地面大口径钻探技术在采空区积水疏排研究中的应用.pdf

煤炭与化工 Co al and Chemical Industry 第43卷第7期 2020年7月 Vo l.43 No .7 Jul. 2020 地测与水害防治 地面大口径钻探技术在采空区积水疏排研究中的应用 张泽新 （山西兰花科技创业股份有限公司望云煤矿分公司，山西晋城048000） 摘要从施工设备、钻探工艺、套管固井等工序详细阐述了地面大口径钻探技术，将该技 术在望云煤矿进行了应用，并安装DQ-n型水位智能监测系统，连续自动记录采集空积水水 位变化情况。实践表明，地面大口径钻探技术应用效果良好，采空积水水位持续下降，减少 了矿方3号煤层采空积水疏排水的成本，现其首采区内已无大面积水。 关键词大口径；钻探技术；采空积水；监测系统 中图分类号TD74 文献标识码B 文章编号2095-5979 （ 2020 ） 07-0050-03 Application of ground large-diameter drilling technology in goaf water drainage Zhang Zexin Shanxi Lanhua Technology Vent ure Corporat ion Lt d., Wangyun Mine, Jincheng 048000, China Abstract The gro und large-diameter drilling techno lo gy was described in detail fro m co nstructio n equipment, drilling techno lo gy, casing cementing and o ther pro cedures. The techno lo gy was applied in Wangyun Mine, and the DQ- H water level intelligent mo nito ring system was installed to co ntinuo usly auto matically reco rd and co llect air changes in stagnant water level. P ractice sho wed that the applicatio n effect o f large-diameter drilling techno lo gy o n the gro und was go o d, and the water level o f minedo ut water co ntinued to dro p, reduced the co st o f drainage o f go af water in the No . 3 co al seam, witho ut large area o f water in the first mining area. Key Wo rds large diameter; drilling techno lo gy; mined-o ut water; mo nito ring system 1概况 水灾是矿井生产过程中常见的灾害之一。在下 部煤层开采过程中，由于采动应力影响，在工作面 上部会形成大范围的冒落带、裂隙带和离层带，有 可能与上部煤层采空区积水导通，威胁下部工作面 安全开采。下组煤开采时，由于上部采空区可能存 在大量积水，必须加强对上部采空区积水的疏放。 随着煤炭资源的不断开采，开采技术的不断成 熟，煤炭企业对疏放煤层上部采空积水有了多种研 究，采空积水疏放技术各有不同。根据已有学者的 研究，采空积水大部分采用定向钻进技术进行井下 疏放采空积水，这种技术虽然能够疏干采空积水， 但是在技术实施、井下排水等方面存在技术要求 高、施工难度大等缺点。本研究主要结合望云煤矿 矿井水文地质条件、地质构造，采用大口径技术对 其3号煤层采空积水进行疏放，该技术的主要优点 是地面施工，场地不存在局限性，施工比较安全, 钻探过程小孔径验证，然后扩孔钻进至3号煤层采 空底部，形成低洼地带，能够更大效率疏干采空 积水。 2工程背景 望云煤矿位于山西省高平市区之北12 km处的 寺庄镇望云村，行政区划属高平市寺庄镇管辖，井 田面积16.645 2 km2,生产规模0.90 Mt/a。2008年 东区3号煤层均已开采完毕，根据国家有关政策完 成了3号煤层的设备回撤和关井闭坑工作。由于3 责任编辑张彤 DOI 10.19286/ki.cci.2020.07.013 作者简介张泽新（1986）,男，山西高平人，助理工程师。 引用格式张泽新.地面大口径钻探技术在采空区积水疏排研究中的应用[J].煤炭与化工，2020 , 43（7） 50-52, 56. 50 张泽新.地面大口径钻探技术在采空区积水疏排研究中的应用 2020年第7期 号煤层埋藏相对较浅，采空区已经大面积水，矿井 于2013年5月开始对东区15号煤层进行开拓延 深，15号煤层的开拓延伸和工作面的回采工作受3 号煤层采空区积水的威胁严重，影响矿井安全高效 开采，15号至3号煤层空间位置如图］所示。 3号煤层 8 固管采用水泥标号为42.5R普通硅酸盐水泥，水灰 比为0.5,达到设计要求。 （2）二开。下部基岩段首先采用SL-500型 潜孔锤钻机进行施工，扩孔孔径为350 mm,钻具 组合为350 mm潜孑L锤及冲击器 0231 mm钻铤 51 2020年第7期煤炭与化工第43卷 0194 mm钻杆主动钻杆。 3 三开。选用SP S-600型转盘式回转钻 机，基岩段扩孔孔径为520 mm,钻具组合为 0520 mm 牙轮钻头 0203 mm 钻铤 127 mm 钻 杆主动钻杆。钻至101.68 m停钻，其中14.2 99.5 m 孔径为 520 mm, 99.5 101.68 m 孔径为 311 mm。停钻后利用JDG-5型测斜仪进行孔斜测量， 测斜结果为0.34。,符合规范要求。 大口径探孔结构如图3所示。 地面标高 903.686 m 14.2 m ■4 ■ 孔径 650 mm 套管 560 mm ► 孔径 520 mm -滤水管一 ““480 mm 空巷 2.18 m 图3大口径钻孔结构 Fig. 3 Structure o f large bo re ho le 85.3 m 3.3套管固井 3.3.1护壁管 为保证钻探工程J顺利施工，该井共下入护壁管 2次，其中小口径探孔和大口径扩孔各1次，环空 间隙用水泥封闭，具体见表3。 表3护壁管数据 Table 3 Data o f pro tective wall tube 序号 尺寸/mm管厚/mm长度An备注 1168126 小口径探孔，扩孔前撤出 25601214.2 大口径扩孔 3.3.2井壁管 上实下花通天滤水管到达现场并通过验收后， 对套管逐一丈量、编号登记。2017年10月17日 开始下管工作，在下管过程中利用重锤法检验对接 套管的垂直度，保证管口合缝、同心，并进行焊缝 连接，共计下入0480 mm X 12 mm套管10根，累 计长度99.51 mo固管采用水泥标号为42.5R普通 硅酸盐水泥，水灰比为0.5,达到设计要求。具体 数据见表4。 表4井壁管数据 Table 4 Data o f sidewall tube 编号尺寸/mm壁厚/mm单根长度/m累计长度/m 14801211.1511.15 24801211.2022.35 34801211.1633.51 44801211.1344.64 54801211.1055.74 64801211.1466.88 74801211.1778.05 84801211.1889.23 9480126.1395.36 10480124.1599.51 3.4水泵及水位监测仪安装 3.4.1 设备选用 地面大口径排水孔计划达到排水量300 m3/h, 因此，主排水孔选用400QJ400-120-220KW型井 用潜水泵，最大排水能力为400m3/h,扬水管选用 10寸无缝钢管。 水位监测仪选用DQ-H型水位遥测仪，该系 统是通过GSM GP RS无线通讯的方式实时地遥 测地下水位水温变化的一种智能监测系统。系统运 行叭设在水文长观孔孔口处的分站可以连续或定 时自动记录水位水温的变化情况，并利用GSM GP RS无线通讯模块将所测数据传送至设在监空 中心内的主站进行数据处理。 3.4.2 设备安装 为保证下泵安全及质量，利用SP S-600型回 转钻机进行下泵及扬水管的安装工作。扬水管之间 利用钢制法兰盘螺栓紧固连接，水泵电缆和水位监 测仪传感线置于法兰盘缺口处，并用铁丝将其固 定，地面电缆埋置于地下，利用P VC管保护，扬 水管数据见表5。 表5扬水管数据 Table 5 Data o f water pipeline 编号单根长度/m累计长度/m编号单根长度/m累计长度加 12.722.72105.5143.52 21.494.21115.8249.34 30.424.63125.6354.97 45.6510.28135.6360.60 55.6315.91145.5866.18 65.5721.48155.8372.01 75.5527.03165.6277.63 85.4132.44175.6283.25 95.57301185.62887 下转第56页 52 2020年第7期煤炭与化工第43卷 首先在设计时，应结合地层赋存条件和探测 位置实际情况，考虑开孔、终孔位置及所要穿过 的层位、岩性，遵循钻孔偏斜一般规律，设计钻 孔角度时应考虑如何抵消偏斜影响。如近水平钻 探时，要在设计或开孔时适当增大钻孔倾角，减 小下偏影响。 其次在开钻确定角度时，需测量人员配合放 线，达到设计要求，减小开孔角度偏差。钻机安装 要水平、稳固，钻机动力头、夹持器、钻孔要同 心，降低钻具与钻孔摩擦力及扭力，可采取钻孔保 宜措施，如在钻头后等间距安装3个钻孔扶正器。 施工过程中，要根据煤岩层的软硬，控制好泵量及 钻进速度，使煤岩屑能及时被冲走，减小岩楔作 用；遇到岩层分界面或结核时，要调低钻进速度， 平缓钻进，减小水平偏斜。适当加大正常钻进时的 钻头直径，或在满足探放水要求前提下适当减小开 孔段宜径，减小前后两段孔径级配比，减弱钻头破 岩时旷动、滑动影响。 钻孔施工完成后，结合巷道掘进时揭露或使用 钻孔测井分析仪进行测量，总结钻孔偏斜规律，更 精确地指导钻孔设计及施工。 4结 语 钻探是提高煤矿安全生产预测预报准确性的主 要手段，但钻孔质量时常达不到设计目的，造成决 策错误或带来安全隐患。镇城底矿借助钻孔测井分 析仪实测钻孔方位角、倾角等参数，量化钻孔实际 轨迹，对比设计参数，分别分析开孔角度及地质条 件、钻探因素等方面导致钻孔偏斜的原因，并总结 一定条件下的偏斜规律，对该矿及地质条件相似的 周边矿井，在本煤层施工近水平探放水钻孔及设计 中，超前预防偏斜提供一定参考，提高钻探效率。 参考文献 [1 ] 王扶志.地质工程钻探工艺与技术[M ].长沙中南大学， 200 [2] 李 军.钻孔偏斜原因浅析[J]・成都中国西部科技， 2013, 12（02） 9-10. [3 ] 姚宁平.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, 39 （10） 53 - 57. [4] 马庆勋，李贤志，张泽奇.一种以自然伽玛参数为主的综合 煤矿井下测井系统[J].煤矿开采，2015, 2（2） 16 - 19. [5] 焦积润.一种井下钻孔探测新技术在地质防探水中的应用[J]. 科技资讯，2013（31） 78-19. （上接第52页） 3.5地面管道安装 3.5.1管材要求 地面管道安装选择Q219 mm x 12 mm无缝钢 管，并采用钢制法兰盘螺栓紧固连接，中间夹橡胶 密封垫，管材及配件均有产品质量合格证。 3.5.2安装工作量及用料 自井口向外延伸约800 m至污水处理厂，管道 直径与井中下入管道一致，规格为e219mmxl2 mm无缝钢管，采用人工挖槽，模板支护，保证管 路不变形、不偏移，采用法兰螺栓紧固连接。排水 管路铺设路线如图4所示。 图4地面排水管胳布设示意 Fig. 4 Layo ut o f gro und drainage pipe 4结论 （1） 望云煤矿采用地面大口径钻探技术，布 置2个钻孔，分别为主排水孔与副排水孔，两孔经 统计疏放3号煤层采空区积水累计约为504.12万 皿蔦经物探及智能监测系统水位验证，基本可以 确定其首采工作面上覆3号煤层采空区内无大面 积积水。 （2） 在进行地面大口径排水孔施工时，应先 以小孔钻进，验证孔位，然后在结合实际情况进行 分级扩孔工作，最终层位一定要钻进采空区顶板一 定深度，形成低洼区域，一方面有利于采空积水泥 沙沉积，一方面可以提高采空积水排出效率。 参考文献 [1] 李鹏举.矿井瞬变电磁法探测上层□空区积水的应用实践[J]. 山东煤炭科技，2018 （1） 170-171. [2] 李学华，梁 顺，姚强岭，等.泥岩顶板巷道围岩裂隙演化 规律与冒顶机理分析[J].煤炭学报，2011, 36（6） 4 115 -4122. [3] 杨仁树，薛华俊，郭东明，等.复杂岩层大断面嗣室群围岩 破坏机理及控制[J].煤炭学报，2015, 40 （ 10） 2234- 2 242. 56