田云鵬 侯艷華
摘? ? 要:在煤礦礦井鉆探過程中,如遇低硬度煤巖層,頂?shù)装寮懊簩铀绍?,即所謂的“三軟”煤層,則極易產(chǎn)生塌孔,給施工帶來諸多不便。在井下探放水過程中,需根據(jù)水壓大小,選擇不同長度的套管來保證安全探放水,下完套管注漿加固后,由于管內(nèi)水泥凝固硬度較大,特別有利于正常鉆進。為此,我們可以采用下多級套管,多次循環(huán)注漿加固,多次循環(huán)鉆進的方法預防塌孔事故的發(fā)生,較好地解決了“三軟”煤層鉆進過程中的塌孔問題。
關鍵詞:煤礦;探放水;鉆探;套管;注漿加固
一、實施背景
石壕煤礦主采煤層為二1煤層,特厚煤帶主要分布于井田西部,厚煤帶分布于井田中部及南部,不可采范圍及無煤帶主要分布于井田中部,煤層厚度基本上呈南部較厚,北部相對較薄之趨勢。煤層厚度變化主要有三個特征:
1.煤層厚度局部短距離內(nèi)有突然增厚變薄現(xiàn)象。
2.薄、無煤帶較少,全區(qū)僅6處,多位于礦區(qū)中部,沿走向零星分布。
3.煤層頂板較平整,而底板起伏不平。一般情況下,在煤層底板突起處,煤層變薄或尖滅,而底板坳陷處煤層變厚,結(jié)構(gòu)變復雜。
井田內(nèi)二1煤層厚度的變化主要受成煤環(huán)境和后期改造等因素影響。
自然地質(zhì)條件決定了石壕煤礦典型的“三軟”煤層特征,即煤層的頂、底板較軟,易變形,且裂隙發(fā)育,打鉆過程中,容易發(fā)生塌孔事件,一旦塌孔,鉆桿和鉆頭很難拔出,損失較大,給井下探煤、探水等施工帶來了一定難度。
二、技術方案
井下探放水過程中,下完套管后,由于管內(nèi)水泥凝固,硬度較大,特別有利于正常鉆進,避免了塌孔事件的出現(xiàn)。因此,我們可以大膽猜想,如果不下套管或只下第一級套管,也能夠在孔內(nèi)將水泥凝固成一個整體,這樣就較好保證了塌孔,因為硬巖中鉆進的塌孔幾率遠遠小于軟巖。
可采用多次循環(huán)注漿,加固孔口管,固結(jié)破碎煤巖的措施,分段循序漸近,進行鉆探施工。開鉆時,需先下一級套管,套管孔徑為最大孔徑,目前為?133,下一定長度的?127套管,鉆進一定長度后,安裝悶蓋進行首次注漿封孔,待凝固24小時后,換?113鉆頭繼續(xù)鉆進至一定深度,下二級套管,比如?108套管,繼續(xù)注漿封孔,下三級套管,依次類推,打一段,注一段,保證了鉆進深度,避免了塌孔。通過這種分段注漿加固,分段鉆進的方式,有效減少了塌孔事件的發(fā)生。
漿液技術要求,注漿時的水灰比例,一般為5:1~1:0.7,依據(jù)巖層硬度和鉆進深度,需通過多次實驗不斷調(diào)整,進行適當調(diào)整,水泥凝固時間需24小時以上方能重新掃孔。也可加水玻璃進行輔助注漿,水泥與水玻璃體積比為:0.3:1~0.5:1。采用水玻璃輔助注漿時,凝固時間可縮短至12小時,但成本較高。
三、優(yōu)缺點分析:
1.優(yōu)點:采用多次注漿,多次鉆進的方式,避免了塌孔,增加了鉆進深度,有效防止透水、孔口瓦斯突出等事故的發(fā)生。
2.缺點:施工工期長,耗費材料多,施工過程繁瑣,不使用于工期短,時間緊迫的工程。
四、應用效果分析及存在的問題
1.孔內(nèi)事故分析
孔內(nèi)事故按其成因可以分為人為事故和自然事故
人為事故:指事故發(fā)生的主要原因是操作人員或有關人員沒有嚴格執(zhí)行鉆探操作規(guī)程,沒有根據(jù)生產(chǎn)的具體情況采取相應的技術措施而造成的事故。例如,斷脫鉆具、跑鉆、燒鉆等事故。
自然事故:指由于復雜的地質(zhì)條件等客觀因素所引起的事故。例如,大塊石卡鉆、掉塊擠夾鉆具,孔壁坍塌埋鉆等事故。
2.孔內(nèi)事故預防
(1)鉆具折斷、脫扣事故的預防
①開鉆前應將鉆場清理到硬底或?qū)︺@場底板進行硬化處理,壓柱一定要頂牢,保證鉆機安放平穩(wěn),固定牢固。
②檢查鉆頭是否完好,鉆桿有無裂紋,絲扣是否完好,有質(zhì)量問題的材料嚴禁使用。
③鉆進過程中的給進壓力必須均勻,嚴禁忽大忽小。
④鉆機移動二次對孔時,必須對正,當鉆桿在孔內(nèi)不出現(xiàn)磨擦孔口管、上下活動順暢、無阻力時,將鉆機固定牢靠方可鉆進。施工過程中如發(fā)現(xiàn)鉆桿磨擦孔口管,有扭勁現(xiàn)象,必須停止施工,重新對孔。
⑤施工時操作人員應集中注意力,聲音增大、壓力、水循環(huán)等有變化時,應立即停鉆,查明原因并處理后方可繼續(xù)鉆進。
(2)卡鉆、埋鉆事故的預防
①保證壓力水暢通,盡可能增加循環(huán)水的壓力和流量。確保孔底巖粉沖洗干凈。
②鉆進遇軟巖時,應慢速鉆進,穿過軟巖后,應反復順孔,防止縮徑導致卡鉆。
③施工過程中發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)阻力大,有憋泵現(xiàn)象,應停止給壓鉆進,保證壓力水能夠循環(huán),將鉆具慢慢上下移動(上阻下放,下阻上提),使孔內(nèi)通暢,壓力水恢復正常循環(huán)后,方可正常鉆進,禁止有異常時強行提拉鉆具,冒險作業(yè)。
④停止鉆進時,應將鉆具提起一定高度,保證巖粉沉淀不埋鉆,重新鉆進時,應先沖孔后鉆進,緩慢鉆至孔底后方可正常鉆進。
五、鉆孔彎曲的原因與規(guī)律
地質(zhì)因素
影響鉆孔彎曲的地質(zhì)因素主要是巖石的各向異性和軟硬互層。地質(zhì)因素是客觀存在的,只能通過工藝技術措施來減弱或抵消它的促斜作用
1.巖石的各向異性
某些具有層理、片理等構(gòu)造特征的巖石,其可鉆性具有明顯的各向異性。鉆頭沿垂直于巖層方向鉆進的巖石破碎效率最高,平行于層理方向效率最低,傾斜方向破巖效率居中。因此在傾斜巖層中鉆進時,極易產(chǎn)生鉆孔向垂直于層面的方向彎曲。鉆孔彎曲強度與巖石各向異性強弱和鉆孔遇層角的大小有關。鉆孔遇層角是鉆孔軸線與其在層面上的正投影的夾角。當遇層角約為45?時,鉆孔彎強最大。
2.軟硬互層
(1)鉆孔以銳角穿過軟硬巖層界面,從軟巖進入硬巖時,由于軟、硬部分抗破碎阻力的不同,使鉆孔朝著垂直于層面的方向彎曲。
(2)鉆孔從硬巖進入軟巖時,則鉆具軸線有偏離層面法線方向的趨勢。但由于上方孔壁較硬,限制了鉆具偏倒,結(jié)果基本保持著原來的方向,鉆孔通過軟巖進入硬巖又從硬巖進入軟巖時,最終還是沿層面法線方向延伸。
(3)鉆孔遇層角存在著臨界值。超過此值時,鉆孔頂層進;低于此值時,鉆孔將沿硬巖的層面下滑(俗稱順層跑)。說明鉆進中粗徑鉆具傾斜面方向穩(wěn)定是客觀存在的。
3.技術因素
(1)開孔階段
開孔階段的鉆孔彎曲會影響整個鉆孔軸線軌跡,使鉆孔軌跡產(chǎn)生很大的偏差。這一階段引起鉆孔彎曲的技術因素有:? ? 鉆機基礎不平;鉆機立軸安裝不正確;未下孔口管或孔口管方向不合要求;主動鉆桿過長;鉆進參數(shù)不合理等。
(2)鉆進階段
鉆進過程中造成鉆孔彎曲的技術是鉆具的結(jié)構(gòu)和尺寸。由于存在孔壁間隙,在壓力作用下,鉆桿柱將產(chǎn)生彎曲變形,產(chǎn)生水平分力,使粗徑鉆具偏倒。
當鉆進各向異性巖石遇且遇層角為銳角時,鉆頭唇部形狀會影響鉆孔彎曲方向及強度:
①唇部平面或橢圓形鉆頭:孔底碎巖向阻力最小方向偏移(垂直層面方向);②外錐形鉆頭:向順層方向偏移;③內(nèi)錐形鉆頭:鉆孔向垂直巖層面偏移。
六、應用推廣價值
多次循環(huán)鉆進防塌孔鉆進技術,可以有效地防止塌孔,對于松軟地層,地質(zhì)條件復雜,地下水賦存不穩(wěn)定的區(qū)域,應用效果較好。
但由于此方法需多次循環(huán)鉆進,多次注漿封孔,浪費了大量封孔注漿材料,耗費工時較多,對于硬巖和地質(zhì)條件較好的地層,不推薦使用。
參考文獻:
[1]宋紅旗.煤礦水害原因及綜合防治技術應用探討[J].江西煤炭科技,2018(01):102-103.
[2]余正良.基于界面強度理論的沿巖層探放水鉆孔孔口管長度計算[J].能源與環(huán)保,2018(02):87-91.
[3]楊建,劉洋,方剛.煤礦水文地質(zhì)勘探中水文地球化學判別標準的構(gòu)建[J].煤田地質(zhì)與勘探,2018,46(01):92-96.
[4]孫冰.我國煤礦水災害事故治理探究[J].決策探索(中),2018(02):5-6.
[5]李繼民,張鐵昽,張基銘,柳東明.礦井水患防治與瓦斯抽采的雙贏共用[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟,2017(21):115-117.
[6]王永全,周兢.鉆探技術在煤礦水害防治工作中的應用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2017,44(11):35-41.
[7]張曉鵬.鉆探技術在煤礦防治水工作中的應用[J].機械管理開發(fā),2017,32(10):71-72.
[8]楊景文.煤礦井下近水平定向鉆進技術在探放水孔施工中的應用[J].煤炭科技,2016(04):121-122.
[9]大有能源義煤集團股份有限公司,探礦井下探放水《底板注漿改造工程精細化管理規(guī)范》《井下超前鉆探工程精細化管理規(guī)范》《探放水工程精細化管理規(guī)范》。