復雜地質條件下遠距離定點探放老空水技術

劉明軍，李曉龍，2，楊 忠，張甲迪

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077；2.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安710054）

隨著煤礦開采深度增加和生產規模擴大，礦井地質條件更為復雜，致災因素增多，嚴重威脅著煤礦安全生產，水害事故仍有上升趨勢，老空區成為煤礦采掘致災的主要因素[1]。

各主要煤礦區由于歷史原因遺留大量隱蔽性采空區、廢棄巷道，技術資料不全或者缺失，導致老空區分布范圍、位置、數量不清，特別是小煤窯，開采隨意性大，采空區形態不明，分布廣，易積水、積聚有毒有害氣體，隱患大，探測難度大，難以疏放徹底，嚴重影響煤礦掘進速度，導致煤礦采掘接續緊張，如何有效超前識別與疏放，是避免老空水害事故發生的有效保證[2]。煤礦隱蔽致災因素探查主要有物探、化探、鉆探等工程技術手段。由于井下環境的復雜性、不同目標體物理性質的相似性，導致物探解釋結果的多解性、非唯一性。為了降低物探解釋的多解性，需物探先行與鉆探驗證的綜合勘探方法。利用鉆探技術對水害隱患進行探查、驗證及治理，具有高效、可靠、及時的特點，是最直接的手段[3-8]。地面疏放孔施工時間較長、疏放效率不高、成本高、征地困難、易造成環境污染。煤礦井下回轉探查，探查距離短，鉆孔軌跡不可控，難以達到定點疏放目的。隨著大功率定向鉆機、大泵量泵車和煤礦井下泥漿脈沖隨鉆測量系統的推廣應用，煤礦井下定向長鉆孔探測距離長、軌跡可控、中靶精度高等技術優勢，已廣泛應用于瓦斯治理、防治水等領域[9-10]，技術優勢明顯，但應用在“對勾狀”定向長鉆孔探放老空水模式還不成熟，套管孔段孔徑大，孔內返粉不暢，鉆孔易偏斜，影響套管下入設計位置；定向造斜段將形成凹點，易發生卡鉆、埋鉆等孔內復雜。

以探查疏放韓咀煤礦32101 工作面主運巷北側老空水為研究背景，優選定向長鉆孔鉆進工藝技術，對大直徑傾斜鉆孔保直、精確控制鉆孔軌跡、穿越采空區進行研究，實現遠距離超前定點疏放的目的，消除水害隱患，減少工作面準備時間，滿足礦井安全生產接續的需要，提高采掘生產效率，保障煤礦安全高效開采。

1 工程概況

韓咀煤礦為資源整合礦井，井田范圍內存在小煤礦開采破壞區，采空區積水為主要突水水源[11]。2#煤層為主采煤層，煤層松軟，煤厚5.00～7.97 m，平均5.80 m，屬穩定可采煤層，上分層受到小煤窯不同程度開采破壞；直接底板為泥巖，厚度1.1 m 左右，遇水易泥化，易發生底鼓現象，但隔水性能好，屬不穩定底板；2#煤層下距3#煤層1.21～7.81 m，平均4.51 m；3#煤層直接底板為灰白色細粒砂巖K7，層位穩定。工作面綜合地質柱狀圖如圖1。

32103 工作面南緊鄰32101 工作面屬一盤區，主體構造為一走向北東，向北西傾斜的單斜構造。工作面長1 200 m，寬215 m，走向正東正西，傾向正北，傾角6°。

圖1 工作面地質綜合柱狀Fig.1 Geological synthesis column of working face

在采掘以前，工作面已開展了地面三維地震勘探、瞬變電磁勘探等多種物探手段探查，查明采空區分布情況，初步圈定物探異常區。在巷道掘進期間，采用主運和泄水巷進行交替疏放水，效果不佳，嚴重制約礦井生產。在32101 工作面主運巷掘進至440 m 時，迎頭施工了21 個常規探查、疏放水鉆孔，其中B5 鉆孔涌水量最大，為16.7 m3/h。利用煤礦井下定向鉆進至32103 輔運巷南側老空積水區及32101 主運巷北側老空積水區，將老空動態補給水通過定向鉆孔截引至盤區北水倉內，達到疏放老空水的目的，從而使32101 主運巷前方老空水呈靜儲量狀態而達到疏放效果，同時也可緩解北側32103工作面掘進期間老空水威脅，縮短常規鉆孔放水影響時間，確保32101 主運及32103 輔運巷安全掘進。工作面及物探異常區分布如圖2。

圖2 工作面及物探異常區分布Fig.2 Distribution of working face and geophysical anomaly area

2 定向鉆孔設計

根據地層構造情況，適當選取距離煤層較近的穩定地層進行定向鉆孔施工，待接近采空區時再將軌跡調整至目標點，由于積水區域中煤泥、巖塊顆粒等大量沉積在老空低水平范圍內，為防止通道堵塞，一般定向長鉆孔布設在煤層頂板層位中疏放水效果較好。但當煤層頂板受地質構造或水位標高的限制，無法選擇地層布設定向鉆孔時，選取煤層底板穩定層位布設定向鉆孔。

2.1 目標地層選擇

利用定向鉆孔探放老空水，合理選擇鉆孔穿越目的地層至關重要。由于小煤窯亂采亂掘現象，造成采空區分布混亂，本煤層施工定點探放水孔時，受地層穩定性、穿層厚度、構造分布、圍巖破壞影響很難達到疏放目的。根據探查區域與鉆孔布設地點空間層位關系，設計合理的鉆孔結構及鉆孔軌跡，選擇合理的目標地層及鉆孔參數，以達到鉆孔精確控制、定點探放水的目的。

目標地層選擇原則：①目標層自身需要有一定的厚度；②地層穩定，不易塌孔、縮徑；③應盡可能選擇辨識度較強的地層；④軌跡盡可能避開褶皺、斷層等地質構造復雜區域。

由于2#煤層松軟，堅固性系數偏小，如果選擇煤層直接頂板粉砂巖，層位穩定，但進入采空區以前必須穿行1 段2#煤層，與順層長鉆孔一樣，易引發塌孔、卡鉆、埋鉆等孔內復雜；如果選擇直接底板泥巖遇水易泥化，成孔困難，不宜布設定向長鉆孔，所以目的層位選擇比較穩定的灰白色細粒砂巖K7。

2.2 鉆孔設計

根據采空區位置以及探查鉆孔的控制范圍，布設鉆場以及鉆孔，平面上合理設計鉆孔間距及方位，剖面上保證鉆孔在進入“靶點”位置與鉆孔曲率半徑的影響關系[12-15]。

鉆孔平面設計主要體現鉆孔方位上的變化，反映鉆孔的左右位移。在平面上投影是1 條直線。

鉆孔剖面主要依據目標地層的起伏變化，設計體現在鉆孔傾角的變化，反映鉆孔垂向上的位移。鉆孔軌跡一般設計為“直線-曲線-直線”形式，曲線段設計是將開孔傾角過渡為直線傾角的過程，一般為圓弧線。在設計過程中首先確定鉆孔造斜曲率，根據造斜曲率計算圓弧線的弧長和半徑，利用半徑畫出相應圓弧并與直線段軌跡相切；其次確定開孔角度，鉆孔軌跡弧線段設計示意圖如圖3。

計算公式如下：

圖3 鉆孔軌跡弧線段設計示意圖Fig.3 Design schematic diagram of arc section of borehole trajectory

式中：K 為鉆孔造斜曲率，（°）/m；R 為鉆孔曲線段曲率半徑，m；α 為鉆孔傾角變化的角度，（°）；α1為開孔角度，（°）；α2為地層傾角，（°）；L 為鉆孔曲線變化長度，m。

鉆場布設在北大巷橫貫位置，設計ZK-01 鉆孔開孔標高564 m，開孔層位在2#煤層，方位角116°，開孔傾角-5°，B5 鉆孔為靶點，設計造斜點標高562.16 m，著落點標高選擇561.83 m，鉆孔孔深525 m，套管下至3#煤層底板細粒砂巖層位。鉆孔設計鉆遇2#煤層、底板泥巖、3#煤層、泥巖等，可能會發生縮徑及塌孔等孔內復雜。進入目的地層灰白色細粒砂巖K7，下入套管以封固孔口不穩定地層，然后快速增斜，使長鉆孔在細粒砂巖延伸，定向鉆孔設計及實鉆剖面如圖4。

2.3 鉆孔結構優化

鉆孔用途目的以及施工要求不同，鉆孔的終孔孔徑也不同。合理的鉆孔結構是定向鉆孔探放的前提和基礎，是保障鉆孔順利實施的根本所在。鉆孔結構設計原則如下：①開孔傾角根據開孔點與終孔點空間關系及鉆孔軌跡調整難易程度進行設計；②鉆孔孔徑根據設備能力、鉆具組合、套管級配進行設計；③孔口套管根據地層穩定性、巖性變化情況、孔口管耐壓值進行優化設計；④確保高效、低成本、安全鉆進。

圖4 定向鉆孔設計及實鉆剖面Fig.4 Directional drilling design and solid drilling profile

按照原則，遠距離探放水鉆孔適合采用開結構：一開套管孔段，孔徑φ193 mm，套管尺寸為168 mm，下深≥10 m，起止水、封固破碎地層作用；二開套管孔段，孔徑φ153 mm，套管尺寸φ127 mm，根據地質情況確定套管下深，起封固易塌孔、縮徑層位，并保證滿足耐壓試驗要求，安裝孔口三通防噴裝置；三開定向造斜孔段，分定向段和穿透采空區段，采用φ98 mm 鉆頭定向鉆進至采空區附近，更換鉆具穿透采空區。鉆孔孔身結構詳見表1。

表1 鉆孔孔身結構表Table 1 Borehole structure

3 遠距離定點疏放水關鍵技術

3.1 定向鉆孔鉆進參數優選

根據地質預想剖面圖，結合以往該區域鉆孔經驗綜合分析，設計鉆壓、轉速等參數，根據實際情況進行優選。鉆進參數見表2。

3.2 大直徑傾斜鉆孔保直鉆進

定向長鉆孔探放老空水需下入多級套管以封固孔口不穩定層位、控制涌水及保證注漿安全。由于套管孔段孔徑大，孔內返粉不暢，鉆孔易偏斜，影響套管下入設計位置。設計鉆孔軌跡時，合理增大鉆孔軌跡與易塌孔層位的夾角，使得鉆孔快速穿過不穩定層位。鉆孔開孔傾角和方位角應盡量與設計值一致，防斜保直；應用φ73 mm 螺旋鉆桿、大功率泥漿泵進行保直和排粉，避免鉆孔由于返粉不暢而偏斜。φ191 mm 和φ151 mm 的掃孔鉆具，套管下入前或鉆孔鉆進時，使用掃孔鉆具保直。

表2 鉆進參數Table 2 Drilling parameters

3.3 鉆孔軌跡精確控制技術

鉆進過程中，孔底造斜鉆具處于旋轉狀態，鉆孔軌跡的變化很難確定。地面煤層氣、石油、頁巖氣等的水平井鉆進，應用地質導向技術，實時地調整井眼軌跡，保證實際井眼穿過儲層并取得最佳位置[11]。

在定向鉆進過程中，以實際孔段的彎曲強度為指導，防止實際鉆孔的彎曲強度超出定向孔鉆具的強度而造成鉆具損壞或造成孔內事故。隨鉆測量系統每隔3～6 m 采集1 組實鉆軌跡參數，主要為孔深、方位角、傾角等，根據測量參數計算鉆孔軌跡測點的水平位移、左右位移、上下位移，確定測點在設計坐標系下的精確位置，通過計算結果來實時調整鉆孔軌跡。利用滑動鉆進造斜調整鉆孔軌跡，加強造斜段軌跡預測監控，力求鉆孔按照設計軌跡和要求鉆進。接近采空區位置時，根據地層穩定性，選擇合理的分支點及中靶點，提前調整好鉆孔軌跡，使得鉆孔準確命中靶區。

3.4 穿越老空區

采空區附近地質情況比較復雜，煤層底板受煤層開采的影響，破壞有一定的深度，可能出現底鼓現象，地層比較破碎，裂隙比較發育，同時有可能鉆遇錨網、錨桿等采煤遺留材料，易出現塌孔、卡鉆等復雜情況。

鉆進至距離老空區邊緣5～15 m，按照預定的參數調整好鉆孔軌跡，更換鉆具為外平鉆桿或寬螺旋鉆桿，采用低鉆壓、低轉速均勻鉆進，在鉆進過程中若出現鉆具空送、鉆壓明顯減小、有氣體噴出、返水變渾、返渣顆粒變多且巖性較雜現象，同時鉆具出現憋壓、卡鉆情況，則說明已經開始進入老空區范圍，此時要注意采取“慢進多沖”、“多轉多起”、“反復透孔”的工藝方法，以保證孔內鉆具安全及放水效果。在鉆遇老空區設定位置點后，根據鉆孔揭露情況，可采用“后退式開分支”工藝進行加密探查，進一步查明采空區頂底板界面及平面邊界，保證探放水效果。

4 現場應用

利用定向長鉆孔技術，對韓咀煤礦32101 主運巷北側2 號煤層物探疑似老空區探查與疏放，并將老空水通過定向長鉆孔截引至盤區北水倉內，達到集中放水目的，同時緩解北側32103 工作面掘進期間老空水威脅，縮短疏放時間，確保32101 主運的安全掘進，促進安全與生產相銜接。

4.1 定向長鉆孔施工

鉆孔開孔層位在2#煤層，方位角116°，開孔傾角-5°，B5 鉆孔為靶點，地層傾角6°，要使鉆孔軌跡與地層平行，鉆孔套管段到穩斜段傾角從-5°增至6°，最后形成1 個“對勾狀”。由于B5 鉆孔涌水水壓較小，故僅下入一級φ127 mm 套管。定向鉆進采用φ98 mm 鉆頭+φ73 mm 孔底馬達+φ76 mm 無線隨鉆測量儀+φ73 mm 鉆桿鉆具組合。通過常規錄井與鉆進參數的變化，判斷鉆遇地層情況。

4.1.1 鉆遇地層情況

鉆進過程中，密切關注巖屑變化，及時與相鄰鉆孔或已揭露地層進行對比。鉆遇2#煤層18 m、泥巖11 m、3#煤層5 m，孔深34 m 進入K7細粒砂巖層，開始調整軌跡增傾角。下入φ127 mm 套管34.5 m，注水泥0.8 t，耐壓試驗壓力3.5 MPa，穩壓30 min。使用1.25°螺桿鉆具，地層造斜率為0.8°/3 m，鉆進至120 m 處與地層傾角調整為基本一致，之后保持穩斜鉆進，實時分析鉆孔返渣巖性、水量及顏色變化，鉆進至294 m 開始涌水，涌水量1.1 m3/h，水顏色為灰色；鉆進至448 m，涌水量開始增大，水顏色無變化；鉆進至504 m，鉆進壓力變小，返渣可見少量煤屑，預判進入2#煤層，涌水量增加到27 m3/h，水顏色變為黑色，認為進入老空區附近，繼續鉆進3 m，用時10 min，涌水量持續增大，繼續鉆進直至進入物探異常區標定的老空區底部區域，鉆孔于孔深526.4 m、垂深30.9 m 處，涌水量增大至134 m3/h，確認終孔。鉆遇地層及涌水情況見表3。

表3 鉆遇地層及涌水情況Table 3 Drilling encountered formation and water

4.1.2 鉆進參數情況

在鉆進過程中，根據鉆進參數、鉆進效率的變化和鉆具的反應情況，進行分析判斷鉆遇地層情況。其他條件不變時，鉆時的變化可反映巖性的差別，煤巖層鉆進時，煤層鉆時最快，進入采空區鉆時突然加快，鉆具放空，鉆壓明顯降低。

一開鉆進，選擇低鉆壓、低轉速、低排量，鉆進效率6 m/h；在孔深34 m，鉆進效率明顯降低3 m/h，與地質錄井資料相吻合，進入細粒砂巖巖層。正常鉆進效率維持在3～4.5 m/h，鉆壓扭矩總體隨著孔深的增加而增加，鉆壓在30～50 kN；鉆進至472 m，鉆壓忽然升高到70 kN，繼續鉆進鉆壓繼續升高，鉆進至478 m，鉆壓到80 kN，開始下降，鉆進至486 m時，巖性變軟，鉆壓由原來最高的70 kN 開始降至40 kN，鉆進效率降為2.6 m/h；鉆進至504 m 鉆壓保持40 kN 時鉆進效率增大到6 m/h，結合返渣巖性確認進入老空區。鉆孔施工中未出現憋壓、卡鉆情況，說明小煤窯對煤層底板擾動不大。鉆進參數及鉆效曲線如圖5。

圖5 鉆進參數及鉆效曲線Fig.5 Drilling parameters and drilling efficiency curves

4.2 應用效果

鉆孔實鉆軌跡控制精確、中靶位置可靠穩定、出水量符合設計要求。在成功中靶提鉆后，最大出水量達134 m3/h，出水量穩定，日疏放水量3 000 m3左右，放水時間持續14 d 后，放水量逐漸遞減，總放水量超過3.6 萬m3?？s短常規鉆孔放水影響時間，為32101 主運及32103 輔運巷的安全掘進提供重要地質保障，實現老空水疏放的目的，達到預期效果。

5 結 論

1）針對煤層松軟、底板泥巖泥化嚴重、成孔性差等復雜地質條件，提出“對勾狀”定向長鉆孔探測、疏放老空水工藝技術，豐富了煤礦老空水探查疏放技術，確保煤礦安全高效開采。

2）采用煤礦井下定向長鉆孔技術，實現單孔最大放水量達134 m3/h，總放水量超過3.6 萬m3，縮短常規鉆孔放水影響時間，達到了精確探測及疏放老空水的目的。

3）通過鉆孔返出巖屑、出水顏色、涌水（漏失）；鉆進參數、鉆效變化；卡鉆、放空等情況，綜合判斷鉆遇地層，實踐證明該方法探測采空區可行。

4）針對老空區段復雜地質條件，建議從煤層底板鉆入采空區之后，采用低鉆壓、低扭矩、高轉速參數常規鉆具施工穿采空區鉆孔。