地面L型钻孔煤层底板注浆加固技术与装备研究

煤第５０卷第３期　ｄｏｉ：１０．１　１７９９／ｃｅ２０１８０３Ｏ１４　炭工程　Ｖｏ１．５０，Ｎｏ．３　Ｃ０ＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　地面Ｌ型钻孔煤层底板注浆加固技术与装备研究　孙晓宇　（１．煤矿深井建设技术国家工程实验室，北京１０００１３；２．北京中煤矿山工程有限公司，北京１０００１３）　摘要：为了实现煤层底板超前注浆治理的目的．对地面Ｌ型定向钻孔煤层底板注浆加固　原理、钻探设备、钻孔设计及钻进工艺进行了系统的研究，形成一套完整的技术与装备。通过　赵固一矿１８０１１工作面二　煤层底板Ｌ　灰岩含水层注浆加固现场实验，表明研究的钻探装备和钻　进技术稳定可靠、工艺先进、煤层底板注浆加固效果良好，不仅丰富和完善了煤层底板水害防　治技术．而且实现了区域煤层底板超前注浆改造．对安全高效开采大采深矿井高承压水煤层具　有重要意义。　关键词：Ｌ型钻孔；底板注浆加固；定向钻孔；煤层底板水害；钻探装备；钻孔设计　中图分类号：ＴＤ７４５　．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７１—０９５９（２０１８）０３—００５３—０４　Ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｇｒｏｕｎｄ　Ｌ—ｔｙｐｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｆｌｏｏｒ　ＳＵＮ　Ｘｉａｏ—ｖｕ　，　（１．Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏｒ　Ｄｅｅｐ　Ｓｈａｆｔ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００１３，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｃｈｉｎａ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００１３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｅ—ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｆｌｏｏｒ，ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｆｌｏｏｒ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ，ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｕｎｄ　Ｌ—ｔｙｐｅ　ｄｉｇｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ，ａｎｄ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｓｅｔ　ｏｆ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ａｎｄ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｔｈｅ　Ｌ８　ｌｉｍｅｓｔｏｎｅ　ａｑｕｉｆｅｒ　ｒｏｕｔｇｉｎｇ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｆ　１８０１　１　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｆａｃｅ　ｉｎ　Ｚｈａｏｇｕ　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｅ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗａｓ　ｓｔａｂｌｅ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ，ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｗａｓ　ａｄｖａｎｃｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｅｆｆｅｃｔ　ｗａｓ　ｆａｖｏｒａｂｌｅ，ｗｈｉｃｈ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｅｎｒｉｃｈｅｄ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｅｃｔｅｄ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｄａｍａｇｅ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｆｌｏｏｒ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ａｒｅａ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｆｌｏｏｒ　ａｄｖａｎｃｅ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ｒｅｆｏｒｍ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｉｓ　ｏｆ　ｇｒｅａｔ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｓａｆｅ　ａｎｄ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｔ　ｍｉｎｉｎｇ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｉｎ　ｌａｒｇｅ　ｍｉｎｉｎｇ　ｄｅｐｔｈ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌ—ｔｙｐｅ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｆｌｏｏｒ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｃｏａｌ　ｓｅａｍ　ｆｌｏｏｒ　ｗａｔｅｒ　ｄａｍａｇｅ；ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　煤层底板水害是仅次于瓦斯事故的重大灾害．我国煤　炭资源开采受水害威胁严重…。随煤矿采深增大，在高承　成新的矿井防治水技术，利用该技术为煤层底板水害预防　与治理提供强有力的技术保障。　压水和采动耦合作用下，煤层底板灰岩突水频率增加。特　别是１０多年来，随矿井采深不断加大，突水频率增长近　１５７％，承压水已经成为华北型煤田深部开采的严重安全　威胁　。　１地面Ｌ型钻孔煤层底板注浆加固原理　地面Ｌ型定向钻孔煤层底板注浆加固技术．首先利用　先进的随钻测量定向技术，实现对实钻钻孔轨迹的实时准　确测量和精确控制，使钻孔一开孔段、二开孔段、水平孔　面对大采深矿井高承压水及下组煤开采条件。将先进　的随钻测量定向技术引入到矿井煤层底板注浆加固领域中，　段根据设计轨迹进行钻进，尤其使水平孔段在目的层内顺　层钻进；其次利用地面注浆技术对水平孔段进行高压注浆，　使地面Ｌ型定向钻孔施工技术与地面注浆技术相结合，形　收稿日期：　２０１７一Ｏ６—２８　基金项目：　国家安全生产监督管理总局２０１７年重大事故防治关键技术科技项目（２０１７ＧＪ—Ａ２—００２）　作者简介：　孙晓宇（１９８５一），男，内蒙古杭锦后旗人，硕士，助理研究员，主要从事矿井水害防治技术、注浆技术研　究工作，Ｅ—ｍａｉｌ：ｓａｉｗａｉｄｅｒｅｎａ＠１２６．ｃｏｍ。　引用格式：　孙晓宇．地面Ｌ型钻孔煤层底板注浆加固技术与装备研究［Ｊ］．煤炭工程，２０１８，５０（３）：５３－５６．　５３　维普资讯 http://www.cqvip.com 煤炭　工程　２０１８年第３期　通过注浆一方面提高煤层底板抗压强度，另一方面截断或　封堵地下水径流通道　，由于注浆时巷道还未进行开挖．　从而实现了工作面煤层底板的超前注浆加固．该技术是解　决煤层底板灰岩含水层突水威胁的有效途径之一。　钻孔施工时，需要综合采用回转钻进及定向钻进等多种工　艺，受到摩擦、离心、弯曲、拉伸、扭转等多个作用力，　这些力对钻具的作用往往是激烈的，为了保障施工正常进　行，选用外径为８８．９ｍｍ，壁厚为９．３５ｍｍ的Ｇ级普通　钻杆。　２钻探设备　为了地面Ｌ型定向钻孔煤层底板注浆加固工艺应用及　推广，研发改进了ＴＤ２０００／８００型顶驱钻机，选择了合适的　３）钻头。钻头选型的主要依据是施工方案、地层情　况、机械钻速、运转时间及水压压降等，为了满足需要，　造斜率较高的一开孔段、二开孔段选择铣齿三牙轮钻头．　随钻测量系统及定向钻进螺杆，并配套了各种规格的钻具。　２．１钻机　根据施工工艺要求，研发改进了ＴＤ２０００／８００型顶驱钻　机＿４ｊ，该钻机相比转盘钻机，具有立根（１８ｍ）钻进，加尺　方便、钻速和扭矩易于调节、定向精度高等特点，并且设　备轻巧、处理事故能力强，适合于地面定向钻井工程。　２．２随钻测量系统　随钻测量系统是定向孔施工的基础和关键，选用　ＳＭＷＤ型无线随钻测斜仪对钻孔轨迹进行测量与控制ｌ５］．　具有操作简单、设备维护简单、故障率低、电池使用时间　长、仪器直径小、精度大等特点，该设备由地面仪器设备　及井下仪器设备两部分组成．如图１所示。　二　２．３螺杆钻具　螺杆钻具是以钻井液为动力的一种容积式井下动力钻　具，具有钻进效率高、易侧钻、避免反复起下钻具等特点，　螺杆钻具是定向钻孑Ｌ施工的关键设备，通过与无线随钻测　斜仪的配合，可以对井眼轨迹进行实时检测、实时调整、　实时控制，从而使井眼更加光滑ｌ６］。根据地层特点及钻孑Ｌ　结构。造斜率较高的二开孔段选用弯曲角度为１．５。螺杆．　造斜率较小的一开孔段及水平孔段选用弯瞌角度为１．２５。　螺杆　２．４配套钻具　１）钻井泵。钻井泵用于提供钻进过程中携带岩粉及螺　杆马达工作所需的钻井液。选用宝鸡机械有限责任公司生　产的Ｆ一１０００钻井泵，该泵属于电驱卧式ｊ缸单作用活塞　泵，最高工作压力为３２．８５ＭＰａ，最大缸套直径为１７０ｍｍ，　具有泵压高、泵量大的特点，该泵适用于大口径、长孔段　的全面钻进及取芯工作。　２）钻杆。钻杆是组成钻柱的基本部分，地面Ｌ型定向　５４　造斜率较低的水平孔段选择ＰＤＣ钻头。　４）扶正器。在定向钻进过程中，需要在钻头和钻杆或　者钻杆和钻杆之间连接合适尺寸的扶正器．通过改变扶正　器在下部钻具组合中的位置。可以达到控制井眼轨迹的目　的；此外，在修整井眼时，可使井眼曲率变化平缓、圆滑，　有利于减少井下复杂情况的出现。　３钻孔设计　３．１　目的层及钻孔间距　国内煤层底板以薄层灰岩含水层为目的层，但各区域　主采煤层底板灰岩含水层各有不同，如河南焦作煤田主采　二，煤层底板直接含水层为太原组上段的ｋ灰岩、河北峰　峰煤田主采煤层大煤直接底板为太原组下部的大青灰岩、　河北开滦主采１２煤层直接底板为奥陶系灰岩，具体目的层　的选取应根据各治理区域的主采煤层、底板灰岩含水层的　埋深情况、构造发育特点及岩层硬度确定。　单孔注浆浆液的扩散半径是地面Ｌ型定向钻孔水平孔　孔间距的布置的基础，根据相关实验及经验总结，底板含　水层注浆改造Ｔ程浆液扩散半径一般２５　３０ｍ，为了实现注　浆浆液全区覆盖，定向孔水平孑Ｌ孔间距布置为４５～６０ｍ。　３．２钻孔结构　由于主采煤层埋深较深，地面Ｌ型定向钻孔需穿过冲　积层、稳定基岩、煤层后进人目的层，为了保证钻孑Ｌ孑Ｌ壁　稳定及水平孔段注浆升压，需要采用多级套管施工技术以　封固冲积层与煤层，因此必须对钻孔结构进行合理设计，　并选择合适的套管以满足水平孑Ｌ段孑Ｌ径的要求［７］，钻孔结　构分为三级，分别为一开孔段、二开孔段和三开水平孔段，　钻孔结构如图２所示。　图２钻孔结构示意图　维普资讯 http://www.cqvip.com

２０１８年第３期　３．３钻孔轨迹控制　煤炭工程　段在目的层延伸直至达到设计要求。　１）方位。每个地面Ｌ型定向主钻孔包括１个一开孔　段、若干个二开孔段及水平孔段，水平孔孔间距４５～６０ｍ。　为了实现整个治理区域主采煤层底板含水层超前注浆加固　的目的．各水平孔段的方位应与工作面的方位一致．使水　平孑Ｌ段尽量沿工作面的方向延伸。　２）井斜。根据治理区域的地层特点确定各孔段的井　斜，如果冲积层较薄基岩较厚，一开孔段为直孔段，二开　孔段为造斜段．井斜需要从０。增至约８６。，三开孔段为水　平孔。井斜应根据煤层倾角确定：如果冲积层较厚基岩较　薄．一开孔段需要考虑施工一定深度直孔段后开始进行造　斜工作，使井斜增至约４５。．即一开孔段包括直孔段与造斜　段两部分，二开孔段需要使井斜从４５。增至约８６。，三开孔　段为水平孑Ｌ，井斜应根据煤层倾角确定。　３）一开孔段。一开孔段位于冲积层，该孔段采用二次　扩孔的工艺，先导孔采用中２１５．９ｍｍ钻头，以快速钻进、　精确定向为主，在确定命中靶点的基础上优化钻孔轨迹，　扩孑Ｌ采用￣３５０ｍｍ钻头，以沿先导孔轨迹钻进为主，优化　钻具组合及钻进参数，实现扩孔轨迹的光滑性，为下套管　提供条件，扩孑Ｌ完毕后下　２４４．５ｒａｍ套管，套管进人稳定　基岩不少于ｌＯｍ，并用单液水泥浆进行固管，候凝结束后　进行试压实验。　４）二开孔段。二开孔段位于稳定基岩。并穿过煤层进　入目的层，该孔段采用　２１５．９ｒａｍ钻头，通过定向钻进，　对钻孔井斜、方位进行合适调整，保证水平孔段能够进入　靶点并沿工作面方向延伸．钻孔施工完毕后下　１７７．８ｍｍ　套管，套管下至目的层顶部，并用单液水泥浆进行固管，　由于该孔段要进行切割、起拔套管，不需要进行全段固管，　必须留出足够的段长在切割、起拔套管后进行侧钻工作，　该孔段的施工是整个工艺的重点与难点。　５）水平孔段。水平孔段应尽量在目的层内延伸，水平　孔段井斜应与目的层倾角相协调．确保各水平孔段沿着煤　层底板含水层治理目的层顺层钻进．由于水平孔段加压困　难，为了实现水平孔段长距离的推进，必须采用加重钻具　倒置技术解决钻具的加压难题。　４钻进工艺　４．１钻进工艺流程　地面Ｌ型定向钻孔钻采用的钻进方法有螺旋钻杆回转　钻进、螺杆马达随钻测量定向钻进、稳定组合钻具定向钻　进等　］，钻孔成孔工艺流程如图３所示。一开孔段钻进时　首先采用螺杆马达随钻测量定向钻进工艺进行先导孔施工，　再采用螺旋钻杆回转钻进工艺进行该孔段的扩孔施工。然　后下套管并进行试压实验：二开孔段采用稳定组合钻具定　向钻进及螺杆马达随钻测量定向钻进工艺进行施工，然后　下套管并进行试压实验．水平段采用稳定组合钻具定向钻　进及螺杆马达随钻测量定向钻进工艺进行施工，使水平孔　图３钻进工艺流程图　４．２定向钻进原理　地面Ｌ型定向钻孔施工技术以螺杆马达为钻孔底动力　源，破碎岩石而形成井眼．以随钻测斜仪为钻孔轨迹参数　的测量手段．对井眼轨迹参数进行测量．及时对实钻轨迹　与设计轨迹参数进行对比分析，如有偏差，根据相关参数　及地层情况及时调整工作面角。对钻孔轨迹进行控制。　５工程应用实例　赵固一矿首次采用地面Ｌ型定向钻孔煤层底板注浆加　固技术对１８０１　１工作面二　煤层底板ｋ灰岩含水层进行注　浆加固，保证工作面巷道掘进及回采安全。　５．１工作面概况　赵固一矿１８０１１工作面地面标高８３．４—８５ｍ；井下标高　…４３０　５６０ｍ。二　煤厚度５．５～６．２ｍ，平均５．８ｍ，煤层倾　角３。　１０。，煤层稳定，结构简单，工作面倾向长１１７５ｍ，　走向宽２１０ｍ，面积２４６７５０ｍ　，可采储量１９４．３万ｔ。　１８０１１工作面主采二　煤层底板直接含水层为太原组上　段ｋ灰岩含水层，距二　煤层底板的距离为２５．０～２８．７　ｍ，　其中ｋ灰岩发育较好，平均厚度８．５ｍ，岩溶裂隙较发育，　渗透系数９．８２～１０．９４ｍ／ｄ，突水系数为０．１７～０．２５ＭＰａ／ｍ，　突水危险性较大。　５．２钻孔设计　１８０１１工作面是未进行巷道掘进及回采的工作面，根据　采掘计划采用Ｌ型定向钻孔煤层底板注浆加固技术对该工　作面进行超前区域治理工作，共布置３个主孔，每个主孔　施工４个水平分支孔，根据工作面走向及煤层倾角，各水　平孔方位设计为１５０。，井斜设计为８６。，水平孔间距４５ｍ，　钻孔设计如图４所示。　５．３钻孔施工　采用上述钻进装备和钻进工艺对１８０１１工作面进行探　查治理，该工作面共计施工３个一开孔段、１２个二开孔段　及水平孔段．所有孔段钻孑Ｌ轨迹误差偏差均控制在５％。以　内，总钻探量为１３８５８．６４ｍ，钻孔实钻参数见表１。　５５　维普资讯 http://www.cqvip.com

煤炭工程　２０１８年第３期　Ｅｌ　——《　三一／＼　　注１．１注３　沣１．４　汴２．１　沣２．２　／＼注３　１　往　３．３　范围内的检验孔施工时孔内出水量均未超过规定值，底板　注浆加固效果显著。　］ｊ　沣１—３　Ｅ２工　、ｌ８０１ｌ工作咖注３．４　６结论　注２．３　１）研发改进的顶驱定向钻机及配套装备具有较强的钻　图４钻子Ｌ设计平面图　孔事故处理能力，还可以通过随钻测量定向技术对各水平　分支孔轨迹精确控制，实现对治理区域全区覆盖，施工效　果良好。　５．４注浆效果分析　１８０１１工作面在施工过程中，由于水平孔段长度较大，为　了保证注浆质量，工程采用遇漏则注（水平孔段钻进时钻井液　漏失量不小于ｌＯｍ。／ｈ）与分段注浆（水平孔段每钻进２Ｏ（Ｏ进行　２）根据地面Ｌ型定向钻孔的施工特点，对钻孔设计方　法及钻进成孔工艺进行了系统研究，形成了一套新型的施　工工艺，确保了地面Ｌ型定向钻孔的顺利钻进。　３）赵固一矿１８０１　１工作面二，煤层底板　灰岩含水层　注浆）相结合的方式对１８０１１工作面进行高压注浆，共计注入　水泥１２８９９．５ｔ，黏土１８９１４　９【，干料合计３１８１４．４ｔ，注浆情况见　表２。注浆结束标准：注浆流量不大于６０ＩＭ￣ｎ，并且稳定时　间不小于ｌＯｍｉｎ；注浆压力不小于ＩＯＭＰａ。　表２钻孔注浆统计表　注浆加固效果明显，保障了煤矿安全生产。　参考文献　许延春．古文哲，曹旭初，等．赵固一矿底板灰岩含水层采　动影响研究［Ｊ］．煤炭工程，２０１５，４７（６）：９２—９４．　赵庆彪．华北型煤田深部煤层开采区域防治水理论与成套技　术『Ｍ］．北京：科学出版社，２０ｌ６．　于树春．煤层底板含水层大面积注浆改造技术［Ｍ］．北京：　煤炭工业出版社．２０１５．　袁辉，邓昀，蒲朝阳，等．Ｌ型地面钻孔注浆技术在矿　井水害防治中的应用［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１７，４５（４）：　ｌ７ｌ一１７５．　石智军，田宏亮，田东庄，等．煤矿井下随钻测量定向钻进　使用手册［Ｍ］．北京：地质出版社，２０１２．　王清江，毛建华，韩贵金，等．定向钻进技术［Ｍ］．北京：　石油工业出版社．２ｏ０９．　李泉新．煤层底板超前注浆加固定向钻孔钻进技术［Ｊ］．煤　炭科学技术，２０１４，４２（１）：１３８—１４２．　姚宁平，姚亚峰．张杰，等．煤矿井下梳状定向孔钻进技　１８０１１工作面两巷掘进过程中．未出现底板起鼓或出　水现象，此外在钻场内布置了若干常规检验孑Ｌ，注浆加固　术与装备［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１２，４０（１０）：１２—１６．　（责任编辑张宝优）　５６