煤礦定向鉆進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)方案

1、遼寧*能源集團(tuán)*煤礦ZDY12000LD瓦斯抽采定向長(zhǎng)鉆孔方案設(shè)計(jì)委托單位：遼寧*能源集團(tuán)*煤礦 TOC o 1-5 h z 1目的和任務(wù)12煤礦地質(zhì)情況1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 2.1礦井概況1 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 2.2煤層情況2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 2.3 1203工作面地質(zhì)構(gòu)造2 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 2.4水文地質(zhì)情況3 HYPERLINK

2、 l bookmark22 o Current Document 2.5以往相關(guān)工作33技術(shù)方案3 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 3.1頂板高位定向鉆孔設(shè)計(jì)方案4 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 3.1.1鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)4 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 3.1.2鉆孔設(shè)計(jì)4 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 3.1.3施工工藝7 HYPERLINK l bookmark59 o Current

3、 Document 3.2頂板梳狀定向鉆孔設(shè)計(jì)方案7 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 3.2.1鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)7 HYPERLINK l bookmark65 o Current Document 3.2.2鉆孔設(shè)計(jì)7 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 3.2.3施工工藝91目的和任務(wù)2018年7月6日，遼寧*集團(tuán)與中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱“西安 院”），按照遼寧工程招標(biāo)有限公司在*煤業(yè)集團(tuán)物資供應(yīng)分公司議標(biāo)結(jié)果，約定采購(gòu)兩 臺(tái)套ZDY12000LD定向鉆機(jī)及配套設(shè)備，由西安院在*煤

4、礦1203工作面施工2個(gè)試驗(yàn) 鉆孔，包括1個(gè)頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔及1個(gè)梳狀孔作為考核，主孔孔深均為500m?？己?指標(biāo)完成，簽訂設(shè)備采購(gòu)合同，再由西安院輔助*集團(tuán)操作人員指導(dǎo)完成后續(xù)2個(gè)定向 鉆孔施工。2煤礦地質(zhì)情況2.1礦井概況*煤礦位于遼寧省北部的調(diào)兵山市，東距鐵嶺市35km，西距法庫(kù)縣城15km，西北 距康平縣城44km，南距省城沈陽(yáng)90km，*煤礦位置交通圖見圖1。東部有長(zhǎng)（春）一 大（連）鐵路，可由鐵嶺車站直通該礦區(qū)，并且在礦區(qū)各煤礦均有礦用鐵路線相連。另 外該區(qū)有瀝青路面公路多條，四通八達(dá)，交通運(yùn)輸十分便利。礦井生產(chǎn)能力300 x104t，服務(wù)年限89.5年，采用堅(jiān)井開拓，采煤方法采

5、用走向長(zhǎng)壁 和傾斜長(zhǎng)壁兩種方式，開采水平分-600m和-800m兩個(gè)水平。圖1 *煤礦位置交通圖2.2煤層情況12煤層厚度在3.025.13m之間，一般為4.12m。煤層呈黑色，以亮煤為主，暗煤次之，局部煤層中夾薄層炭質(zhì)泥巖。煤層硬度較好，但膠結(jié)性差，易破碎。工作面煤層 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾石15層，夾石巖性以泥巖、粉砂巖為主，厚度在0.21.20m左右。根據(jù)掘進(jìn)期間選煤廠煤質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果，預(yù)計(jì)工作面原煤全水分為8.1%，灰分為35.27%， 發(fā)熱量為4200卡/克。煤層自燃發(fā)火期13個(gè)月，煤塵爆炸指數(shù)為23.59%。12煤層上 部小范圍內(nèi)發(fā)育有12-1煤層，煤厚1.09m，與12煤層間距為0.85m；

6、工作面下鄰13煤層，未采動(dòng)，一般煤厚為2.66m，與12煤層間距在4.6119.43m之間，一般為12.88m。層，老頂：巖性以粗砂巖和中砂巖為主，灰白色，成份以石英長(zhǎng)石為主，泥質(zhì)膠結(jié)，松散，厚度為散，厚度為6.32m左右，硬度為5。直接頂：以粉砂巖為主，深灰色，泥質(zhì)膠結(jié)，厚度一般為2.88m，硬度為4。底板：以粉砂巖為主，泥質(zhì)膠結(jié)，厚度一般為0.78m，硬度為4。12煤層上部30m范圍內(nèi)地質(zhì)柱狀圖見圖2。2.34. 043,971. 2449. 512.34. 043,971. 2449. 51. 5451. 732-然 133. 4C5 7- 212= 0800. G53. 44ar：_

7、532. E 8R4一 nn1. rn (nh. h：in. TnCl Cl. ono. ro* ： H7Ci. 4T.2. 10 -粉砂巖及自，市份以.h英、IWI為工，泥族腔節(jié)。粗砂巖灰白色，分選不好,砂質(zhì)肢結(jié)。粉砂巖深A(yù)E.,成份日有毛、長(zhǎng)而為,俱爬檢擴(kuò)”細(xì)砂者既芭，.古伯以.fl金、|5|內(nèi)上，泥廂腔玷粉砂巖深芯從悄以石繭、H石為中，混廟憤始-中砂宥灰白色，削，百英、長(zhǎng)百為I U粗砂者A.rite-成份以七英、任石為王,肢結(jié)松散.粉砂者灤玉色.H份以石革、長(zhǎng)節(jié)為I ,江市傍站U黑巳，由羌煤取暗焊組或，合薄丘:泥宕，局 部曰主石Ji為:LET焊U 耕砂巖勿芭.尼市肢拮.呂部號(hào)卬的巖u煤層

8、黑色，殼煤，煤質(zhì)較好，破碎。粉砂者深灰色，源廟眩結(jié)、黑色，聲煤，姑.底較奸，礎(chǔ)6卒.12煤層上部30m范圍內(nèi)地質(zhì)柱狀圖圖21203工作面地質(zhì)構(gòu)造*煤礦1203工作面煤巖形態(tài)總體為一單斜構(gòu)造，煤層產(chǎn)狀為193243/610。根據(jù)地質(zhì)鉆孔和工作面掘進(jìn)實(shí)見資料，本工作面斷層構(gòu)造復(fù)雜。工作面東側(cè)發(fā)育有 F15-1和fN2-3號(hào)斷層，斷層產(chǎn)狀分別為：268N40H=014m、112N45H=07m，其 中F15-1號(hào)斷層在回順掘進(jìn)至987m時(shí)實(shí)見，斷層落差2.7m,對(duì)工作面回采有一定影響； 工作面西側(cè)發(fā)育有F44、fN2-2、fN2-9、fN2-10、fN2-11號(hào)斷層，運(yùn)順掘進(jìn)至471m實(shí)見F44 號(hào)

9、斷層，斷層產(chǎn)狀為70Z50H=40m，未發(fā)育到工作面內(nèi)，對(duì)回采無(wú)影響，fN2-2、fN2-9、 fN2-10、fN2-11號(hào)斷層為F44號(hào)斷層的分支斷層，分別在運(yùn)順728m、884m、896、1108m 實(shí)見，落差分別為1.0m、3.2m、1.8、2.3m，這4條小斷層對(duì)工作面回采有一定影響；工 作面北側(cè)為F15號(hào)邊界斷層，斷層產(chǎn)狀為222N60H=3050m，工作面掘進(jìn)期間未實(shí)見， 但在回順730m處實(shí)見其分支斷層，產(chǎn)狀為209Z63H=2.0m，預(yù)計(jì)對(duì)工作面回采有一定 影響。2.4水文地質(zhì)情況本工作面水文地質(zhì)條件復(fù)雜，老頂粗砂巖為微弱承壓直接充水含水層，含孔隙水、 裂隙水。工作面上部為北二

10、902、北二903采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)不具備積水條件，且12煤層 與9煤層間距較大，在84.24110.03m之間，一般為95.99m，根據(jù)“三帶”觀測(cè)資料預(yù)計(jì) 本工作面不受采空區(qū)積水威脅；另外，地表沉陷區(qū)中有積水70.91x104m3，經(jīng)論證地表積 水對(duì)回采無(wú)威脅。該區(qū)域斷層構(gòu)造復(fù)雜，裂隙發(fā)育，局部煤層頂板會(huì)有淋水現(xiàn)象。預(yù)計(jì) 工作面回采期間最大涌水量為60m3/h （含充填水）。2.5以往相關(guān)工作目前*煤礦主要使用西安院生產(chǎn)的ZDY3500LP型鉆機(jī)及重慶院3200型鉆機(jī)，采用的 鉆桿為中73mmx1.5m三棱鉆桿，配套中94mm三翼復(fù)合片鉆頭。瓦斯抽采鉆孔方式主要有 本煤層和高位巖孔兩種。本煤

11、層鉆進(jìn)：采用“ O73mmx1.5m三棱鉆桿+例4mmPD C鉆頭”鉆具組合，以水為 沖洗介質(zhì)，孔深90m左右，單班進(jìn)尺90m，鉆進(jìn)過程中存在少量塌孔現(xiàn)象。高位巖孔鉆進(jìn)：采用同樣鉆具組合，鉆進(jìn)開孔位置為煤層頂板上部6m左右，以水為 沖洗介質(zhì)，孔深150m左右，單班進(jìn)尺7080m，返渣為小顆粒狀，鉆進(jìn)平穩(wěn)，塌孔現(xiàn)象 較少。3方案設(shè)計(jì)通過前期實(shí)地勘察及調(diào)研，*煤礦擬選用ZDY12000LD型定向鉆機(jī)及其配套鉆具， 主要進(jìn)行頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔施工和頂板梳狀定向鉆孔施工。3.1頂板高位定向鉆孔方案設(shè)計(jì)*煤礦1203工作面頂板上部巖層以砂巖為主，礦方采用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)效率約80m/ 班，且塌孔次數(shù)少，鉆進(jìn)

12、平穩(wěn)。大直徑高位定向長(zhǎng)鉆孔施工采用定向鉆進(jìn)，成孔幾率較 大。其風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)在：孔口段煤層破碎塌孔、局部斷層構(gòu)造和火成巖侵入地區(qū)影響。3.1.1鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)鉆場(chǎng)鉆場(chǎng)頂?shù)灼秸?，以便鉆機(jī)穩(wěn)固，出于安全考慮，鉆場(chǎng)頂板和邊幫應(yīng)進(jìn)行掛網(wǎng)噴漿； 為了便于鉆孔施工，鉆孔開孔所在迎頭須平整，無(wú)影響布置鉆孔的干擾體，硐室底板須 澆注厚度N30cm的混凝土漿。在施工過程中可能需占用巷道，保證鉆場(chǎng)應(yīng)用深度不小 于10m(鉆進(jìn)方向)，鉆孔開孔所在迎頭寬度6m，高度3m，即鉆場(chǎng)尺寸為10mx6mx3m。供電通訊ZDY12000LD型鉆車的電動(dòng)機(jī)額定功率132kw，額定電壓660V/1140V； BLY390/12 型泵車的電

13、動(dòng)機(jī)額定功率110kw，額定電壓660V/1140V，總功率N300kW。防爆計(jì)算機(jī)接電：額定電壓127V。場(chǎng)地必須有良好照明。同時(shí)，要求鉆場(chǎng)設(shè)置一部電話，方便井下和地面聯(lián)系。供水排水為了確保螺桿鉆具的性能穩(wěn)定并保證盡可能長(zhǎng)的工作壽命，施工中采用清水作為沖 洗介質(zhì)，要求供水量QminN25m3/h，排水量QminN25m3/h，并配備排水泵及時(shí)排水。排渣由于定向鉆進(jìn)深度大，孔徑120mm，總進(jìn)尺量也較大，鉆孔產(chǎn)生的煤渣量較大， 因此鉆場(chǎng)須具有及時(shí)將煤渣運(yùn)走的能力。通風(fēng)在鉆場(chǎng)所在硐室設(shè)置通風(fēng)口，并保證足夠的風(fēng)量；在鉆場(chǎng)安裝瓦斯抽采管路，定向 鉆施工過程中利用氣液分離器抽排瓦斯，并在鉆場(chǎng)所在硐室安

14、裝瓦斯?jié)舛忍綔y(cè)傳感器， 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆場(chǎng)作業(yè)環(huán)境內(nèi)瓦斯?jié)舛茸兓?.1.2鉆孔設(shè)計(jì)(1)鉆孔布置1203工作面長(zhǎng)度約1668m，寬度為150m，目前已回采807m左右，剩余861m，由于礦方已使用常規(guī)鉆進(jìn)方式在距離停采線約500m以前位置施工了數(shù)組高位孔，因此本 方案只設(shè)計(jì)1個(gè)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)布置在1203工作面回風(fēng)巷，距離煤層頂板約6m。鉆場(chǎng)布置2個(gè)高位鉆孔，2個(gè)頂板梳狀鉆孔，單孔設(shè)計(jì)孔深500m。3#、4#頂板高位定向鉆孔、頂板梳狀定向平面布置圖見圖3。定向鉆孔、頂板梳狀定向平面布置圖見圖3。業(yè)出圖3高位定向鉆孔平面布置圖鉆孔在水平面上布置：根據(jù)上隅角瓦斯治理布孔經(jīng)驗(yàn)，在寬度為150m的工作面， 鉆

15、孔覆蓋整個(gè)工作面回風(fēng)巷一側(cè)區(qū)域，因此鉆孔主延伸方向平行于回風(fēng)巷，2個(gè)鉆孔分 別距離回風(fēng)巷55m、70m （即鉆孔平行間距為15m）。鉆孔在垂直面上布置：根據(jù)上隅角瓦斯治理布孔經(jīng)驗(yàn)，1203工作面采高為34m， 在垂直面上鉆孔主延伸平行于工作面走向，鉆孔層位距煤層頂板垂距分別為30m、35m， 該層位為穩(wěn)定砂巖地層。鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，鉆孔軌跡設(shè)計(jì)剖面見圖4、鉆孔軌跡設(shè)計(jì)平面圖見圖5。表1鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表孔號(hào)開孔傾角開孔方位終孔方位平面主延伸3#18338348.61203回風(fēng)巷左側(cè)平距55m4#18335348.61203回風(fēng)巷左側(cè)平距70m12#12#杯頊廄圖4鉆孔軌跡設(shè)計(jì)剖面圖圖5鉆孔軌跡設(shè)

16、計(jì)平面圖(2)鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鉆孔為二級(jí)結(jié)構(gòu)，終孔孔徑中120mm，孔深500m。詳細(xì)設(shè)計(jì)如下:一級(jí)孔徑中250mm，孔深9m，便于下入中200mm套管，二級(jí)定向孔徑中120mm 至終孔。套管長(zhǎng)度：下入O200mm鋼質(zhì)套管，深度9m。孔口安全裝置：孔口連接氣水分離器，并和瓦斯抽采管路連接。3.1.3施工工藝（1）開孔開孔采用普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝施工，主要目的是安裝孔口管和孔口四通及氣水分離器， 并連接抽采系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)邊鉆進(jìn)邊抽采，防止鉆孔施工過程中瓦斯超限。先導(dǎo)孔采用“120mmPDC鉆頭+89mm高韌性大通徑寬翼片螺旋鉆桿”鉆具組合， 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至15m；二次擴(kuò)孔采用“153mm/120mmPDC擴(kuò)孔鉆

17、頭+89mm高韌性大通徑寬翼片螺旋鉆 桿”鉆具組合，回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔鉆進(jìn)至10m；三次擴(kuò)孔采用“250mm/153mmPDC擴(kuò)孔鉆頭+89mm高韌性大通徑寬翼片螺旋鉆 桿”鉆具組合，回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔鉆進(jìn)至9.5m。按設(shè)計(jì)要求下入直徑200mm套管9m，并采用兩堵一注方式進(jìn)行注漿固管。（2）定向鉆進(jìn)定向鉆進(jìn)主要采用滑動(dòng)鉆進(jìn)工藝，同時(shí)，在鉆孔軌跡參數(shù)變化較小孔段，可以采取 復(fù)合鉆進(jìn)工藝。采用的定向鉆具組合為：“120mmPDC鉆頭+89mm孔底馬達(dá)+89mm無(wú)磁鋼 鉆具+89mm通纜鉆桿”施工至設(shè)計(jì)孔深。3.2頂板梳狀定向鉆孔方案設(shè)計(jì)12煤層硬度較好，但煤層破碎有泥巖夾砰，不滿足本煤層定向鉆進(jìn)施工要求適用性 條件

18、；因此，采用煤層瓦斯預(yù)抽定向鉆孔采用頂板梳狀孔模式進(jìn)行試驗(yàn)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)； 同時(shí)將主孔布置在穩(wěn)定巖層，可避免因煤層順層孔塌孔導(dǎo)致瓦斯抽采通道堵塞，提高抽 采效果。梳狀孔盡可能選用“后退式”施工分支孔，分支進(jìn)入煤層后，視煤質(zhì)條件盡可 能增加進(jìn)尺。其風(fēng)險(xiǎn)主要表現(xiàn)在：煤層塌孔導(dǎo)致鉆進(jìn)難、火成侵入巖影響施工難度、主 孔遇硬巖開分支。3.2.1鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)在3.1.1設(shè)計(jì)的高位定向鉆場(chǎng)內(nèi)開展頂板梳狀定向鉆孔施工，無(wú)需另建鉆場(chǎng)。3.2.2鉆孔設(shè)計(jì)（1）鉆孔布置本方案在已設(shè)計(jì)的高位定向鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)2個(gè)頂板梳狀定向長(zhǎng)鉆孔，開孔位置距離煤層頂板距離約為6m。鉆場(chǎng)內(nèi)布置2個(gè)鉆孔，分別為1#、2#鉆孔，單孔主孔設(shè)計(jì)孔深500m, 開分支若干，頂板梳狀定向平面布置圖見圖3。鉆孔在水平面上布置：1#、2#主孔開孔方位355、340，左右位移6m、-9m，鉆 孔主延伸方向平行于回風(fēng)巷，平距為15m。鉆孔在垂直面上布置：主孔開孔傾角0，鉆孔主孔延伸距煤層頂板垂距約為6m， 該層位為穩(wěn)定砂巖地層。頂板梳狀鉆孔軌跡剖面設(shè)計(jì)示意見圖6