煤层底板超前注浆加固定向钻孔钻进技术.pdf

第 ４２ 卷第 １ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４２ Ｎｏ􀆱 １ ２０１４ 年１ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＪａｎ. ２０１４ 中国煤科青年论坛 煤层底板超前注浆加固定向钻孔钻进技术 李 泉 新 中国煤炭科工集团西安研究院有限公司ꎬ陕西 西安 ７１００７７ 摘 要为提高煤矿井下煤层底板钻孔注浆加固效果ꎬ提出了采用井下随钻测量定向钻进技术施工底 板注浆加固钻孔的工艺方法ꎬ对套管钻进、回转造斜钻进、定向造斜钻进及透孔钻进工艺技术及配套 钻具进行了系统研究ꎬ设计了钻进工艺流程ꎮ 赵固一矿现场试验结果表明ꎬ定向钻孔能实现煤层底板 的超前治理ꎬ且单孔注浆量大幅提高ꎬ底板加固效果显著ꎮ 关键词防治水ꎻ定向钻孔ꎻ钻进技术ꎻ超前注浆加固 中图分类号ＴＤ２６５􀆱 ４ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０１４０１－０１３８－０５ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｄｒｉｌｌｅｄ Ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｆｏｒ Ａｄｖａｎｃｅ Ｇｒｏｕｔｉｎｇ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｅａｍ Ｆｌｏｏｒ ＬＩ Ｑｕａｎ￣ｘｉｎ Ｘｉ̓ａｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＣｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＧｒｏｕｐꎬＸｉ̓ａｎ ７１００７７ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｅａｍ ｆｌｏｏｒ ｉｎ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｅꎬｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｆｌｏｏｒ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ａ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ.Ａ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｓｔｕｄｙ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃ￣ ｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃａｓｉｎｇ ｄｒｉｌｌｉｎｇꎬｒｏｔａｒｙ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｄｒｉｌｌｉｎｇꎬｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｈｏｌｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｍａｔｃｈｅｄ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｔｏｏｌｓ.Ａ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ.Ｔｈｅ ｓｉｔｅ ｔｒｉａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ Ｚｈａｏｇｕ Ｎｏ.１ Ｍｉｎｅ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｒｉｌｌｅｄ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｃｏｕｌｄ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅａｍ ｆｌｏｏｒꎬｔｈｅ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ａ ｌａｒｇｅ ｍａｒｇｉｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅａｍ ｆｌｏｏｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｗａｓ ｏｂｖｉｏｕｓ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｍｉｎｅ ｗａｔｅｒ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌꎻｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｒｉｌｌｅｄ ｂｏｒｅｈｏｌｅꎻｄｒｉｌｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎻａｄｖａｎｃｅ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ 收稿日期２０１３－０８－２６ꎻ责任编辑张 扬 ＤＯＩ１０.１３１９９/ ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｓｔ.２０１４.０１.０３２ 基金项目国家科技重大专项资助项目２０１１ＺＸ０５０４１－００１ 作者简介李泉新１９８０ꎬ男ꎬ黑龙江齐齐哈尔人ꎬ硕士ꎮ Ｔｅｌ１８６８１８９６８６６ꎬＥ－ｍａｉｌ８４８３４２２３＠ ｑｑ.ｃｏｍ 引用格式李泉新.煤层底板超前注浆加固定向钻孔钻进技术[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１３ꎬ４２１１３８－１４２. ＬＩ Ｑｕａｎ￣ｘｉｎ.Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｄｒｉｌｌｅｄ Ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｆｏｒ Ａｄｖａｎｃｅ Ｇｒｏｕｔｉｎｇ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｅａｍ Ｆｌｏｏｒ[Ｊ].Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌ￣ ｏｇｙꎬ２０１４ꎬ４２１１３８－１４２. ０ 引 言 我国华北及华东地区ꎬ二叠纪下统山西组煤普 遍发育ꎬ煤层赋存稳定ꎬ厚度大ꎬ储量丰富ꎬ煤质好ꎬ 经济价值高ꎬ开采条件好ꎬ是许多矿区的主要开采煤 层之一[１－２]ꎮ 但是煤层下部地层水文地质条件比较 复杂ꎬ底板保护层完整性较差ꎬ煤层底板突水问题对 煤炭的开采威胁程度居于我国 ５ 大聚煤区之首ꎬ是 这些区域煤炭开采的一个重大安全隐患[３－４]ꎮ 在煤 矿生产建设过程中ꎬ二１煤层底板突水事故不断发 生ꎬ尤其是采煤工作面底板突水及工作面采空区底 板滞后突水ꎬ水量大、水压高ꎬ轻者淹没工作面ꎬ重者 淹没整个采区ꎬ给矿井安全生产带来很大影响ꎮ 经 过多年煤层底板防治水工作研究和实践ꎬ总结出底 板突水防治工作的“预测预报、有疑必探、先探后 掘、先治后采”原则ꎮ 根据突水规律ꎬ在防治底板突 水方面ꎬ应以底板水文地质条件为前提ꎬ针对不同情 况做好探查探测、实时监控、分析评价、预测预报、疏 放降压、条带开采、合理留设煤柱等综合预防治理措 施[５－１０]ꎮ 由于注浆加固底板技术充分体现了以上防 治水原则ꎬ可有效地控制底板突水事故的发生ꎬ减小 矿井排水量ꎬ目前许多煤矿通过施工底板常规钻孔 进行注浆堵水ꎬ改造煤层底板效果显著[１１－１２]ꎮ 但常 规钻孔存在以下问题ꎬ影响了钻孔注浆的效果①钻 ８３１ 李泉新煤层底板超前注浆加固定向钻孔钻进技术２０１４ 年第 １ 期 孔轨迹不可控ꎬ容易存在注浆盲区ꎬ为保证注浆效果 必须设置大量钻孔ꎬ导致钻孔浪费ꎬ钻探工作量大ꎬ 施钻人员劳动强度高ꎻ②钻孔以大倾角开孔ꎬ钻遇含 水层的有效孔段较短ꎬ注浆加固效果差且造成浆液 的严重浪费ꎻ③钻孔钻遇含水层后ꎬ不能精确计算出 出水点位置ꎻ④钻孔孔深一般较浅ꎬ钻孔轨迹不能改 变方向ꎬ只能边掘边采边进行加固ꎬ在未形成工 作面运输巷和回风巷时ꎬ无法施工注浆加固钻孔ꎬ不 能实现区域超前底板加固ꎮ 为解决煤层底板突水问 题及常规钻孔的不足ꎬ笔者提出采用井下定向钻进 施工技术施工煤层底板注浆加固钻孔ꎬ并结合地面 高压注浆技术实现对煤层底板的超前注浆加固ꎬ保 证巷道掘进和煤层回采安全ꎮ １ 煤层底板超前注浆加固定向钻进要求 煤矿井下定向钻进技术主要应用于煤矿瓦斯抽 采领域ꎬ自 ２０ 世纪 ９０ 年代国内瓦斯抽采得到重视 以来ꎬ螺杆马达定向钻进技术逐渐得以推广应用ꎬ形 成了顶板定向长钻孔代替高抽巷、松软煤层梳状钻 孔、集束型定向钻孔瓦斯抽采、上下联合抽采等多种 瓦斯抽采钻孔施工技术和工艺方法ꎬ并开始应用于 地质构造探测和探放水等多领域[１３－１４]ꎮ 但是目前 定向钻进技术还未应用于煤层底板注浆加固领域ꎬ 相应钻探机具和工艺技术均需要进行研究突破ꎮ 煤 层底板超前注浆加固定向钻孔钻进技术与瓦斯抽采 定向钻孔钻进技术相比有很大不同ꎬ钻孔施工要求 更高ꎮ １钻孔施工地层复杂坚硬ꎮ 瓦斯抽采定向钻 孔施工目的层位为煤层ꎬ钻进速度较快ꎻ而煤层底板 超前注浆加固定向钻孔则在底板中施工ꎬ穿过的层 位较多ꎬ地层情况较为复杂ꎬ且钻进的目的层位比煤 层硬度大ꎬ钻进相对困难ꎮ ２钻孔结构复杂ꎬ施工工艺繁琐ꎮ 瓦斯抽采钻 孔结构简单ꎬ只需要孔口段简单封孔ꎬ除孔口段需要 进行回转钻进并下入套管外ꎬ可以采用螺杆马达定 向钻具定向钻进至孔底ꎮ 煤层底板超前注浆加固定 向钻孔由于要进行多次高压注浆ꎬ需要下入多级套 管以封固孔口煤层和不稳定地层ꎬ为后期注浆上压 提供基础ꎬ所以钻孔结构复杂ꎬ不同孔段施工技术要 求不同ꎬ需要综合采用多种钻进技术完成钻孔施工ꎮ ３钻孔轨迹控制更严格ꎮ 瓦斯抽采定向钻孔 一般为近水平定向钻孔ꎬ钻孔倾角和方位角变化较 小ꎬ钻孔轨迹控制难度较小ꎮ 煤层底板超前注浆加 固定向钻孔施工目的层位距离开孔点垂深和钻孔间 距均较大ꎬ钻孔上下位移和左右位移较大ꎬ钻孔施工 时一旦出现失误ꎬ轨迹纠正将非常困难ꎮ ４辅助作业较多ꎬ钻孔施工周期长ꎮ 瓦斯抽采 定向钻孔施工速度很快ꎬ一般 ７ ｄ 即可完成钻孔施 工ꎮ 而煤层底板超前注浆加固定向钻孔不仅钻进速 度较慢ꎬ而且需要下入多级套管ꎬ并进行分段注浆ꎬ 施工周期较长ꎮ 此外ꎬ煤层底板超前注浆加固定向钻孔施工目 的层位较深ꎬ容易出现掉钻、排渣困难等问题ꎬ此外 钻孔轨迹变化较大ꎬ影响钻具安全ꎬ因此钻进时应合 理选择钻具组合ꎬ注意钻进参数变化ꎬ控制钻孔轨迹 沿设计轨迹延伸ꎮ ２ 定向钻进工艺及技术 煤层底板超前注浆加固定向钻孔钻进时需要综 合采用螺旋钻杆回转钻进、稳定组合钻具定向钻进 和螺杆钻具随钻测量定向钻进等多种耦合工艺ꎮ ２􀆱 １ 钻孔施工工艺流程 煤层底板注浆加固定向钻孔施工工艺流程如图 １ 所示ꎮ 钻进时首先采用螺旋钻杆回转钻进工艺进 行套管段施工ꎬ成功下入套管并试压合格ꎻ然后采用 稳定组合钻具定向钻进工艺钻至目的层位ꎬ使钻孔 倾角略为增加ꎬ以减少后期定向钻进倾角调整难度ꎻ 再使用螺杆钻具随钻测量定向钻进完成定向造斜段 和稳斜段施工ꎬ使钻孔按设计轨迹在目的岩层中延 伸直至达到设计要求[１５]ꎮ 图 １ 煤层底板注浆加固定向钻孔施工工艺流程 煤层底板注浆加固定向钻孔施工时按钻孔结构 及施工工艺的不同可分为套管段施工、目的层位与 套管之间段施工、定向造斜段施工、定向造斜段施工 和透孔钻进施工等ꎬ均有各自的施工特点及施工工 ９３１ ２０１４ 年第 １ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 艺要点ꎮ ２􀆱 ２ 套管段钻进技术 套管孔段施工采用回转钻进成孔工艺ꎬ为确保 套管顺利下入孔内ꎬ要求钻孔轨迹平直ꎬ孔内沉渣 少ꎬ为此可采用螺旋钻进工艺配套稳定组合钻具和 取心钻进工艺技术进行套管段施工ꎮ １一级套管段施工ꎮ 为确保钻孔开孔时不偏 斜ꎬ开孔采用 １５３ ｍｍ 取心钻头＋１４６ ｍｍ 异径接 头＋１４６ ｍｍ 套管＋１４６ ｍｍ 异径接头＋７３ ｍｍ 外平 钻杆进行取心钻进ꎬ钻进至煤层下岩层中ꎬ钻进过程 中要求轻压慢转ꎮ 开孔完成后提钻ꎬ更换钻具组合ꎬ 采用 １５３ ｍｍ 全断面钻头＋１４０ ｍｍ 扫孔钻具＋ １３０ ｍｍ 插接式螺旋钻杆钻进至套管设计深度 １ ｍ 为止ꎬ施工完成后利用测量仪器进行测斜ꎮ 钻孔达 到设计深度后冲孔提钻ꎬ下套管至设计深度ꎬ然后用 井下注浆泵将水灰质量比为 １􀆱 ０ ∶ １􀆱 ６ 的水泥浆进 行返浆固管ꎬ孔口返浆务必一次成功ꎮ 凝固 ３４ 个 班次后ꎬ使用 １３３ ｍｍ 全断面钻头＋１２７ ｍｍ 稳定 器＋７３ ｍｍ 外平钻杆＋１２７ ｍｍ 稳定器＋７３ ｍｍ 外 平钻杆ꎬ透出一级套管 １􀆱 ０１􀆱 ５ ｍ 后进行试压ꎬ耐 压试验压力稳定在设计值ꎬ时间不少于 ３０ ｍｉｎꎮ ２二级套管段施工ꎮ 采用 １３３ ｍｍ 全断面钻 头＋２ 根 １３０ ｍｍ 螺旋钻杆 ＋１２０ ｍｍ 螺旋钻杆的 钻具组合ꎬ回转钻进至出稳定岩层以下垂距 ３ ｍ 为 止ꎬ施工完成后利用测量仪器进行测斜ꎮ 提钻后使 用 １３３ ｍｍ 全断面钻头＋１２７ ｍｍ２ ｍ 套管＋７３ ｍｍ 外平钻杆ꎬ扫孔至孔底后ꎬ提钻下入 １２７ ｍｍ 套 管至设计位置ꎮ 套管下入孔底后用井下注浆泵将水 灰质量比为 １􀆱 ０ ∶ １􀆱 ６ 的水泥浆进行返浆固管ꎬ孔口 返浆务必一次成功ꎮ 凝固 ３ 个班次后ꎬ使用 １１３ ｍｍ 全断面钻头＋１１３ ｍｍ 稳定器＋７３ ｍｍ 外平钻 杆＋１１３ ｍｍ 稳定器＋７３ ｍｍ 外平钻杆ꎬ透出二级套 管 ０􀆱 ５ ｍ 后进行试压ꎬ耐压试验压力稳定在设计值ꎬ 时间不少于 ３０ ｍｉｎꎮ ２􀆱 ３ 回转钻进段钻进技术 １回转钻进段即目的层位以上孔段岩层较 稳定时采用的钻进工艺ꎮ 如果目的层位与套管之间 岩层坚硬且较稳定ꎬ为缩短造斜段的距离ꎬ确保钻孔 轨迹平滑可在回转钻进阶段利用稳定器组合钻具实 施钻孔造斜ꎮ 钻进过程中采用 ９６ ｍｍ 全断面钻 头＋９５ ｍｍ 稳定器＋３ 根 ７３ ｍｍ 外平钻杆＋９５ ｍｍ 稳定器＋１ 根 ７３ ｍｍ 外平钻杆＋９５ ｍｍ 稳定器＋ ７３ ｍｍ 外平钻杆ꎬ钻至目的层位ꎮ ２回转钻进段即目的层位以上孔段岩层不 稳定时采用的钻进工艺ꎮ 如果目的层位与套管之间 岩层不稳定ꎬ钻进过程中需尽量缩短此段的钻孔长 度ꎬ为此需对钻孔进行保直钻进ꎮ 钻进过程中先采 用 ９６ ｍｍ 全断面钻头＋１ 根 ７３ ｍｍ 外平钻杆＋ １１３ ｍｍ 稳定器＋１ 根 ７３ ｍｍ 外平钻杆＋１１３ ｍｍ 稳定器＋７３ ｍｍ 外平钻杆ꎬ钻至出套管 １􀆱 ５ ｍ 提钻ꎮ 然后采用 ９６ ｍｍ 全断面钻头＋９５ｍｍ 稳定器＋１ 根 ７３ ｍｍ 外平钻杆＋９５ ｍｍ 稳定器＋７３ ｍｍ 外平钻 杆ꎬ钻至目的层位ꎬ提钻更换定向钻具ꎮ ２􀆱 ４ 定向造斜段钻进技术 钻孔穿出目的层位后ꎬ更换造斜钻具进行造斜 钻进ꎬ钻具组合形式为９６ ｍｍ 全断面钻头＋７３ ｍｍ 螺杆钻具＋７３ ｍｍ 上无磁钻杆＋７３ ｍｍ 随钻测 量仪器＋７３ ｍｍ 下无磁钻杆＋７３ ｍｍ 通缆钻杆ꎮ 考 虑到使用的螺杆钻具造斜能力ꎬ以及通缆钻杆弯曲 强度ꎬ设计 １􀆱 ２５造斜强度为１􀆱 ０１􀆱 ５ / ３ ｍꎻ 设计 １􀆱 ５造斜强度为１２ / ３ ｍꎮ ２􀆱 ５ 定向稳斜段钻进技术 定向稳斜段钻进采用 ９６ ｍｍ 全断面钻头＋７３ ｍｍ 螺杆钻具＋７３ ｍｍ 上无磁钻杆＋７３ ｍｍ 随钻测 量仪器＋７３ ｍｍ 下无磁钻杆＋７３ ｍｍ 通缆钻杆的钻 具组合ꎮ 施工时以地层倾角及起伏状况为依据ꎬ使 钻孔设计倾角与地层相一致ꎬ尽量沿着目的层位下 砂岩层钻进ꎮ ２􀆱 ６ 透孔钻进技术 钻孔每 １００ ｍ 注浆完成后ꎬ进行下一个 １００ ｍ 钻孔施工时ꎬ需对钻孔进行透孔ꎬ透孔时采用 ９６ ｍｍ 全断面钻头＋７３ ｍｍ 螺杆钻具＋７３ ｍｍ 上无磁 钻杆＋７３ ｍｍ 随钻测量仪器＋７３ｍｍ 下无磁钻杆＋ ７３ ｍｍ 通缆钻杆的钻具组合[１６]ꎮ 透孔过程中ꎬ需 将螺杆钻具的工具面向角调整至 ２７０３６０和 ０ ９０ꎬ且每透 １００１５０ ｍ 即进行大泵量冲孔[１７]ꎮ 透 孔时如遇泵压突变或给进压力突变时ꎬ可采用复合 钻进工艺穿过此区域ꎬ但要求钻机的回转压力不能 超过 ６ ＭＰａꎬ回转速度控制在 ５０ ｒ/ ｍｉｎ 以下ꎮ 钻孔 透孔完成后观测水量ꎬ若涌水量大于 １０ ｍ３/ ｈꎬ则需 继续注浆ꎬ直到透孔水量小于 １０ ｍ３/ ｈ 为止ꎮ ３ 钻探事故预防措施 １钻进过程中应尽量减少套管下入钻孔内的 ０４１ 李泉新煤层底板超前注浆加固定向钻孔钻进技术２０１４ 年第 １ 期 次数ꎬ同时对套管的质量进行严格检验ꎬ不合格套管 严禁使用ꎮ ２钻孔出水有利于钻屑排除ꎬ当钻孔出水较小 时钻进过程中应时刻注意钻孔排渣情况ꎬ采用大泵 量冲孔和来回倒杆扰动孔内岩屑相结合的方式ꎬ防 止孔内钻屑堆积而导致钻孔事故ꎮ 当定向钻孔深度 较大时应多冲孔和划眼ꎬ保持孔内干净和顺畅ꎬ以保 障钻进施工安全ꎮ ３在起钻前应将钻孔冲洗干净ꎬ下钻时最好带 水ꎬ且下钻时第 １ 次打开泥浆泵时应特别注意泥浆 泵泵压变化[１８]ꎮ ４发生塌孔、缩径等事故时ꎬ不能下入螺旋钻 杆ꎻ若必须使用螺旋钻杆钻进时ꎬ最好采用全螺旋钻 杆钻进ꎮ 钻进或透孔需要下入 ９０ ｍｍ 螺旋钻杆 时ꎬ螺旋钻杆下入数量至少应保证钻进至需要深度 时ꎬ最上一根螺旋钻杆在套管内ꎮ ５在孔深超过 ４００ ｍ 时ꎬ尽量避免长时间停 钻ꎬ如停钻不可避免ꎬ须将钻孔冲洗干净ꎬ钻头提离 孔底ꎬ必要时需定时给钻孔打水ꎬ保证钻孔通畅ꎮ ６在深孔条件下ꎬ长时间停钻后ꎬ须先尝试不 打水情况下提钻ꎬ如果起拔压力较大ꎬ可先起出几根 钻具将孔内通道导通再尝试打水ꎬ待孔内返水正常 后方可考虑下钻继续钻进ꎮ ７定向钻孔施工时发生塌孔、缩径等现象ꎬ应 待孔内情况处理正常后方可继续钻进ꎬ钻进过程中 应尽量避免再次钻遇不稳定地层ꎮ ４ 现场应用 １工作面及地层概况ꎮ １１１５１ 工作面位于赵固 一矿东盘区ꎬ走向长 ４６０ ｍꎬ倾斜长 １９５ ｍꎬ工作面煤 层为二１煤层ꎬ煤层厚度 ６􀆱 １０ ６􀆱 ３９ ｍꎬ煤层倾角 ０６􀆱 ６ꎬ平均倾角 ３􀆱 １ꎬ煤层赋存稳定ꎬ煤层结构 较简单ꎮ 该工作面水文地质条件较复杂ꎬ目的层位 厚 ７􀆱 ８ ９􀆱 ０ ｍꎬ隔水层厚度为 ２４ ２７ ｍꎬ水压为 ４􀆱 ８５􀆱 ４ ＭＰａꎬ突水系数为 ０􀆱 ２２５ ＭＰａ/ ｍꎬ存在有突 水危险性ꎮ 钻场位于赵固一矿东回风巷 １１１５１ 上巷 口以西 ７５ ｍ 处ꎬ该钻场位于回风巷内ꎬ将巷道作为 钻场ꎬ未特别开拓ꎮ ２钻孔设计ꎮ 根据赵固一矿煤层底板情况ꎬ钻 孔设计了二级套管ꎬ以 Ｌ８灰岩下砂岩层为目的层 位ꎬ定向钻孔施工的主要目的在于探查施工区域 Ｌ８ 灰岩下砂岩层Ｌ８灰岩下垂距 ３９ ｍ富水区段和 导水通道断层、裂隙带、陷落柱ꎬ并对该砂岩层进 行注浆加固ꎮ 钻孔设计参数开孔倾角－２０ꎬ开孔 方位角 １３９􀆱 ３ꎻ直孔段一级套管直径 １４６ ｍｍꎬ深度 ３０ ｍꎻ二级套管直径 １２７ ｍｍꎬ深度 ５３ ｍꎻ目的层以 上套管直径 ９６ ｍｍꎬ深度 ９９ ｍꎻ定向造斜段套管直 径 ９６ ｍｍꎬ深度 ３３ ｍꎻ定向稳斜段套管直径 ９６ ｍｍꎬ 深度大于 ２６８ ｍꎮ 定向钻孔设计剖面如图 ２ 所示ꎮ 图 ２ 定向钻孔设计剖面示意 ３钻孔施工ꎮ 该定向钻孔从 ２０１２ 年 ７ 月 ７ 日 １６ 点班开始开孔钻进至 ２０１２ 年 ８ 月 １８ 日 ０ 点班ꎬ 完成第 ３ 区段定向钻进ꎬ共施工 １３２ 个班次ꎮ 钻孔 施工时定向钻进孔段分为 ３ 个区段进行ꎬ每个区段 施工完成后进行提钻注浆ꎬ注浆完成后再透孔继续 钻进ꎬ钻孔轨迹基本按照设计轨迹在 Ｌ８灰岩以下砂 岩层中延深ꎬ钻孔终孔主孔深度 ５１９ ｍꎬ累计注浆量 为 ６４６􀆱 ７６７ ｍ３ꎮ 定向钻孔实钻轨迹如图 ３ 所示ꎮ 图 ３ 定向钻孔实钻轨迹 ５ 结 语 煤层底板超前注浆加固定向钻孔综合采用了螺 旋钻杆回转钻进工艺、稳定组合钻具定向钻进工艺 和螺杆钻具随钻测量定向钻进工艺ꎮ 定向钻进时以 先进的随钻测控技术为依托ꎬ可对实钻钻孔轨迹进 行实时测量和精确控制ꎬ利用回转钻进施工下斜钻 孔至预定层位ꎬ然后利用定向钻进技术进行造斜钻 进ꎬ使钻孔在欲加固的层位延伸ꎬ并可在需加固的工 １４１ ２０１４ 年第 １ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 作面进行分支钻进ꎬ成孔后高压注浆ꎬ将钻孔钻遇的 裂隙填满ꎬ形成隔水层ꎮ 煤层底板超前注浆加固定 向钻孔具有以下优点①实现区域煤层底板超前治 理ꎻ②增加钻孔钻遇含水层的有效孔段ꎻ③对煤层底 板地质构造进行超前探测ꎻ④准确计算出水点坐标 位置ꎻ⑤提高了钻孔钻遇裂隙的概率ꎬ为后续钻孔注 浆堵水提供有力的技术条件ꎮ 采用随钻测量定向钻 进技术施工煤层底板超前注浆加固定向钻孔进行注 浆堵水ꎬ是定向钻进技术在防治水领域的重要推广ꎮ 煤层底板注浆加固定向钻孔可与常规回钻注浆加固 钻孔结合取得良好的底板加固效果ꎬ保障煤矿安全 生产ꎮ 参考文献 [１] 靳德武.我国煤层底板突水问题的研究现状及展望[Ｊ].煤炭科 学技术ꎬ２００２ꎬ３０６１－４. 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