长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水关键技术方法

韩创业,吕浩南,龙 岩

(1.河南能源集团新疆公司 榆树岭煤矿,新疆 库车 842000;2.中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116)

水害作为煤矿的主要灾害之一,严重威胁着井下作业人员的生命安全和生产系统的运行畅通[1]。其中,煤矿突水事故由于破坏性大、死亡率高、恢复周期长等特点,属于煤矿生产的重点防范对象。

分析煤矿突水事故水源,发现80%以上较大事故的突水水源均为老空区积水[2]。且煤矿老空区积水分布集中且普遍,尤其是在资源整合、兼并重组后的矿井[3-4],更易发生老空水的透水事故。因此,预防煤矿突水事故的首要工作应为煤矿老空水治理。

井下老空区积水主要贮藏在矿井周边的小煤窑内,以及矿井采空区内或与采空区贯通的煤岩巷道内,贮藏位置相对较高,老空水的几何形状极不规则。所以采用钻孔对老空区积水进行先探测、后疏放的方法是避免老空水害事故产生的合理有效措施[5-9]。但是目前在对老空区积水进行疏放常用的回转钻进技术施工工程量较大、钻孔深度较小以及施工过程中钻孔轨迹无法连续测量和实时控制并难以精确探放等技术难题[10-19]。故本文设计出一种长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水的技术方法,通过采用当前先进的煤矿井下随钻测量定向钻进技术,与煤矿井下老空区积水探放进行结合,并对其关键技术进行延伸应用,通过定向长钻孔精确中靶采空区,实现老空区积水的精确探放。

1 长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水技术方法原理

长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水技术方法主要包括系统布置及以精确探放水工序为核心探放水工艺流程。

长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水技术方法系统布置将钻场开孔位置布置在井底车场水仓处;钻机和泥浆泵车等设备无需搬家,实现高效探放水;探放水直接流入水仓泵出井下,精简了排水系统,减少放水时间;该方法超远距离探放水,减小了对开采时的围岩扰动,安全系数高;前期直接集中进行探放水管理,效率效果得到保障。

长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水方法工艺流程是以井下定向钻进工艺为基础,以精确探放水工序为核心构成。其中,精确探放水工序是基于老空水综合勘探水位、水量分布情况,依据水位标高依次设计低位扇形分支孔、高位扇形分支孔,并在探放过程中依据出水情况实时调整定向钻孔终孔位置。在到达终孔后,钻孔分为到达设计终点和透水两种情况。若两次终孔的情况相同,则继续按一定间距打分支孔;若两次终孔的情况不同,则可认定采空区边界位于这两次钻孔轨迹中间;井下定向钻进技术即采用水力排渣、随钻测量的一种钻孔施工工艺。施工过程中随钻测量系统实时监测孔底钻具空间位姿参数,施工人员通过对比设计参数和施工参数,对孔底钻具工具面向角进行调整并开始下一次定向钻进,依此步骤循环施工直到实际钻孔轨迹沿着设计轨迹钻进到终孔。

定向钻在穿多煤层群时,会不断穿过各种粘性、硬度的地层,需要选取不同的泥浆液来配合钻进。在穿越较坚硬的岩层时,破碎岩石所需能耗大、进尺慢、钻头磨损严重,选用润滑减阻型泥浆,如聚丙烯酰胺泥浆和乳状液泥;定向钻穿过粘性较高的岩层时,粘性的岩土具有一定的自造浆能力,会增大泥浆的粘度,造成泥浆对定向钻的阻力增大,吸水膨胀,缩孔等,这时要尽可能地降低泥浆的失水量并增强孔壁泥浆的抗水敏感性、抑制泥浆分散、控制泥浆的粘度和压力;在穿越沙质土层、泥页岩时,要减小沙质地层的摩擦阻力,降低钻进扩孔扭矩和回拖力,实现润滑钻头、钻杆、延长钻头、钻杆寿命的功能;在穿越结构极其松散、骨架颗粒较大、自稳能力差的岩层,可以通过提高泥浆粘度,增加井壁颗粒之间的胶结力,采用高分散度泥浆增加泥浆中的粘土含量,加入无机或有机增粘剂以及采用高粘化合物钻进粉等手段实现。

2 长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水系统构成

长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水系统由钻机系统、动力系统、电路系统、随钻测量系统、泥浆系统、冲洗液循环净化系统、钻具及辅助机具和智能辅助系统组成。其中主要由钻机系统、随钻测量系统、泥浆系统、钻具及辅助机具系统与智能辅助系统相互配合,实现对老空区积水的长距离、穿多煤层群的精准探放。

1) 钻机系统。钻机系统由定向钻进作业与回拖作业的主体、钻机主机、转盘等部分构成,在钻机架上安置钻机主机,用以实现钻进作业和回拖作业,从而在不同环境下进行作业。

2) 随钻测量系统。随钻测量系统是指通过传感器实时监测孔底钻具空间位姿参数并反馈给计算机控制程序,控制程序通过传递控制信号的方式引导钻头能够按照设计曲线钻进的方向性工具。

3) 泥浆系统。泥浆系统为井下钻机系统在不同钻进工况环境下提供了不同浓度的泥浆,由泥浆混合搅拌罐、泥浆泵与泥浆输送管路组成。

4) 钻具及辅助机具。钻具及辅助机具指钻机定向钻进过程中使用的各种机具。钻具包括柔性钻杆、钻头、泥浆输送马达、钻孔扩充器,截割刀片等。辅助机具包括卡环、可活动旋转的部件接头和不同孔径的拖拉头。钻杆实拍图见图1.

图1 柔性钻杆实拍图

5) 智能辅助系统。智能辅助系统是指根据井下实际工况参数智能设计出合理钻进路径的系统,当输入井下管道线路打孔位置、钻进过程中障碍物位置、柔性钻杆的种类、定向钻进的深度、初孔与终孔位置、管路最大允许弯曲半径等参数后,智能辅助系统根据参数解算反演出最理想的路径,在实际工程中可以根据实际情况调整。

3 长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水关键装备

长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水配套装备由定向钻机、泥浆泵、随钻测量系统、各种钻具等组成,其系统连接见图2.泥浆泵提供高压水通过送水器中心通缆钻杆进入孔底马达内驱动马达旋转,由此带动钻头转动,切割煤岩层。钻进过程中整个钻杆柱不旋转,仅孔底马达带动钻头回转碎岩钻进,通过改变工具面向角的方向控制钻孔轨迹。在系统中,随钻测量探管可以将钻孔的倾角、方位角和工具面向角实时地传送到孔口计算机内,并对其进行处理,生成实钻孔实际的钻进轨迹。根据实际钻进路线与设计钻进路线的偏差情况,通过调整孔底造斜工具的方位角,来调整钻进路线,保证钻进路线符合设计路线。

图2 随钻测量定向钻进系统连接示意

1) 定向钻机。定向钻机由主机、泵站、操作台、防爆计算机、流量计、履带底盘、稳固装置组成(见图3)。

图3 履带式钻机实拍示意

2) 泥浆泵车。泥浆泵(车)是矿井钻探中的重要设备,其作用是将高压泥浆输送到井眼,以驱动螺旋钻具,冷却钻头,排渣,传递泥浆脉冲信号。

3) 随钻测量系统。随钻测量系统的应用范围主要是在煤矿井下近水平定向钻孔施工过程中进行的随钻监测,它可以随钻测量钻孔倾角、方位角及工具面向角等参数,并实现钻孔参数、钻孔轨迹的实时显现,从而让施工人员实时掌握钻孔的施工状况,并可以及时地对螺杆钻矩工具面向角和工艺参数进行调整,从而实现钻孔轨迹符合设计轨迹。随钻测量系统按其信号的传递方式有线式和无线式两类。

4) 钻具。长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水钻具包括无线随钻测量钻杆、无磁钻杆、PDC钻头与螺杆钻具。

4 长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水关键参数确定原则

1) 具备定向钻施工的条件:①煤层条件矿井定向钻技术适合于相对完整的、普氏系数大于1的煤层,并可避开煤层破裂带和陷落柱区的区域。②岩层条件矿井定向钻技术适合于普氏系数不大于6的煤层,在裂缝发育的区域,以及碳质泥岩和铝质泥岩的溶胀性地层中,应尽量避免打孔。

2) 关键参数确定原则。钻孔轴线轨迹是一条空间曲线,它由数不清的测点构成,在每个测点上体现出3个参数,分别是钻孔深度、方位角和倾角。①钻孔深度在进行钻孔轨道的设计时,将钻孔的测点深度作为设计参数,在进行钻孔轨道的设计时,可以根据煤层工作面的长度、设备的钻进能力以及工作面的条件来决定钻孔的深度。②钻孔方位角在选择钻孔方位值时,应注意:钻孔轨道应能完全覆盖工作面,并尽可能避免瓦斯抽采盲区;对钻孔的合理间隔进行控制;在钻孔方向上,应符合钻场中的钻孔布局,防止钻孔相互穿孔;在钻进结束时,钻孔终孔方向应符合朝向造斜曲率。③钻孔倾角当钻孔轨迹走向与煤层倾向一致的时候,钻孔倾角的变化就是煤层倾角的变化。当钻孔轨迹走向与煤层倾向有夹角的时候(方位差),钻孔倾角的变化就是煤层倾角在钻孔轨迹方位上视倾角的变化。

因此,需要将煤层的真倾角转化为钻孔方位上的视倾角,进而确定定向钻孔的倾角、控制点坐标等数据。钻孔真倾角和视倾角的关系见图4,计算公式见式(1):

图4 真倾角和视倾角关系示意

tanβ=cosω×tanα

(1)

式中:α为真倾角,°;β为视倾角,°;ω为真倾角与视倾角间的夹角,°.

5 长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水工艺流程及施工工艺

1) 工艺流程。采空区长距离定向探放水施工利用定向钻机钻孔施工,确保钻孔尽可能平稳地穿过稳固的岩层,充分发挥轨迹控制的优势,精准命中“靶点”,在疏放老空区积水过程中,由高到低逐级递减降低采空区积水水位,并通过分支孔技术预留分支点,以确保每一次探放的成功率。在施工的时候,要保证钻进的速度在合理的范围内,施工人员要仔细观察并记录下返水量和钻进速度的变化。在距离终孔10 m时,每间隔1 m停钻观测孔内返水情况,观测发现没有异常后继续钻进,直至透孔。采空区长距离定向探放水施工工艺主要包括主孔成孔工艺和分支孔成孔工艺两种,其工艺流程见图5.

图5 长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水工艺流程图

具体工艺流程为首先进行参数设计,如图5蓝色部分,具体包括根据水仓位置、物探的积水区位置及起点和终点间地层的岩性,确定钻孔起点、高位主孔终点及低位主孔终点,设计出钻孔轨迹(包括钻孔深度、每个点倾角及方位角)。

然后进行钻孔施工,如图5紫色部分,具体包括开孔(稳固钻机、回钻开孔、封孔注浆、打压漏水试验)及孔口装置安装(安装螺杆钻具)、定向探放水钻进(随钻测量及调整)、透孔等工艺。

最后进行参数分析,如图5绿色部分,情况1为到达设计的终点,情况2为在到达设计的终点前透水,若第i号与第i-1号钻孔情况相同,则可由这两次钻孔轨迹精确得出积水区边界。

2) 施工工艺。长距离定向钻孔施工工艺主要包括钻孔开孔、孔口设备安装、定向探放水钻进、透孔及排水、主孔成孔工艺及分支孔成孔工艺等。①开孔及孔口装置安装。根据钻孔起点与终点位置合理设计钻孔深度、倾角、方位角,依据设计的方位、倾角,在水仓处采用钻头回转钻进,将孔内冲洗干净,然后下入孔口管,距孔口15 cm处安装压力表,用以观察压力变化及方便孔口装置安装。用注浆泵打入水浆,侯凝24 h.为确保封孔质量,侯凝结束后按规定进行耐压试验,根据压力预测值设定耐压值,试验压力不低于2 MPa,延续时间均不少于30 min,如出现漏水情况则需重新开封孔。②定向探放水钻进。一般每6 m测量并调整1次钻孔轨迹,以使钻孔尽可能沿设计轨迹延伸。钻进过程中,实时监测孔口返水情况,如水量有变化,停钻测量并记录地层出水量;当水量过大威胁施工安全时,及时排放水量,严重时可充填泥浆堵孔,确保安全后继续施;依据钻孔出水情况和设计孔深确定终孔位置和钻孔措施。③透孔及排水。透孔前,按前期探测资料,精确预测涌水量,依据探测资料与水文环境采取相应的排水手段,透孔后不立即提出钻具,细观察涌水量,待涌水量趋于稳定后再取出钻具;当涌水量出现急剧增加的情况时,应该立即停止作业并对异常问题进行处理。顺利完成透孔后,通过控水阀门和井下排水系统对老空水进行疏放,每小时最大排水量应小于井下正常排水能力的80%.④主孔成孔工艺。在造斜钻中,或在常规方位钻中,选择适当外径的井底式电机,调整井底式电机的朝向角度,可获得不同的造斜效果。在采用随钻测量仪器时,为了防止磁场的影响,将下无磁钻杆、测量仪器、上无磁钻杆分别与孔底电机相连。在钻井时,根据钻孔轨迹与设计轨迹的偏斜状况,对工具面向角进行调整。⑤分支孔成孔工艺。在煤矿井下,经常会用到悬空侧钻的方法。悬空侧钻指的是将带有工具面向角的孔底马达构成的导向钻具,下到预开分支点之上大约3 m的位置,按需要调节工具面向角,以滑动的方式慢慢地钻进,直至开出新的分支孔。在开分支孔钻进过程中,应遵循以下原则:要遵循轻压、缓慢进入的原则,严禁在钻进过程中提拉钻具;实时监测泥浆泵压力变化情况,当泥浆泵压力开始变大时,代表开分支孔成功,然后继续钻进2～3 m后,立刻对工具面向角进行调节,使钻孔轨迹按照设计轨迹延伸;注意观察孔口返水情况,沿煤层钻进开分支时,如果孔口返渣中煤颗粒逐渐增多,返水颜色逐渐变深,代表开分支成功;注意对比随钻测量仪器采集的测斜数据,如发现相同深度的测斜数据不同,代表开分支成功。

6 工程应用

1) 工程概况。榆树岭矿井东翼下5煤层老空区位于井田东部斯提克厄肯沟西岸,为已关闭的东风煤矿开采所留,历史遗留资料显示+1 600 m水平以上的下5煤层均已采空,煤层平均厚度9.17 m,采煤方法为房柱式,采空区面积约7 990 m2.基于老空区开展的专项水文地质补勘和评价工作成果,探明老采空区积水区面积为7.2万m2,积水量1.23×105m3.

2) 钻孔施工方案。基于1号旧钻孔的探放数据,结合探放水钻场标高,结合榆树林煤矿矿井东翼下5煤层老空积水区水压、涌水量、积水区标高等综合勘查老空水分布情况进行下一步,针对老空区水位低位和水位高位区域设计了定向探放水主孔,配合设计扇形布置的分支孔,探放水钻孔布置在巷道顶板岩层中,分为主孔和分支孔,钻孔开孔位置为+1 550 m水仓口处,终孔位于东翼下5煤层老空区内,顺利施工放水5个钻孔,其中2个主孔,3个分支孔,进尺合计2 697 m.

选用ZDY6000LD(B)履带式定向钻机进行老空水精确探放,选用BLY260泥浆泵车配合为定向钻进孔底碎岩提供主要动力,配套采用Φ96 mm钻头+Φ73 mm/1.25°螺杆马达+Φ73 mm下无磁钻杆钻具组合,选用泥浆脉冲随钻测量系统对钻孔轨迹参数进行精确测量和计算。

3) 探放效果分析。经探测结果分析得出,榆树林矿井东翼下5煤层老空区积水区域面积为29 270 m2,积水量约1.108×105m3;火烧积水区区域面积为82 111 m2,积水量约1.23×105m3;合计井田东翼下5煤层积水区域的积水量为2.338×105m3.

已施工钻孔中,1号主孔(新)、2号分支孔、2号主孔(新)、1号分支孔以及1号主孔(旧)3个钻孔见水,经过3个钻孔对老空区区积水进行疏放,截至2022年8月6日,3个疏放水钻孔累计疏放35.35万m3;实测老空区积水探放效果,结果显示1号主孔(旧)平均涌水量由110 m3/h下降至26 m3/h;1号主孔(新)、2号分支孔平均涌水量由79 m3/h下降至0 m3/h;2号主孔(新)、1号分支孔平均涌水量由15.6 m3/h下降至0 m3/h,老空区静态积水已疏放完成,老空区仍存在26 m3/h的动态补给水。

7 结 语

1) 设计了一种长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水技术方法,为实现煤矿井下采空区积水探放与上覆含水层的预防治理工程提供了新的技术手段。

2) 长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水系统主要由钻机系统、随钻测量系统、泥浆系统、钻具及辅助机具系统与智能辅助系统相互配合,实现对老空区积水的长距离、穿多煤层群、精准探放。

3) 长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水配套装备包括定向钻机、泥浆泵、随钻测量系统、各种钻具等。

4) 探放水工艺流程主要包括开孔及孔口装置安装、定向钻进、透孔等流程,确保钻孔尽可能平稳地穿过稳固的岩层,充分发挥轨迹控制的优势,精准命中“靶点”,在疏放老空区积水过程中,由高到低逐级递减降低采空区积水水位,并通过分支孔技术预留分支点,以确保每一次探放的成功率。

5) 长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水技术方法在榆树岭矿井下5煤层老空区积水区域顺利施工放水5个钻孔,其中2个主孔,3个分支孔,进尺合计2 697 m.

6) 长距离定向钻孔穿多煤层群精确探放水技术方法解决了钻孔施工距离短、“靶点”、命中不精确导致水压水量过大并造成重复开孔等问题,减少了钻孔工作量,节省施工时间,提高了钻孔探测的准确性和可信性,保障煤矿生产安全。