扇形多分支定向长钻孔在山西保德煤矿煤系地层勘查中的应用.pdf

第11卷第8期 2020年8月 Vol. 11 No. 8 August,2020 矿产勘查 MINERAL EXPLORATION 扇形多分支定向长钻孔 在山西保德煤矿煤系地层勘查中的应用 刘学江打金鑫2,彭冬2 （1.神华神东保德煤矿，山西保德 036600 ； 2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077） 摘 要 山西省保德矿面临相邻工作面双巷道同时掘进存在突水危险，急需施工钻孔勘查8号煤层底板地质情 况,消除突水隐患，掩护巷道掘进。该文从保德矿煤层底板水文地质条件入手，研究了保德矿煤层底板奥 陶系灰岩突水可能性，计算了 8号煤层底板安全隔水厚度和突水系数。计算结果突水系数为0. 035- 0. 037 MPa/ m,小于临界值0. 06 MPa/ m,表明底板奥陶系灰岩无直接突水危险可能。在10号煤层施工扇 形多分支定向长钻孔勘查底板隐伏构造是否存在，勘查结果表明钻孔中无出水现象，证明了 8号煤层底 板无隐伏构造。完成的勘查钻孔又作为煤层瓦斯抽采钻孔，达到一孔多用的效果,为煤矿巷道的安全掘 进提供了技术支撑。 关键词煤系地层奥陶系灰岩扇形多分支定向长钻孔底板突水地质勘查一孔多用山西 中图分类号TD745 文献标识码A 文章编号1674-7801（2020）08-1697-05 0引言 保德煤矿是神东煤炭集团所属的大型石炭二叠 纪出口煤配煤基地，位于山西省保德县境内,属黄土 高原晋西北边缘，晋北大型煤炭基地河保偏矿区,地 处黄河东岸，河东煤田的北部。地理坐标东经111。 0420“111。0830“,寸匕纬 385450“390149“,保 德煤矿目前主采煤层为8号煤层，区域预抽钻孔沿 煤层布置，煤层倾角3 9。平均煤厚6. 8 mo 定向钻进技术以其钻孔轨迹可控、目标层钻遇 率高、综合成本低等技术优势,近年来发展迅速，已 发展为煤矿井下成熟的坑道钻探技术，目前已广泛 地应用于疏放水、瓦斯治理、底板注浆改造、地质勘 查等领域（张杰等,2013；李泉新等,2014；石智军等， 2015；姬中奎,2014；许峰和杨茂林,2017）。在目标 层位施工扇形多分支定向孔，因各分支孔共享一个 主孔,减少了各个分支孔以上的孔段部分，从而减少 了钻孔数量提高施工效率;扇形多分支水平孔利用 分支孔的长度、各分支孔之间适当间距以及合适的 数量形成一个网状结构增大了与目标层位的波及与 接触面积,形成大面积网状沟通，提高了勘查效率 （张迪等,2018；李阳，2018；吴志臣等,2019）。在目 标层位采用扇形多分支定向长钻孔进行勘查,若勘 查孔钻遇隐伏构造沟通底板奥灰水，出水过大时扇 形多分支孔易于控制（敬复兴等,2017 ；宋金星和王 正伟,2016）。保德矿目前开拓的8号煤81312工作 面胶运巷道及81313工作面辅运巷道受到底板奥陶 系灰岩突水的制约,影响了矿区快速掘进，采用传统 常规钻孔进行勘査,钻孔的施工孔深浅,轨迹难控 制，目标层钻遇率低,不能有效地对目标层进行勘 查。目前备采面需要巷道掘进，急需施工钻孔勘查 巷道底板地质状况，掩护巷道掘进。因此，本文在底 板10号煤中采用扇形多分支定向长钻孔解决该问 题，进行8号煤层底板隐伏构造勘查钻孔施工，保证 巷道掘进的安全。 1工作面水文地质条件 研究区域为正在掘进的81312胶运和81313辅 ［收稿日期］2020-04-08 ［第一作者简介］刘学江,男,1981年生,硕士,工程师,从事煤矿井下探放水工作;E-mail705246494 q q .c o m。 ［通信作者简介］彭冬，男,1991年生，硕士，助理工程师，从事煤矿井下定向钻进技术研究与推广工作;E-mail pe n gd o n g c c te gx ian .c o m。 1697 矿 产 勘 查2020 年 运8号煤层工作面巷道,保德矿奥灰水水位为 839 m,81312胶运,81313辅运顺槽0700 m段掘进工 作面底板标高为544-565 m,位于奥灰水水位以下 274-295 m,承受水压为2. 74-2. 95 MPa,属于带压 掘进。由于该掘进巷道受奥灰水害威胁，结合现有 掘进区域水文地质情况，根据钻孔煤系地层抽水试 验资料显示，钻孔单位涌水量g为0. 00007 - 0. 0398 I7s m,富水性为弱-中等，表明该区域的碳酸盐岩 含水层的岩溶发育不均一，但遇到隐伏导水构造仍 有突水可能性。因此，在8号煤层巷道掘进区域，对 该煤层底板隐伏导水构造的勘查是巷道掘进期间矿 井防治水的重点工作。 2底板奥陶系灰岩水突水危险性分析 工作面向前推进煤层顶板上覆岩层达到垮落步 距，顶板岩层垮落形成垮落带与裂隙带也即是导水 裂隙带。该地区地表松散层与8号煤层顶板上部岩 层联系弱，两者之间的导水通道有限，地表水作为补 给源对8号煤层开采的威胁小。煤层开采致使底板 岩层泄压，由于奥陶系岩溶含水层承压水头高于现 掘进工作面，如遇煤层底板隐伏导水构造形成导水 通道，威胁工作面掘进安全。因此，必须对底板突水 危险性进行分析。突水系数是带压开采条件下衡量 煤层底板突水危险程度的定量指标，突水系数的数 值依据煤层底板所承受的水压力。通过相关规范及 防治水细则可采用公式（1）和（2）计算该工作面8 号煤层底板安全隔水厚度和突水系数（武强等, 2013；国家煤矿安全监察局,2018）。 Z y2 L2 8 KpP - yL t 碍 式⑴中t 一安全隔水厚度,m； L巷道底板宽度,m,取5. 4 m； r底板隔水层的平均重度，MN/n ,取0. 025 MN/m3 ； 鸟一底板隔水层的平均抗拉强度,MPa,取0. 62 MPa； p一底板隔水层承受的实际水头值，MPa,取 4. 13 MPa。 1 T.上 s M 式（2）中7；突水系数,MPa/m； P隔水层承受的水压,MPa； ⑵ M底板隔水层厚,mo 其中,P值取3.91-4. 13 MPa时,经过计算该 掘进面突水系数0. 035-0. 037 MPa/m,小于临界值 0. 06 MPa/m,正常情况下不具有突水危险性，但由 于巷道掘进后存在底板泄压现象，若掘进中揭露断 层、断裂裂隙、陷落柱等大型导水构造时，会立即将 底板奥灰水与正在揭露的煤层连通，导致突水的可 能。因此，在10号煤中施工扇形多分支定向长钻孔 勘査煤层中是否存在隐伏构造，从而判断底板灰岩 的突水可能性。 3钻探装备 本次隐伏构造勘查采用扇形多分支定向长钻 孔，因此采用输出扭矩、回转能力及起拔能力大，且 适用于孔底螺杆马达定向钻进、回转钻进以及复合 钻进的ZDY6000LD定向钻机。配套设备有 BLY390泥浆泵车、螺杆钻具、中心通缆式钻杆、钻 头以及YHD2-1000（A）随钻测量系统等（豆旭谦 等,2018）。大排量液压驱动泥浆泵车能够提供足 够的压力，满足成孔和携带岩粉的要求，YHD2- 1000（ A）有线随钻测量系统保证了钻孔轨迹参数实 时测量，便于控制轨迹。由于钻孔轨迹在煤系地层 延伸，因此螺杆钻具选用4级螺杆马达。该定向钻 孔用于勘查10号煤层隐伏构造的存在，因此，在孔 口安装孔口防喷器,防止钻孔大量涌水。主要使用 设备见表1（金鑫等,2018）。 4关键技术及施工工艺 4. 1关键技术 4. 1. 1有线随钻测量技术有线随钻测量技术 煤矿井下有线随钻测量技术适用于孔深700 m 左右的钻孔，在该深度的钻孔采用有线随钻测量经 济、可靠性高、方便快捷。采用YHD2-1000（A）随 钻测量系统配合①73 mm中心式大通缆钻杆钻进, 钻进过程中每3 m进行一次钻孔倾角与方位角等数 据的采集,结合煤层的地质情况以及孔口返渣情况, 调整孔底钻具的工具面向角，调整合适的钻压与泵 量,使钻孔在煤层中按照设计时的轨迹延伸。 4. 1. 2主孔开分支技术主孔开分支技术 在煤层中施工定向长钻孔为了更高效、精准的 勘查10号煤层的地质状况，施工过程中须在施工主 1698 第11卷第8期刘学江等扇形多分支定向长钻孔在山西保德煤矿煤系地层勘查中的应用 表表1施工装备施工装备 设备名称型号用途 履带式全液压坑道钻机ZDY -6000LD 提供钻具动力 泥浆泵 BW-600/10 供给冲洗液 随钻测量系统 YHD2-1000A 测量钻孔参数 螺杆钻具 073 mm四级 传输动力、造斜 孔口防喷装置防止钻孔涌水外流 无磁钻杆 ①76 mm/L3 m 屏蔽磁场干扰 中心式通缆钻杆 073 mm/L 3 mMWI、信号传瞬介 三翼抛物线型PDC钻头①98 mm 施工定向造斜孔段使用 四翼平角型PDC钻头①98 mm PDC扩孔钻头094/153 mm 施工套管段使用 PDC扩孔钻头0153/193 mm 孔的基础上开分支孔。目前在煤系地层中常用的钻 孔主孔开分支方法有,低速磨削分支法和反复磨削 分支法（姚宁平等,2012）。低速磨削分支法将钻具 工具面向角调至180。,机械钻速调至68 m/h缓慢 钻进宜至开出新的分支孔（赵永哲,2008）。反复磨 削分支法将钻具工具面向角调至180。,机械钻速调 至20 30 m/h较快钻进,当钻具全部进入新孔再提 出，反复磨削2次后且能正常加钻杆继续钻进，直至 开出新的分支孔（许超等,2011；李晓龙等,2019）。 保德矿10号煤平均厚度仅为1.5 m,目标煤层薄需 要通过孔口监视器更为精确的调整孔底螺杆钻具的 工具面角,使钻孔轨迹在煤层中延伸。为了保证钻 孔轨迹不出煤层,钻孔倾角与方位角的单根变化控 制在0.5。0.8。。在主孔施工完成后采用“后退 式”开分支的方法进行分支孔施工，将钻头退钻至 钻孔轨迹设计时预留的分支点,采用低速磨削发法, 使钻头的弯头朝下低速慢转,直至开出新孔加杆钻 进至设计分支孔孔深,重复之前开分支孔的工艺钻 完剩余分支孔。 4. 2施工工艺 4. 2. 1工作面概况工作面概况 81312工作面位于井田南部区域，工作面掘进 巷道采用双巷掘进形式，其中,81312胶带运输顺槽 巷道、81313辅助运输顺槽巷道为设计的掘进巷道， 工作面西部均未采掘。主采煤层为二叠系8号煤 层，煤层呈南北走向，向西倾斜,倾角为3。7。,煤厚 7. 2 m,含有4 5层砂质泥岩夹肝,最大夹肝厚度为 l . 4 mo 4. 2. 2钻孔结构设计钻孔结构设计 钻孔勘查区域煤层硬度较大，有利于钻孔成孔。 巷道掘进过程中使得地层应力释放,形成具有一定 面积的裂隙区成为沟通底板灰岩水的通道,需要施 工扇形多分支定向长钻孔勘查底板隐伏构造是否存 在,由此判断在巷道掘进过程中有无突水危险，掩护 巷道安全掘进。根据定向钻孔的施工意图,结合矿 区的地质条件，定向钻孔结构设计为一开采用 ①120 mm PDC钻头开孔，再用①193 mm PDC钻头 扩孔,最后下①146 mm钢套管50 m注浆固孔。二 开定向段钻进采用①120 mm PDC钻头①89 mm螺 杆马达①89 mm下无磁钻杆C89 mm随钻测量仪 器C89 mm上无磁钻杆①89 mm通缆钻杆的钻具 组合施工至设计孔深。 4. 2. 3钻进工艺施工方案钻进工艺施工方案 钻孔勘查范围为掘进头前方630 m、81312胶运 与81313辅运顺槽正帮外20 m、终孔位于10号煤 中。钻孔勘查水平距离为630 m,超前距30 m,允许 掘进距离为600 m0共设计主孔1个（倾角-10。）、 分支孔4个,钻孔整体呈扇形布置，分别为主孔711 m、 l分支孔717 m、2分支孔711 m、3分支孔711 m、 4分支孔717 mo钻孔轨迹采用“直线-曲线”型，钻 孔一开直线段直径0159 mm,根据煤矿防治水细 则套管直孔段钻进16 m下入15. 5 m长①133 mm 的钢制孔口管，采用含有一定量膨胀剂的PO425R 型早强水泥浆进行孔口管封固，侯凝48 h,侯凝结束 后扫水泥塞,并进行孔口注水耐压试验,注水压力为 4.5 MPa,持续时间60 min ,孔口套管无松动、无漏 水现象即为孔口管封固合格。钻孔二开曲线造斜段 钻孔轨迹采用曲率半径法进行计算，得到曲线造斜 段的钻孔轨迹。曲线稳斜段在钻孔轨迹造斜段成功 进入目标层后，通过控制钻具的工具面使轨迹近似 于直线在目标层内延伸至终孔。钻孔设计轨迹平面 图如图1所示。 5试验情况及效果分析 本次勘查钻孔结果完成了设计的预期工程量, 钻进总进尺3567 mo钻进过程中采用有线随钻测 量系统进行轨迹的实时控制，完成主孔施工后，采用 “后退式”侧钻开分支法完成其余4个分支孔的施 工（图1）。采用扇形多分支定向长钻孔在10号煤 1699 矿 产 勘 查2020 年 UU0Z0Z m G O Z O Z U Q O e o e 二 O E O Z 寸 O E O e ooe 二AEOe 寸I二、 0 好 Z7U0Z0Z 寸 6 0 1 2 0 I 2 6 I C E 9 d 6 I 0 e 61 二 U 6 S C W O I E O e T0U6I0Z 寸 e 、 6 、 6 3 z 二、 6 6 - o e oo 兰 6 5 e E I soE o e 0 € 6 3 e D 6 3 C 日期/年/用日 图图2瓦斯抽采效果瓦斯抽采效果 层全区域的覆盖勘查，施工过程中无塌孔、卡钻现 象，钻孔终孔后无出水现象，说明8号煤层底板不存 在隐伏构造，形成与底板奥灰高层压水沟通的通道。 后期将钻孔作为10号煤层瓦斯预抽钻孔以及临近 8号主采煤层的瓦斯截抽钻孔。从图2中可以看出 钻孔接抽后,瓦斯纯量由前期的不稳定到逐渐升高 在1. 75 m3/min上下波动，瓦斯抽采纯量为0. 77〜 2. 35 m3/min,平均值为1. 83 m3/min ；瓦斯浓度最高 达到82. 4,基本维持在60以上，高浓度的瓦斯 可达到瓦斯发电的要求。 6结论 1底板地质勘查与掘进双巷交叉作业，在搬 家和日常施工时对掘进作业有较大的影响,采用扇 形多分支定向长钻孔施工实现了勘查作业与掘进作 业的完全分离，减少了交叉作业在特殊情况下水害 的波及范围，提高了勘查作业和掘进作业的工作效 率。 2 采用定向长钻孔克服了钻杆自重、煤岩层 变化、构造等因素对轨迹的影响，施工一组扇形多分 支定向长钻孔，通过及时调整钻孔轨迹,实现了对勘 查区域的全覆盖，保证了精准勘查效果。 3 采用扇形多分支定向长钻孔的施工不仅探 清了覆盖区域的地质情况，同时能够超前抽放10号 煤层的瓦斯,对于瓦斯治理具有极大的意义,可实现 一孔多用的目的。 参考文献 豆旭谦，魏廷双，王力，徐保龙.2018定向钻进技术在张集煤矿掩护 巷道掘进探放水中的应用[J] 煤矿安全,489179-182. 国家煤矿安全监察局.2018.煤矿防治水规定[M].北京煤炭工业出 版社,1-131. 姬中奎.2014探放水技术在矿井水文地质补充勘探中的应用[J].中 国煤炭地质,266 30-33. 金鑫,段会军，崔岩波,魏欢欢.2018桑树坪矿煤层底板注浆加固定 向钻孔钻进技术[J] 煤炭工程,501 45-47,51. 敬复兴，李锋，武永明.2017.中马村矿围岩抽采钻孔一孔多用技术应 1700 第11卷第8期刘学江等扇形多分支定向长钻孔在山西保德煤矿煤系地层勘查中的应用 用研究[J].中国煤炭,4312155-158. 李泉新，石智军,史海岐.2014.煤矿井下定向钻进工艺技术的应用 [J].煤田地质与勘探,42,4 85-88. 李晓龙,张红强，郝世俊，郑玉柱,赵永哲，尚荣，秦艺璞.2019.煤层底 板奥灰水害防治定向钻孔施工关键技术[J].煤炭科学技术,47 564-70. 李阳.201保德煤矿多层夹秆低透气性厚煤层多分支穿肝钻孔施工 及抽采效果研究[J ].内蒙古煤炭经济，14 7 130-131. 石智军，李泉新，姚克.2015.煤矿井下水平定向钻进技术与装备的新 进展[J].探矿工程,421 12-16. 宋金星，王正伟.2016.煤矿井下钻孔一孔多用瓦斯抽采技术[J].煤矿 安全,47273-76. 吴志臣，李云飞,王学军，薄志丰,纪贤梅.2019.多分支孔技术在浅层 急倾斜煤层采空区注浆治理中的应用[J].煤炭技术,387136 138. 武强,赵苏启，董书宁，李竟生.2013.煤矿防治水手册[M ].北京煤炭 工业出版社,1-924. 许超,李泉新，刘建林,史海岐.2011.煤矿瓦斯抽采定向长钻孔高效 成孔工艺研究[J].金属矿山，6 39-41. 许峰，杨茂林.2017.定向钻探技术在神东矿区防治水中的应用[J].矿 业安全与环保,441 70-73. 姚宁平，张杰，李泉新，金新，刘睿全，彭涛.2012.煤矿井下梳状定向 孔钻进技术研究与实践[J].煤炭科学技术,405 30-34. 张迪,李泉新，方俊.201集束型枝状定向钻孔群一孔两消瓦斯抽采 技术与应用[J].煤矿安全,496 49-53. 张杰，姚宁平,李乔乔.2013.煤矿井下定向钻进技术在矿井地质勘探 中的应用[J ].煤矿安全,4310131-134. 赵永哲.200煤矿井下近水平定向孔螺杆钻具钻进受控机理研究 [D].北京煤炭科学研究总院,1-91. Application of fan-shaped multi-b ranch technology of directional long drilling in Baode coal mine, Shanxi Province LIU Xu e jian g1, JIN Xin2, PENG Do n g2 1. Baode Coal Mine, Shenhua Shendong Coal Group Corporation Limited, Baode 036600, Shanxi, China； ； 2. Xi9 an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Co., Xi9 an 710077,Shaanxi, China Abstr ac t The Baode mine faces the danger of water inrush when doub le tunnels are advancing on adjacent working faces. There is an urgent need to construct b oreholes to investigate the geological conditions of the No. 8 coal seam floor and eliminate hidden dan gers of water inrush to cover the roadway tunneling. Based on the hydrogeological conditions of the coal floor of Baode Mine, this paper studies the possib ility of water inrush from the limestone of the coal floor of Baode Mine, and calculates the thickness of the safe water cutoff and the coefficient of water inrush of the coal floor of No. 8 coal b ed. The calculated water inrush coefficient is 0. 035 0. 037 MPa/ m, which is less than the critical value of 0. 06 MPa/ m, indicating that the floor Ordovician limestone has no possib ility of direct water inrush. The construction of fian-shaped multi-b ranch directional long b oreholes in No. 10 coal seam was used to investigate the existence of Ordovician limestone concealed structures in the b ottom plate. The investigation results showed that there was no water out flow in the b orehole, proving that there are no hidden structures in No. 10 coal seam. The completed exploration b oreholes are also used as coal seam gas extraction b oreholes, achieving the effect of one hole multi-purpose, and providing technical support for the safe driv ing of coal mine roadways. Ke y w o r d scoal measure strata, Ordovician limestone, fan-shaped multi-b ranch, directional long drilling, floor water inrush, geological exploralion, multi-purpose one hole, Shanxi Province 1701