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大孔径煤层透巷定向钻进全孔下筛管成孔与护孔工艺研究

2025-02-12 47 上传者：管理员

摘要：为实现煤矿井下孤岛工作面上隅角及采空区瓦斯高效治理，针对其地层应力高、地质条件复杂（夹矸层多、煤质松软、裂隙发育）、定向钻进难以成孔等特点，在山西某矿进行了大孔径煤层透巷定向钻孔全孔下筛管工艺的应用研究。试验设计4个定向钻孔，完成4个定向钻孔，孔径φ153 mm、孔深276～279 m、轨迹上下偏差≤0.8 m、左右偏差≤1.8 m、φ89 mm钢制筛管下深276.2～280.0 m，钻孔末端分别封孔2.4、2.1、2.7、2.8 m，各项参数均达到设计要求。试验结果为孤岛工作面瓦斯治理开辟了新思路，为其他类型透巷钻孔末端封孔处理提供了成功经验。

关键词：
孤岛工作面
定向钻孔
筛管
透巷
采空区疏排水
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煤矿井下透巷钻孔即由开孔巷道向目标巷道施工钻孔,并使其穿透目标巷道的施工工艺,煤层透巷定向钻孔即钻孔轨迹始终控制在煤层中延伸,且穿透目标巷道的定向钻孔[1]｡透巷钻孔一般用于特殊条件下的采空区疏排水[2]､顶底板预注浆[3]､瓦斯埋管抽采､井地联合抽采[4]､冲击地压卸压､局部煤层气化､矿山应急救援等[5-7],在煤矿隐蔽致灾因素治理与保障安全高效生产方面有着重要意义[8]｡实际施工时,往往需要增大钻孔孔径以取得良好的效果,但大孔径(>准120mm)煤层定向钻孔施工时则又面临塌孔的风险,因此,有必要开展大孔径煤层透巷定向钻孔全孔下筛管成孔与护孔工艺研究,为相关类型钻孔施工提供借鉴与指导｡

1、瓦斯抽采孔常见钻具组合

瓦斯抽采钻孔常规孔径为准98mm和准120mm,相应钻具组合,如表1所示｡

表1准98mm和准120mm钻孔钻具组合

根据设计孔深和煤层碎软程度不同,瓦斯抽采钻孔筛管下深一般为0~20m,少数钻孔要求全孔段下筛管[9-10]｡根据材质不同,筛管分为PVC筛管和钢制筛管,前者一般有准32､准50､准75mm等型号,后者一般有准75､准89mm等型号｡

2、现场试验

2.1地质概况

试验地点位于山西省临汾市乡宁县某矿,该矿主采2#煤层,矿井瓦斯绝对涌出量62.46m3/min,相对瓦斯涌出量32.64m3/t,属于高瓦斯矿井｡2#煤层位于山西组中部,煤层厚度5.00~7.97m,平均厚度5.60m,含夹矸0~5层,顶､底板多为泥岩或粉砂岩,2#煤层顶底板岩性柱状图,如图1所示｡

图12#煤层顶底板岩性柱状图

2203工作面为待采工作面,其相邻工作面分别于2020—2022年回采,因此,2203工作面为孤岛工作面,具有瓦斯压力大､地层应力集中的特点｡定向钻场位于2203轨道顺槽(顶板标高309.33m)迎头硐室,目标巷道为总回风大巷(顶板标高304.91m)｡通过施工煤层透巷定向钻孔,在总回风大巷连接瓦斯抽采负压管路,实现回采初期上隅角瓦斯抽采及回采中后期采空区瓦斯治理｡

2.2钻孔设计

本次试验共设计定向钻孔4个,孔深分别为278m和280m,以-2°倾角､26°或27°方位角开孔后保直定向钻进,直至穿透总回风大巷,贯通点位于巷道中上部､H导线点以东5~15m,钻孔具体设计参数,如表2所示｡

表2钻孔设计数据

每个钻孔在准120mm孔径钻进完成后进行准153mm孔径扩孔钻进｡为避免钻孔受地层应力扰动影响而出现塌孔报废情况,采用全孔段下入准89mm钢制筛管的工艺,对钻孔起到保护作用

2.3施工设备

(1)钻探设备

结合大孔径煤层透巷定向钻孔易塌孔卡钻､精度要求高的工艺特点,施工选用ZDY12000LD型大功率定向钻机,配备BLY390型泥浆泵车､YHD2型随钻测量系统及准89-5型五级螺杆马达､准89mm螺旋通缆和回转钻杆等,上述设备配套使用具有进尺效率高､处理事故能力强､测量信号精准的优势,在硬件方面为钻孔的成孔性提供保障｡

(2)钢制筛管

由于退钻完成后需对全孔段进行下筛管护孔,且孤岛工作面地层应力集中,PVC筛管强度､刚度显然无法满足要求,因此,选用DZ50钢制筛管,并在筛管前端通过变径接手连接钻头,在孔内局部沉渣出现下管遇阻时,可借助钻头扫孔继续下入,从而有效保证筛管下入深度,筛管穿出总回风大巷后安排专人对钻头卸扣即可｡钢制筛管具体性能参数,如表3所示｡

表3钢制筛管性能参数

2.4实钻数据

(1)试验过程2024年8月10日正式开钻,至9月30日施工结束,历时51d｡

1#孔钻进时返渣全煤,80~100m局部含片状夹矸,泵压4~5MPa,泵量250L/min,8月15日中班与回风大巷贯通,8月18日夜班完成扩孔,8月20日中班完成全孔下筛管｡

2#孔8月21日早班开孔,开孔时为避免孔口段煤层裂隙与1#孔导通,倾角抬高1°后开孔,钻进至50m后调整轨迹下扎至2#煤层中下部,避开夹矸层,孔深200m之后适当调高倾角,使终孔位置进入回风大巷标高范围,平面轨迹始终保持距1#孔5~7m钻进,直至终孔,返渣全煤,泵压4~4.5MPa,泵量250L/min｡8月30日早班完成扩孔,8月31日中班完成全孔段下筛管｡

3#孔9月1日夜班开孔,开孔时受限于钻场空间条件,实际以2°开孔,开孔后全孔段沿煤层中上部钻进,平面轨迹控制在1#､2#孔之间｡钻进至204m时孔内失返,安排专人观察回风大巷1#､2#孔贯通点附近发现,1#孔外圈煤帮出现渗水,判断3#孔与1#孔裂隙导通｡随即退钻12m进行反复洗孔,并调整工艺为低钻压(3~4MPa)小泵量(220L/min)复合钻进穿过该段｡9月13日早班完成扩孔,9月15日早班完成全孔段下筛管｡

4#孔9月16日夜班开孔,钻孔轨迹控制在煤层中下部,平面轨迹距2#孔5~7m,为H导线点最东侧钻孔｡钻孔前170m沿煤层倾角(-1°)下扎,170~250m逐渐抬升,250m之后稳倾角稳方位直至贯通｡150~170m返渣煤多矸少,其余全煤,泵压5~7MPa,泵量250L/min,钻进过程存在不同程度憋泵顶钻情况｡9月28日中班完成扩孔,9月30日完成全孔段下筛管｡

(2)试验结果

试验完成钻孔4个,均实现了精准透巷,钻孔实钻数据,如表4所示,钻孔实钻轨迹平面图和剖面图,如图2和图3所示｡

表4钻孔实钻数据

图2透巷定向钻孔实钻轨迹平面图

图3透巷定向钻孔实钻轨迹剖面图

3、难点分析

3.1地层因素

(1)孤岛工作面矿压明显

监测数据显示,2203工作面上下隅角地层应力峰值达80MPa以上[11],定向钻场位于2203工作面上隅角处,钻孔开孔段煤质破碎,易出现串孔｡钻进过程中孔壁受地层应力扰动明显,频繁出现憋泵､夹钻现象｡本次试验加大开孔段套管下深,由常规的煤层瓦斯钻孔孔口管下深20m以内增加至30m,同时钻进过程中采用定向钻进与复合钻进相结合的工艺,勤冲孔慢给进,逐步释放孔壁压力,有效解决了上述问题｡

(2)大直径煤层钻孔成孔性难

煤层瓦斯抽采定向钻孔孔径一般为准94mm或准120mm,本次试验钻孔要求兼具瓦斯抽采及煤层卸压作用,要求孔径达到准153mm,且2#煤层自身裂隙发育､性脆,给试验钻孔的成孔性带来一定威胁｡钻进过程中根据返水返渣情况不断调整轨迹参数,使钻孔始终保持在煤层中上部或中下部延伸,同时裸孔钻进完成后快速退钻并下筛管,降低了塌孔事故发生的可能｡

3.2工艺因素

(1)下斜钻孔排渣问题

由于2203轨道顺槽与总回风大巷具有5m的高差,要实现钻孔透巷则钻孔必须下斜设计并施工,钻具排渣存在困难｡试验选用准89mm螺旋通缆和回转钻杆(杆体上铣削出深约4mm的螺旋形凹槽)进行排渣,下斜钻孔应用效果明显,钻进过程虽然出现局部沉渣卡钻,但经过反复洗孔使排渣顺畅后均可继续向前钻进｡

(2)长距离钻孔精准透巷

目前,煤矿井下定向钻进系统测量误差:孔深≤300m时,左右偏差≤2m,上下偏差≤1m;孔深≤600m时,左右偏差≤4m,上下偏差≤2m｡为实现钻孔精准透巷,开钻前对2条巷道标高及钻场磁偏角进行了重新测量和复核,对测量仪器和工具面重新校正和调整,透巷时终孔点位相对设计位置上下位移平均偏差0.5m,最大偏差0.8m;左右位移平均偏差1.3m,最大偏差1.8m,以上偏差均在合理误差范围之内｡

(3)透巷后钻孔末端封堵

相对常规瓦斯抽采定向钻孔而言,大孔径透巷定向钻孔工艺的不同之处在于,贯通后需对钻孔末端进行封堵,便于二开准153mm扩孔钻进｡末端封堵工艺采用聚氨酯封孔剂充填,根据末端煤壁完整性封孔2~4m,如图4所示｡扩孔时若出现漏水则需停钻再次封堵,直至无明显漏水,扩孔至该段时直接对封孔剂钻穿,完成扩孔｡

图4贯通点封孔段示意图

(4)全孔段下筛管工艺

煤层瓦斯抽采钻孔下入筛管一般为PVC材质筛管,下深10~30m,便于后期回采截煤,但本次试验钻孔目的为治理回采期间上隅角及采空区瓦斯,要求筛管具有一定抗压强度,对钻孔起到护孔作用,因此须采用钢制筛管｡筛管下入过程中部分孔段出现阻力增大无法下入情况,经过多次回拉､旋转､强力给进等措施最终完成4个钻孔全孔段下入筛管｡

4、结语

(1)试验完成4个定向钻孔,孔径(准153mm)､孔深(276~279m)､轨迹偏差(上下偏差≤0.8m,左右偏差≤1.8m)､筛管下深(276.2~280.0m)等参数均达到设计要求,为该矿回采初期上隅角瓦斯抽采,及回采中后期采空区瓦斯治理开辟了新思路｡

(2)通过钻孔末端聚氨酯封堵工艺顺利实现4个透巷钻孔贯通点的封堵,封堵深度分别为2.4､2.1､2.7､2.8m,有效保证了扩孔钻进时的排渣,避免了因积渣而出现的重复破碎,提高了钻进效率,同时为其他类型透巷钻孔末端封孔处理提供了依据｡

(3)大孔径煤层透巷定向钻孔全孔下筛管工艺的成功试验,在孤岛(高应力)工作面瓦斯治理､地质条件复杂(夹矸层多､煤质松软､裂隙发育)煤层钻进成孔与护孔､巷道对穿钻孔精准透巷施工等方面积累了先进经验｡

参考文献:

[1]郝世俊,彭旭.煤矿井下长距离大垂距定向钻进工艺精准透巷技术研究[J].煤炭科学技术,2019,47(5):47-52.

[2]米彦军.大口径透巷道排水钻孔施工技术研究[J].科技创新与应用,2014(27):81.

[3]万幸.透巷道钻孔施工技术在煤矿安全生产中的应用研究[J].科技创新与应用,2019(14):164-165.

[4]崔万豪,刘修刚.煤矿区透巷钻孔终孔固井技术研究及应用[J].煤炭技术,2024,43(6):33-36.

[5]刘修刚,李必智.大直径救援井干孔透巷关键技术及应用[J].煤炭工程,2023,55(10):29-33.

[6]赵江鹏.空气钻井在煤矿救援钻孔透巷施工中的应用[J].煤炭技术,2015,34(12):182-184.

[7]李必智,郝世俊,刘明军,等.大直径救援井动载荷作用下安全透巷距离数值模拟[J].煤田地质与勘探,2021,49(2):260-266.