钻孔偏斜机理研究及综合纠偏技术的应用_段李宏.pdf
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1、:收稿日期:基金项目:国家自然科学基金面上项目()作者简介:段李宏(),男,山西临汾人,高级工程师,在读博士,研究方向:矿山水害防治、地质探查,:。引用格式:段李宏 钻孔偏斜机理研究及综合纠偏技术的应用 煤炭工程,():钻孔偏斜机理研究及综合纠偏技术的应用段李宏,(河南能源化工集团 永城煤电控股集团有限公司,河南 永城;中国矿业大学 资源与地球科学学院,江苏 徐州)摘 要:为解决矿井底板注浆改造钻孔偏斜影响承压含水层水害治理效果的问题,提高矿井水害防治效果,通过研究钻孔偏斜机理、实测钻孔轨迹、总结偏斜规律,制定综合纠偏措施,从而提高钻孔施工精确度。结果表明,钻孔垂向倾角和终孔点垂深误差最大,方
2、位上向右侧偏斜,偏斜相对较小,易形成空白带影响水害治理效果。通过对煤层底板岩性、不同钻具组合进行影响因素分析,提出了增加扶正器、优先使用螺旋钻杆、岩性变化期间控制钻速和给进压力等一整套完整的钻孔综合纠偏措施,大幅提升了钻孔施工的精确性,减少了无效进尺,节省了矿井水害治理成本。关键词:水害防治;底板注浆;钻孔偏斜;钻孔纠偏 中图分类号:文献标识码:文章编号:(),(,;,):,:;概 述煤矿开采过程中受水害、构造等地质灾害影响较大,在生产建设过程中受到承压水的威胁,随着开采的深度增加,承压水水压逐渐增大,对矿井安全生产的威胁越来越大,一旦水害治理不到位,极易发生透水事故。目前,各矿区普遍采用井下
3、底板注浆改造技术对承压含水层进行治理,注浆封堵导水裂隙,将薄层灰岩含水层改造成隔水层或弱含水层,增加有效隔水层厚度及煤层底板抗压强度,切断承压含水层与煤层之间的水力联系。底板注浆改造工程施工采用的钻探设备多为全液压履带式坑道钻机,此类设备具有扭矩大、钻进效率高等特点,由于钻探设备本身特有的液压给进的钻进方式,钻孔轨迹本质上主要第卷第期 煤 炭 工 程 ,受到钻具孔斜力的影响,钻孔实钻轨迹与设计存在较大偏差,局部区域实际探查效果与设计存在差异,钻孔终孔层位与设计层位不符,部分钻孔实钻深度比设计大。目前行业内部主要围绕地质因素、施工工艺两个方面对钻孔偏斜程度进行分析,国内同行业围绕地质因素研究内容
4、表明,钻孔轨迹的变化趋势与地层的岩石类型息息相关,孔斜趋势不同的钻孔分段所对应的地质分层具有完全不同的岩石类型。主要围绕井下定向钻孔轨迹变化规律、垂直孔施工技术、近水平定向钻进孔斜力、煤田地质勘探钻孔防斜工艺进行分析,但对全液压履带式坑道钻机施工的钻孔轨迹缺乏针对性的研究。陈四楼煤矿水文地质条件相对比较复杂,矿井主采山西组二煤,煤层赋存稳定,主要受底板太原组上段灰岩高承压水害影响。太原组上段主要为 灰岩到 灰岩含水层,其中 灰岩含水层距二煤间距约,由于局部部分采区水压高达,突水系数达 ,极易发生水害事故,目前矿井主要采用井下底板注浆改造含水层的水害防治技术。自 年以来,矿井已经完成 多个综采工
5、作面的底板注浆加固和改造工程,平均单个工作面钻探工程量约,总注浆量达 万,平均单个工作面注浆量约。陈四楼煤矿虽已开展了 年的钻孔施工,但是缺少钻孔偏斜的规律总结、分析,随着回采工作面开采深度增加,南翼五采区、九采区、十五采区等工作面水害治理难度增大,导致部分工作面的水害治理效果不佳,且水害治理成本大大增加。本文通过陈四楼煤矿煤层底板岩性特征、钻具和扶正器选型及组合方式、钻进方式等方面对钻孔轨迹变化影响因素进行研究,对钻孔轨迹控制效果进行分析,得出较为成熟可靠的钻孔轨迹控制方法,并进行推广应用,减小了钻孔实钻轨迹与设计轨迹之间的差距,提高了钻孔施工精度,避免钻孔钻进深度过深,减少无效进尺,指导矿
6、井水害治理工程施工。钻孔偏斜机理陈四楼煤矿自 年开展底板注浆改造工程,初期钻探设备为 型煤矿用全液压坑道钻机,底板注浆工程开孔使用 钻头单根长 扶正器,钻进期间采用单根长 的 外平钻杆,钻进期间采用 钻头,但钻孔实钻轨迹测量较少。随着南翼深部采区工作面不同程度受到太原组上段灰岩水影响,自 年开始逐步将钻探设备更新为 型煤矿用全液压坑道式钻机,初期使用该型设备期间,选用单根长 的 外平钻杆,开孔采用 钻头单根长 扶正器;钻进期间采用 钻头,正常钻进期间未使用随钻扶正器。引起钻孔偏斜的因素是多方面的,但主要有力学弯曲因素和几何偏斜因素两大类。)力学弯曲是指粗径钻具在钻进过程中由于受力不平衡,受弯矩
7、的作用而弯曲变形导致钻孔的偏斜,在施工钻孔的过程中,当粗径钻具力矩变化而产生偏斜力,这为粗径钻具轴线偏离钻孔轴线提供动力。另外,由于存在孔壁间隙,钻杆由于自重影响,导致钻孔中轴线与钻杆中轴线不重合,钻杆紧贴下部孔壁,也是导致钻孔偏斜的一个重要因素,如图 所示。图 钻孔力学弯曲偏斜示意)几何偏斜是由于钻机定位过程中产生误差所造成的钻孔偏斜。钻进过程中产生的角度改变量和定位时角度测量误差引起定位误差的,常见的几何偏斜因素主要有角度测量、钻机定位方法、性能、钻机作业环境及人员操作习惯等。钻孔偏斜规律及影响因素分析 钻孔偏斜规律陈四楼煤矿底板注浆工作已开展了将近 年,但“底板注浆钻孔偏斜情况”“钻孔偏
8、斜对水害治理及注浆的影响”一直是有疑虑而未揭示的问题。为此,矿井利用()型全方位钻孔测斜仪在、工作面陆续进行了钻孔实钻轨迹测定工作,共测定 个钻孔,具体实测数据见表。结果表明,钻孔倾角呈抛物线型向下逐渐增大,套管深度范围内倾角增大范围约 ,平均;至终孔位置倾角增大范围约,平均 年第 期 煤 炭 工 程 施工技术 ;终孔垂深与设计之间差值 ,平均 ;的钻孔方位上往右侧偏斜,方位角变化范围约 ,平均 ,终孔方位与设计之间差值 ,平均 ;根据统计结果,揭示钻孔偏斜规律为钻孔垂向倾角和终孔点垂深误差大,受钻进期间顺时针回转影响,钻孔方位上向右侧偏斜,但误差相对小。由于钻孔的偏斜,对井下底板注浆改造效果
9、造成了很大影响,容易形成底板改造空白带或构造探测不清,如图 所示,严重影响水害治理效果。表 陈四楼煤矿实测钻孔轨迹成果工作面名称孔号设计倾角()终孔倾角()套管终端倾角变量()终孔倾角变量()终孔垂深与设计之间差值 终孔方位变量()终孔方位与设计之间差值 补 补 平均值 图 井下底板注浆改造钻孔 钻孔偏斜影响因素分析 煤层底板岩性特征山西组二煤层以下整体上具有两个特征各异的岩性单元。其上部为厚层中、细粒砂岩,厚度一般 左右,层位稳定,分布广泛,距二煤一般 左右,局部为煤层直接底板,成分以石英为主,分选性磨圆度中等,泥质胶结,发育大量透镜状、脉状、条带状层理。下部为黑色泥岩(湖相泥岩),致密块状
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