劉衛(wèi)衛(wèi)

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤炭是不可再生資源，隨著開采年限及開采深度的不斷增加，煤炭資源逐漸萎縮。在越來越復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造中優(yōu)化合理的巷道布置，提高對煤炭資源的有效開采和回收，減少煤炭損失是一項(xiàng)重要工作[1-2]。隨著地質(zhì)、水文地質(zhì)條件進(jìn)一步復(fù)雜化，大型斷層的位置探查，能夠?yàn)楣ぷ髅娴牟删虿贾谩踩褐粼O(shè)、提高資源利用率等提供技術(shù)保證。鉆探是斷層探查的直接有效手段，煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)鉆孔軌跡可精確控制，可有目的地將鉆孔軸線由彎變直或由直變彎。利用定向鉆進(jìn)技術(shù)能夠超前準(zhǔn)確探查斷層位置，為煤礦采掘布置和安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

準(zhǔn)格爾煤田位于鄂爾多斯市臺向斜東段,其地層區(qū)劃：太古界～古生界地層屬華北地層大區(qū)，晉冀魯豫地層區(qū)，鄂爾多斯地層分區(qū)，東勝小區(qū)；中、新生界地層屬陜甘寧地層區(qū)，鄂爾多斯分區(qū)。其地層沉積序列與華北石炭二迭紀(jì)各煤田基本相似。

1.1 地層概況

井田內(nèi)大部被第四系覆蓋，但在溝谷兩側(cè)及溝掌，亦有基巖出露，根據(jù)地形地質(zhì)填圖成果及鉆孔揭露和巖煤層對比結(jié)果，井田地層由老至新為：奧陶系下中統(tǒng)馬家溝組(O2m)、石炭系上統(tǒng)太原組(C2t)、二迭系下統(tǒng)山西組(P1s)、下石盒子組(P1x)、上統(tǒng)上石盒子組(P2s)、石千峰組(P2sh)、白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)、第三系(N2)、第四系(Q)。6號煤層位于石炭系上統(tǒng)太原組，煤層自然厚度9.64～30.01 m，平均18.93 m，是井田的主要可采煤層。煤層頂板多為粗粒砂巖、細(xì)粒砂巖，局部為泥巖；底板多為泥巖、砂質(zhì)黏土巖，局部為粗粒砂巖。

1.2 構(gòu)造

該井田構(gòu)造復(fù)雜，斷層較多，主要有2組集中發(fā)育的斷層帶，均為北東向，一個(gè)為包含DF1斷層的斷層組，一個(gè)為包含DF2斷層的斷層組。礦井首采區(qū)共有24條斷層，落差大于等于20 m的斷層6條，落差大于等于10 m小于20 m的斷層4條。

2 遠(yuǎn)距離斷層探查定向鉆孔設(shè)計(jì)

隨著開采水平的延深，地質(zhì)構(gòu)造變化較大，對煤的有效開采與回收難度加大。唐家會煤礦斷層較多，部分?jǐn)鄬酉蛳虑懈畹綂W陶系灰?guī)r，5號煤層、6號煤層頂板上有砂巖孔隙水、孔隙-裂隙水，下有補(bǔ)給源為黃河的奧灰水，嚴(yán)重威脅礦井的采掘布置和安全生產(chǎn)[3-6]。井下定向鉆進(jìn)技術(shù)具有鉆孔有效距離長、超前探查治理、多分支孔、軌跡可精確控制等技術(shù)優(yōu)勢[7-10]。采用定向鉆進(jìn)技術(shù)能夠超前對無采掘活動的井田區(qū)域進(jìn)行斷層探查，為下一步采掘工作及安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

DF008斷層位于首采區(qū)的西部，三維地震結(jié)果表明為落差0～22 m的大型正斷層，該斷層在三位地震勘探區(qū)內(nèi)延深長度約2 380 m。設(shè)計(jì)在垂直距離地震資料解釋的斷層510 m左右的鉆場內(nèi)施工定向長鉆孔，定向鉆孔在煤層內(nèi)開孔后，沿煤層頂板鉆進(jìn)在斷層前后向煤層施工羽狀分支，通過煤層厚度、位置以及水文資料的變化綜合判定斷層位置。

2.1 鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

在61201工作面回順8#鉆場設(shè)計(jì)1個(gè)主孔(T2)和5個(gè)分支孔(T2-1、T2-2、T2-3、T2-4、T2-5)，鉆孔主孔施工層位為6號煤層頂板5～25 m。設(shè)計(jì)軌跡見圖1，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆孔設(shè)計(jì)兩級孔身結(jié)構(gòu)，一級孔身結(jié)構(gòu)主要目的是下入孔口管，安裝孔口防噴、防突裝置；二級孔身結(jié)構(gòu)為定向孔段，主要是對DF008斷層進(jìn)行探查，通過鉆孔彎曲按設(shè)計(jì)軌跡沿目標(biāo)層位鉆進(jìn)。

3 施工工藝技術(shù)

3.1 鉆探裝備及機(jī)具

定向鉆進(jìn)系統(tǒng)由ZDY6000LD煤礦用全液壓定向鉆機(jī)、YHD2-1000T(A)型隨鉆測量儀器、專用通纜式定向鉆具、配套鉆進(jìn)工藝等組成。鉆探主要裝備及參數(shù)見表3。

圖2 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

表2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 鉆探主要設(shè)備及機(jī)具

3.2 定向鉆進(jìn)鉆具組合

1) 主孔施工用鉆具組合。①一級孔身結(jié)構(gòu)施工用鉆具組合依次為：開孔：Φ98 mm PDC鉆頭+Φ73 mm普通鉆桿；擴(kuò)孔：Φ98 mm/Φ153 mm PDC鉆頭+Φ73 mm普通鉆桿。 ②二級孔身結(jié)構(gòu)施工用鉆具組合為：定向鉆進(jìn)：Φ98 mm PDC鉆頭+Φ73 mm孔底馬達(dá)+Φ73 mm下無磁鉆桿+隨鉆測量儀器+Φ73 mm上無磁鉆桿+Φ73 mm通纜鉆桿。③回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)：Φ98 mm PDC鉆頭+Φ73 mm普通鉆桿。

2) 分支孔施工用鉆具組合。分支孔采用懸空側(cè)鉆的方法，以后退式工藝成孔，其鉆頭外徑與主孔二級孔徑一致，所用鉆具組合為：開分支/定向鉆進(jìn)：Φ98 mm PDC鉆頭+Φ73 mm孔底馬達(dá)+Φ73 mm下無磁鉆桿+隨鉆測量儀器+Φ73 mm上無磁鉆桿+Φ73 mm通纜鉆桿?；剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)：Φ98 mm PDC鉆頭+Φ73 mm普通鉆桿。

3.3 定向鉆進(jìn)工藝流程

采用螺桿馬達(dá)定向鉆進(jìn)結(jié)合回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)兩種工藝方法，清水排渣鉆進(jìn)工藝成孔。螺桿馬達(dá)進(jìn)行定向孔鉆進(jìn)時(shí)整個(gè)鉆具不回轉(zhuǎn)，只有螺桿鉆具轉(zhuǎn)子帶動鉆頭回轉(zhuǎn)破碎巖石鉆進(jìn)，實(shí)時(shí)調(diào)整螺桿鉆具工具面向角，實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡拐彎定向的目的。正常定向鉆進(jìn)時(shí)，每3 m測定一次鉆孔參數(shù)，根據(jù)測定的參數(shù)和已掌握的現(xiàn)場實(shí)際地質(zhì)情況，調(diào)整鉆進(jìn)方向，力求鉆孔按照設(shè)計(jì)軌道和要求鉆進(jìn)。當(dāng)鉆進(jìn)過程中因異常情況或根據(jù)工程需要側(cè)鉆開分支時(shí)，采用后退式分支孔施工工藝。定向工藝流程見圖3。

圖3 定向鉆進(jìn)工藝流程

3.4 鉆孔施工情況

鉆探過程中，進(jìn)行巖性編錄、水量觀測和水質(zhì)化驗(yàn)等工作,觀測煤巖變化情況、水量變化情況以及水化學(xué)特征離子的變化。實(shí)鉆軌跡局部圖見圖4。

首先施工主孔，主孔下入Φ127 mm×5 mm套管71 m后鉆進(jìn)至孔深552 m時(shí)水量由12 m3/h突變至31 m3/h，鉆進(jìn)至孔深696 m時(shí)，在該鉆孔540 m處出現(xiàn)塌孔卡鉆現(xiàn)象，反復(fù)掃孔均無法順利通過該塌孔點(diǎn)，后起鉆對鉆孔注水泥漿進(jìn)行封堵，并將該696 m的異常鉆孔命名為T2-0孔。T2-0孔未能按設(shè)計(jì)探查煤層頂板位置及煤層厚度，但在該孔鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)孔內(nèi)異常，為后續(xù)探查鉆孔施工提供了重要指導(dǎo)作用。T2-0孔注漿封孔后，在該孔內(nèi)掃水泥塞至480 m后側(cè)鉆施工T2孔，鉆進(jìn)至孔深897 m處終孔。根據(jù)T2-0孔及T2孔施工過程中的孔內(nèi)塌孔異常、水量突變、水質(zhì)變化，分別側(cè)鉆施工了T2-1分支和T2-2分支。鉆孔實(shí)鉆參數(shù)見表4。

表4 鉆探實(shí)鉆參數(shù)

圖4 T2鉆孔實(shí)鉆軌跡局部圖

3.4.1 水量變化情況

鉆探過程中，采用容積法觀測鉆進(jìn)過程中的水量變化，各鉆孔在540 m附近均發(fā)生不同程度的水量突變。水量變化參數(shù)見表5，鉆孔水量變化趨勢見圖5。

3.4.2 特征氯離子變化情況

鉆探過程中，連續(xù)取水樣進(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn)。根據(jù)水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果，各鉆孔氯離子含量均在540 m附近發(fā)生突變。氯離子含量變化參數(shù)見表6，氯離子變化趨勢見圖6。

表5 水量變化參數(shù)

圖5 水量變化趨勢

表6 氯離子含量變化參數(shù)

圖6 氯離子變化趨勢

3.5 探查結(jié)果分析

1) 鉆孔見煤標(biāo)高及煤層厚度情況分析。T2孔見6號煤層頂標(biāo)高為808.9 m，揭露煤層垂直厚度18.6 m，未見底板；T2-1孔第一次見6號煤層頂標(biāo)高821.4 m、第二次見6號煤層頂標(biāo)高為808.2 m、出6號煤層標(biāo)高為787.7 m，揭露煤層垂直厚度21.71 m；T2-2孔三次見6號煤層頂標(biāo)高分別為817.2 m、819.6 m、821.5 m，揭露煤層垂直厚度15.77 m，參數(shù)見表7。

表7 鉆孔揭露煤層參數(shù)

2) 探查剖面方向6號煤層分析。T2孔見6號煤層頂與T2-1孔見6號煤層頂平距144.7 m，高差0.68 m；T2-1孔兩次見6號煤層頂之間平距126.9 m，高差13.17 m。根據(jù)現(xiàn)有探查資料揭露和探查剖面方向6號煤層變化情況分析，T2孔及分支孔控制范圍內(nèi)存在斷層。

3) 水量、水質(zhì)。水量觀測、水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果顯示，T2-0孔在552 m處水量由12 m3/h突變至31 m3/h，Cl-離子含量由234 mg/L突變至603.44 mg/L；各鉆孔水量、水質(zhì)均有突變跡象，T2孔及分支孔控制范圍內(nèi)水文異常。

4 結(jié) 語

煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)鉆孔軌跡可精確控制，是斷層探查的直接有效手段，能夠超前準(zhǔn)確探查斷層位置，為煤礦采掘布置和安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

根據(jù)定向鉆探過程中煤巖變化、水質(zhì)化驗(yàn)、水量觀測、煤層厚度、煤層標(biāo)高等資料分析，在T2-0孔540 m處均發(fā)生不同程度的突變或變化，后在540 m出現(xiàn)憋泵卡鉆等現(xiàn)象最終導(dǎo)致無法繼續(xù)鉆進(jìn)，鉆孔內(nèi)水文異常。 DF008斷層存在，斷層綜合落差約13 m，巷道掘進(jìn)過程中需進(jìn)一步加強(qiáng)探查治理。