煤田地质与勘探，2015,432 101-105. ChaoXing 102 煤田地质与勘探第43卷 孔精确中靶目标区域；当未知老空区位置时可对老 空区进行超前探查，成孔用于疏放老空区内积水。 此外这一技术还可施工分支孔，提高钻孔覆盖面积 和疏放效果，减少水害发生概率。 定向长钻孔探放老空水原理如图1所示。 图l定向长钻孔精确探放老空水原理图 Fig. I Principle of detection and drainage of goaf water by directional long borehole 定向长钻孔主要采用随钻测量定向钻进技术完 成，即利用具有大机身调角范围和主轴抱紧功能的 定向钻机夹紧由螺杆马达、下无磁钻杆、孔内随钻 测量仪器、上无磁钻杆和中心通缆式钻杆等组成的 孔内定向钻具，通过正转孔口钻具（钻杆柱）来调整 螺杆钻具土造斜件的工具面向角，使其朝向预定方 向，然后借助螺杆马达以高压冲洗液作为传递动力 介质进行孔底局部回转钻进，从而控制钻孔的倾角 和方位，达到定向钻进的目的［9］。在采用螺杆马达 定向钻进过程中，将由孔口防爆计算机供电并控制 工作，防爆测量探管连接固定在螺杆马达后的无磁 钻杆内，负责采集钻孔倾角、方位角、工具面向角 等数据，通过有中心通缆式钻杆和通缆水便组成的 有线信号传输通道，将数据发送到孔口防爆计算机 上，由安装在其内的测量软件进行数据处理和显示。 2 关键技术 采用定向长钻孔防治老空水害存在以下关键技 术需要研究和解决 a.钻探装备研制。老空水一般位置较高，因此 需要大角度施工钻孔，现有钻机机身调角范围较小； 由于钻孔出水量较大，影响孔内测量信号传输，加 大信号衰减，传输距离受限。 b.钻孔设计。钻孔疏放水量较大，需要下入长 距离大直径套管对不稳定地层护壁，控制疏放水量 和水压，应设计并优化钻孔结构和轨迹。 c.成孔工艺方法。因施工地层主要为岩层， 钻孔上下位移和左右位移均较大，需要下入多级 大直径套管和保证精确中靶，需要重点研究成孔 工艺技术。 3 关键技术实现 3.1 钻探装备研制 3.1.1 专用定向钻机 在现有ZDY-6000LD履带式全液压钻机基础 上，通过分析模拟，全新设计了钻机主机调角装置， 由横梁、撑杆、滑轮装置、支座、垫板和销组成。 横梁用来稳固给进装置。调仰角时，先用倒链将导 轨前端吊住，并加长撑杆然后松动机身前横梁夹 头螺钉，并用倒链将导轨前端吊起，调整到设计倾 角后紧固横梁的夹头螺钉即可。调俯角时方法类似。 当俯仰角太大时，应该增加横梁支撑数量，确保钻 进时主机稳定。通过以上结构设计，使钻机调角范 围从－10。～20。变为－30。～20。结合履带平台调整可 达到一30。～40。倾角钻孔开孔。 3.1.2 随钻测量装直 研制的随钻测量装置由测量探管、信号中继器、 防爆计算机、防爆键盘和防爆存储器等组成［JO］。其 中，测量探管通过优选关键元器件和降低功耗，增 加了传输信号强度；优化轨迹参数和补偿计算公式 提高了测量精度；小型化结构设计减少对钻进冲洗 液流通影响，从而实现了测量探管长时间高精度稳 定工作。信号中继器采用了数字放大方法，避免了 模拟放大中由于放大倍数过高造成失真或者过低致 使出现无法解调等问题。使用时安装在防爆计算机 和测量探管之间，可双向信号放大，实现衰减信号 的放大和远距离传输，提高信号抗干扰能力，这可 满足大出水量时随钻测量要求。 3.1.3 配套装备的研制选配 通过增加钻头的PDC片个数及减少PDC片镶 焊角度等方法研制了长寿命胎体式PDC钻头，可提 高钻头使用寿命；优选通缆钻杆的材料，增加了通 缆钻杆的弯曲能力；研制了大直径六方插接式螺旋 钻杆。 3.2 钻孔设计 老空水探放定向长钻孔出水量大，且一般位置 较高，因此不能像瓦斯抽采定向孔一样采用PVC管 简单封孔，而需要下入钢套管以封闭不稳定地层和 控制水量。但由于老空水水压一般较低，在地层情 况良好的情况下不需要下入多级套管。钻孔由套管 孔段、定向造斜段和定向稳斜段组成，如图2所示。 套管孔段根据老空水水量和水压大小及地层 情况（由于定向钻进采用清水，无法实现泥浆护壁， 因此一般利用套管封闭不稳定层段）设计套管孔段 长度，一般30m左右即可。为保证后期定向钻进顺 ChaoXing 第2期方俊等．定向长钻孔精确探放矿井老空水技术及其应用 103 图2老空水探放定向长钻孔结构示意图 Fig.2 Structural diagram of directional long borehole 利进行，套管最小规格为φ127mm。施工钻头大小 应根据套管规格选取，为方便套管下入，钻头规格 可略大。 定向造斜孔段采用随钻测量定向钻进工艺施 工，钻孔直径为φ96mm。需尽快调整钻孔轨迹至 目的稳定层中钻进。定向造斜段设计时应充分注意 地层起伏状况，并考虑使用的螺杆钻具造斜能力及 通缆钻杆弯曲强度，合理设计倾角和方位角造斜强 度。设计时1.25。螺杆马达造斜强度为（lo～1.2。）／3m, I. 5。螺杆马达造斜强度为1。～2。）／3m。 定向稳斜孔段采用随钻测量定向钻进工艺施 工，钻孔直径为φ96mm。将定向孔倾角和方位维 持在一个固定值附近，只进行小范围调整。 3.3 成孔工艺方法 3.3.1 施工工艺流程设计 老空水探查定向钻孔钻进时需要综合采用螺旋 钻杆回转钻进和螺杆马达随钻测量定向钻进等多种 工艺方法搞合。钻孔成孔工艺流程见图3所示。 图3 玉主管孔段扩孔钻’进 下入套管 Fig.3 Technological flowchart of directional long borehole for detection and drainage of goaf water 钻进时先采用回转钻进方式施工套管段先导 孔，然后更换扩孔钻头扩孔钻进至孔底。由于定向 孔作用的扩孔钻头级配大于探管规格，因此可以直 接下入套管并固管。套管试压合格，再使用螺杆马 达随钻测量定向钻进完成定向造斜段和稳斜段施 工，使钻孔按设计轨迹精确中靶，实现老空水定点 精确探放。 3.3.2 套管孔段施工 套管孔段施工主要存在2个问题a.由于套 管下入较深，钻孔孔径大且易偏斜，影响套管下入 和后续正常钻进；b.上仰大直径套管居中下入和 注浆固管困难。 套管孔段开孔倾角和开孔方位应尽量与设计值 一致，不能超过允许值。套管段钻进时，利用大直 径螺旋钻杆保直和排粉，实现保直钻进，以便于套 管的下人，倾角变化率不能超过允许值。在套管下 人前，使用扫孔钻具扫孔，以确保钻孔轨迹平滑。 套管孔段施工完成后应下入测量仪器测量钻孔轨 迹，以便及时选择调整定向造斜段钻具。 套管下入时，间隔一定距离设置套管扶正器， 确保套管居中。注浆时在孔口上方施工锚杆，利用 钢丝绳和锚杆提吊和固定孔口套管端。此外还应设 置特殊卡夹机构将孔口套管固定居中，并使用钻机 顶住套管，确保注浆固管时安全。 3.3.3 走向造斜段施工 定向造斜段施工，需要下入螺杆马达等孔底动 力钻具连续造斜钻进但是存在两个问题a.由于 老空水一般位置较高，需要在岩层中长距离钻进， 采用现有定向钻具在岩层定向钻进时，切削速度较 慢，严重影响钻孔施工效率，尤其是地层坚硬时钻 进困难。b.老空水探放定向长钻孔位移较大，定向 造斜段的轨迹变化明显，轨迹调整困难，其轨迹控 制能力是能否顺利中靶的关键。 针对岩层快速钻进需要，选用大扭矩四级螺杆 马达来提高岩层钻进速度，还可合理增大钻孔与坚 硬岩层的夹角，快速通过硬岩层段。 采用以下3项措施提高大位移轨迹调整精度a. 通过优化关键元器件、轨迹参数和补偿计算公式，提 高随钻测量装置测量精度；b.研制大挠度通缆钻杆， 满足钻孔轨迹的全弯曲强度需要；c.选用1.25和 1.5。螺杆马达，其中1.25。的螺杆马达用于钻孔稳 斜钻进，1.5。的螺杆马达用于钻孔强造斜钻进和分 支孔施工。根据钻孔轨迹调整需要选择和岩层硬度相 适宜的合适弯角和级数的螺杆马达。 定向造斜段轨迹控制应遵守以下原则a.略高 勿低。为了保证造斜率不低于孔段设计造斜率，应 ChaoXing 104 煤田地质与勘探 第43卷 按照比理论预测值高出10～20的造斜率来选择 螺杆马达，或按照螺杆马达造斜能力的80～90进 行钻孔轨迹设计。b.早扭方位。在造斜钻进时晚扭 方位将会增加左右位移控制难度，使钻孔间距超出 合理值，从而使钻孔达不到设计要求，造成无法中 靶。c.先高后低。在确保钻具安全的情况下，应尽 可能先高于设计调整钻孔造斜率，然后逐渐减小造 斜率，平稳进入定向稳斜段。d.加强造斜段轨迹预 测监控。提高钻孔测量频率，合理预测轨迹发展情 况，控制钻孔轨迹在弯曲段范围内。 3.3.4 定向稳斜段施工 钻孔轨迹大范围造斜调整结束后进入定向稳斜 段施工阶段主要存在两个问题a.需要在岩层中施 工分支孔提高老空水疏放效果，避免盲区，而岩层 大角度悬空侧钻分支孔施工困难。b.定向稳斜段距 离较长，需要控制好钻孔轨迹，确保精确中靶。 针对岩层分支孔施工问题，对低速磨削分支法 和高速反复磨削法进行了建模分析。低速磨削分支 法更适合岩层中分支孔施工，当岩层硬度较大时， 可在相同分支点重复使用低速磨削分支法以提高分 支孔施工成功率。此外，选用造斜率强的1.5。螺杆 马达进行开分支操作，提高分支孔施工成功率。 为保证精确中靶，定向稳斜段轨迹控制应遵守 以下原则a.少调勤调。经常调整螺杆马达工具面， 且不使用大造斜率的工具面向角钻进，使钻孔尽量 平滑。b.上下调整。在水平段对倾角和方位的调整 幅度相对很小，主要表现在钻孔上下位移和左右位 移在设计值合理范围内摆动。c.注意短起。为保证 孔壁质量，减小摩阻和避免发生孔内复杂情况，在 水平段中每钻进一段距离，进行一次短程起下钻。 4 现场应用 定向长钻孔精确探放老空水技术在宁煤集团白 芷沟煤矿2521工作面进行了应用，目的是对25212 采空区积水隐患进行探查和治理，保障工作面巷道 掘进及回采安全。 4.1 工作面概况 由于2521-2运顺2/2L16点向北152.0m范围和 2/2L12点向南62m范围为采空区两个低洼处，因 此2521工作面地表注浆水积于该段。在上分层采掘 时，该段积水流出，严重影响了正常采掘工作，再 加上2521-3运顺已施工至距该积水区300m处，工 作面进入低洼段，也面临着水害威胁。 为解决老空水危害，需要对其进行精确探放。 试验之前矿方施工了4个常规钻孔，均未达到设计 位置，未能实现预期老空水探放的目的。为了精确 施工至老空积水区，排除采空区积水隐患，决定采 用随钻测量定向钻进技术进行精确导向钻进，利用 施工完成的定向长钻孔探放老空水。 4.2 钻孔施工 采用研制开发的老空水探放定向长钻孔钻进技 术与装备，共施工主孔5个，分支孔2个，总进尺 为l009 ID，均达到设计靶点。钻孔施工情况统计见 表l，钻孔实钻平面图和剖面图（以二号钻场l号钻 孔为例）见图4、图5。 表1定向长钻孔实钻参数表 Tablel Parameters of directional long borehole 钻场孔号开孔方位角／（。）开孔倾角／（。）孔深Im进尺Im终孔点垂深Im终孔层位 292.50 13.00 180 180 50.91 2521采空区 2 296.00 13.40 192 192 51.27 2521（二）运顺 3 301.89 13.69 189 189 50.30 2521（三）运顺 4 300.00 7.59 189 189 48.22 2521（三）运顺 312.50 12.60 189 259 53.15 2521（二）运顺 2521工作面 Fig.4 Actual layout of directional long borehole ChaoXing 第2期方俊等定向长钻孔精确探放矿井老空水技术及其应用105 I 720 I 700 E 1680 斟 1660 1640 1620 图5二号钻场1号钻孔实钻剖面示意图 Fig.5 Actual section of 俨boreholein 2 drilling site 4.3 应用效果分析 现场试验施工过程中，钻孔施工顺利，所有钻 孔均准确钻进至目标采空区内靶点，实钻轨迹与设 计轨迹的偏差在要求范围内。 从钻孔放水情况可知，25212运顺2/2Ll6点向 北152.0m范围采空区低洼处老空水量较大；2/2Ll2 点向南62m范围采空区低洼处几乎无老空水。采用 定向长钻孔对两个采空区低洼处的老空水疏放后，已 完成该工作面回采工作，回采过程中元老空水透水情 况发生，保障了工作面施工巷道掘进和回采安全。 5结论 a.采用定向长钻孔探查老空水是随钻测量定 向钻进技术在水害防治领域的重要推广，丰富和完 善了煤矿老空水害防治手段，提高了老空水的探放 精度、探放距离和探放面积，效果明显，对煤矿安 全高效开采意义重大。 b.研制的新型定向钻机、随钻测量装置及其配 套装备和开发的钻孔设计和成孔工艺技术，能满足 老空水探放定向长钻孔施工要求，确保施工安全进 行，应用中钻孔成孔率达100，中靶率达到100; 老空水疏放效果明显。 c.应加快引进大扭矩螺杆马达、研制适合硬岩 钻进的PDC钻头和大流量泥浆泵等；继续研究岩层 （上接第100页） [7］李金铭激发极化法方法技术指南[M].北京地质出版社，2004. [8] CHEN L, CHEN J, LlANG T, et al. A study of grounding re- sistance reduction agent using granulated blast furnace slag[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, 193 973-978. [9］方静，刘福臣电阻率法找水野外常见问题［月．节水灌溉， 20095 27- 29. [10］彭智波，黄振峰降低电极接地电阻的方法［呵现代电子技术， 2011, 3421 208一210. [11］刘福臣，黄怀峰，马祥配．电法勘探找水野外常见干扰问题分 析与处理［巧水利水电科技进展，2008,285 74-77. [12］解广润电力系统接地技术［M］.北京水利水电出版社，1991. 中快速成孔方法，尤其是对于硬度系数大于6的硬 岩，进一步提高定向孔施工效率。 参考文献 [I］国家煤矿安监局事故调查司2012年暨五年来全国煤矿事故 分析报告［R］.北京国家煤矿安监局事故调查司，2013. [2］虎维岳，矿山水害防治理论与方法［M］.北京煤炭工业出版 丰士，2005. [3］王秀兰矿井水防治［M］.徐州中国矿业大学出版社，2010. [4］徐建文，石伟良，王飞，等矿井突水综合防治技术［月．煤矿 开采，20104112 114. [5］徐建文，王平，因素川，等．矿井突水灾害防治技术浅析［J].煤 炭技术，2010,2912 89-90. [6］姚宁平我国煤矿井下近水平定向钻进技术的发展［巧煤田 地质与勘探，2008,364 7880. [7］姚宁平，张杰，李乔乔．煤矿井下近水平定向钻技术研究与应 用［J］.煤炭科学技术，2011,3910 53-57. [8］石智军，董书宁，姚宁平，等．煤矿井下近水平随钻测量定向 钻进技术与装备［巧．煤炭科学技术，20日，4131-6. [9］石智军，回宏亮，田东庄，等．煤矿井下随钻测量定向钻进使 用手册［M].北京地质出版社，2012. [10］石智军，温榕，方俊，等．煤层井下定向钻进用随钻测量系统 的研制［巧．煤炭科学技术，20日，41316-20. （责任编辑宋震炎） [13］川激太郎．图解接地技术仙f].马杰，译北京科学出版社，2003. [14］刘俊峰，邓居智，张志勇，等．电性源、发射端接地电阻的理论计 算及影响因素分析问．工程地球物理学报，2012,94 380-384. [15］温高峰，张兵．降低接地装置接地电阻浅析［月湖州师范学院 学报，2009,312 159 161. [16］李景禄接地装置的运行与改造［M］.北京中国水利水电出版 丰士，2005. [17］杨会民，陈窍，如j波．影响接地电阻的因素及减小接地电阻的 方法［J］.中国测试，2009,352 106一108. （责任编辑宋震炎） ChaoXing