煤礦定向鉆進試驗技術方案

1、遼寧*能源集團*煤礦ZDY12000LD瓦斯抽采定向長鉆孔方案設計委托單位：遼寧*能源集團*煤礦 TOC o 1-5 h z 1目的和任務12煤礦地質情況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工作面地質構造2 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 2.4水文地質情況3 HYPERLINK

2、 l bookmark22 o Current Document 2.5以往相關工作33技術方案3 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 3.1頂板高位定向鉆孔設計方案4 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 3.1.1鉆場設計4 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 3.1.2鉆孔設計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計方案7 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 3.2.1鉆場設計7 HYPERLINK l bookmark65 o Current Document 3.2.2鉆孔設計7 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 3.2.3施工工藝91目的和任務2018年7月6日，遼寧*集團與中煤科工集團西安研究院有限公司（以下簡稱“西安 院”），按照遼寧工程招標有限公司在*煤業(yè)集團物資供應分公司議標結果，約定采購兩 臺套ZDY12000LD定向鉆機及配套設備，由西安院在*煤

4、礦1203工作面施工2個試驗 鉆孔，包括1個頂板高位定向長鉆孔及1個梳狀孔作為考核，主孔孔深均為500m?？己?指標完成，簽訂設備采購合同，再由西安院輔助*集團操作人員指導完成后續(xù)2個定向 鉆孔施工。2煤礦地質情況2.1礦井概況*煤礦位于遼寧省北部的調兵山市，東距鐵嶺市35km，西距法庫縣城15km，西北 距康平縣城44km，南距省城沈陽90km，*煤礦位置交通圖見圖1。東部有長（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，交通運輸十分便利。礦井生產能力300 x104t，服務年限89.5年，采用堅井開拓，采煤方法采

5、用走向長壁 和傾斜長壁兩種方式，開采水平分-600m和-800m兩個水平。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泥巖。煤層硬度較好，但膠結性差，易破碎。工作面煤層 結構復雜，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。根據掘進期間選煤廠煤質化驗結果，預計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個月，煤塵爆炸指數為23.59%。12煤層上 部小范圍內發(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，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，成份以石英長石為主，泥質膠結，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，泥質膠結，厚度一般為2.88m，硬度為4。底板：以粉砂巖為主，泥質膠結，厚度一般為0.78m，硬度為4。12煤層上部30m范圍內地質柱狀圖見圖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,砂質肢結。粉砂巖深AE.,成份日有毛、長而為,俱爬檢擴”細砂者既芭，.古伯以.fl金、|5|內上，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、長百為I U粗砂者A.rite-成份以七英、任石為王,肢結松散.粉砂者灤玉色.H份以石革、長節(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.呂部號卬的巖u煤層

8、黑色，殼煤，煤質較好，破碎。粉砂者深灰色，源廟眩結、黑色，聲煤，姑.底較奸，礎6卒.12煤層上部30m范圍內地質柱狀圖圖21203工作面地質構造*煤礦1203工作面煤巖形態(tài)總體為一單斜構造，煤層產狀為193243/610。根據地質鉆孔和工作面掘進實見資料，本工作面斷層構造復雜。工作面東側發(fā)育有 F15-1和fN2-3號斷層，斷層產狀分別為：268N40H=014m、112N45H=07m，其 中F15-1號斷層在回順掘進至987m時實見，斷層落差2.7m,對工作面回采有一定影響； 工作面西側發(fā)育有F44、fN2-2、fN2-9、fN2-10、fN2-11號斷層，運順掘進至471m實見F44 號

9、斷層，斷層產狀為70Z50H=40m，未發(fā)育到工作面內，對回采無影響，fN2-2、fN2-9、 fN2-10、fN2-11號斷層為F44號斷層的分支斷層，分別在運順728m、884m、896、1108m 實見，落差分別為1.0m、3.2m、1.8、2.3m，這4條小斷層對工作面回采有一定影響；工 作面北側為F15號邊界斷層，斷層產狀為222N60H=3050m，工作面掘進期間未實見， 但在回順730m處實見其分支斷層，產狀為209Z63H=2.0m，預計對工作面回采有一定 影響。2.4水文地質情況本工作面水文地質條件復雜，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“三帶”觀測資料預計 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，經論證地表積 水對回采無威脅。該區(qū)域斷層構造復雜，裂隙發(fā)育，局部煤層頂板會有淋水現象。預計 工作面回采期間最大涌水量為60m3/h （含充填水）。2.5以往相關工作目前*煤礦主要使用西安院生產的ZDY3500LP型鉆機及重慶院3200型鉆機，采用的 鉆桿為中73mmx1.5m三棱鉆桿，配套中94mm三翼復合片鉆頭。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：采用“ O73mmx1.5m三棱鉆桿+例4mmPD C鉆頭”鉆具組合，以水為 沖洗介質，孔深90m左右，單班進尺90m，鉆進過程中存在少量塌孔現象。高位巖孔鉆進：采用同樣鉆具組合，鉆進開孔位置為煤層頂板上部6m左右，以水為 沖洗介質，孔深150m左右，單班進尺7080m，返渣為小顆粒狀，鉆進平穩(wěn)，塌孔現象 較少。3方案設計通過前期實地勘察及調研，*煤礦擬選用ZDY12000LD型定向鉆機及其配套鉆具， 主要進行頂板高位定向長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計*煤礦1203工作面頂板上部巖層以砂巖為主，礦方采用常規(guī)回轉鉆進效率約80m/ 班，且塌孔次數少，鉆進

12、平穩(wěn)。大直徑高位定向長鉆孔施工采用定向鉆進，成孔幾率較 大。其風險主要表現在：孔口段煤層破碎塌孔、局部斷層構造和火成巖侵入地區(qū)影響。3.1.1鉆場設計鉆場鉆場頂底平整，以便鉆機穩(wěn)固，出于安全考慮，鉆場頂板和邊幫應進行掛網噴漿； 為了便于鉆孔施工，鉆孔開孔所在迎頭須平整，無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，保證鉆場應用深度不小 于10m(鉆進方向)，鉆孔開孔所在迎頭寬度6m，高度3m，即鉆場尺寸為10mx6mx3m。供電通訊ZDY12000LD型鉆車的電動機額定功率132kw，額定電壓660V/1140V； BLY390/12 型泵車的電

13、動機額定功率110kw，額定電壓660V/1140V，總功率N300kW。防爆計算機接電：額定電壓127V。場地必須有良好照明。同時，要求鉆場設置一部電話，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)定并保證盡可能長的工作壽命，施工中采用清水作為沖 洗介質，要求供水量QminN25m3/h，排水量QminN25m3/h，并配備排水泵及時排水。排渣由于定向鉆進深度大，孔徑120mm，總進尺量也較大，鉆孔產生的煤渣量較大， 因此鉆場須具有及時將煤渣運走的能力。通風在鉆場所在硐室設置通風口，并保證足夠的風量；在鉆場安裝瓦斯抽采管路，定向 鉆施工過程中利用氣液分離器抽排瓦斯，并在鉆場所在硐室安

14、裝瓦斯?jié)舛忍綔y傳感器， 實時監(jiān)測鉆場作業(yè)環(huán)境內瓦斯?jié)舛茸兓?.1.2鉆孔設計(1)鉆孔布置1203工作面長度約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)鉆進方式在距離停采線約500m以前位置施工了數組高位孔，因此本 方案只設計1個鉆場，鉆場布置在1203工作面回風巷，距離煤層頂板約6m。鉆場布置2個高位鉆孔，2個頂板梳狀鉆孔，單孔設計孔深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：根據上隅角瓦斯治理布孔經驗，在寬度為150m的工作面， 鉆

15、孔覆蓋整個工作面回風巷一側區(qū)域，因此鉆孔主延伸方向平行于回風巷，2個鉆孔分 別距離回風巷55m、70m （即鉆孔平行間距為15m）。鉆孔在垂直面上布置：根據上隅角瓦斯治理布孔經驗，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。鉆孔設計參數見表1，鉆孔軌跡設計剖面見圖4、鉆孔軌跡設計平面圖見圖5。表1鉆孔設計參數表孔號開孔傾角開孔方位終孔方位平面主延伸3#18338348.61203回風巷左側平距55m4#18335348.61203回風巷左側平距70m12#12#杯頊廄圖4鉆孔軌跡設計剖面圖圖5鉆孔軌跡設

16、計平面圖(2)鉆孔結構設計鉆孔為二級結構，終孔孔徑中120mm，孔深500m。詳細設計如下:一級孔徑中250mm，孔深9m，便于下入中200mm套管，二級定向孔徑中120mm 至終孔。套管長度：下入O200mm鋼質套管，深度9m?？卓诎踩b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鉆進工藝施工，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)，實現邊鉆進邊抽采，防止鉆孔施工過程中瓦斯超限。先導孔采用“120mmPDC鉆頭+89mm高韌性大通徑寬翼片螺旋鉆桿”鉆具組合， 回轉鉆進至15m；二次擴孔采用“153mm/120mmPDC擴孔鉆

17、頭+89mm高韌性大通徑寬翼片螺旋鉆 桿”鉆具組合，回轉擴孔鉆進至10m；三次擴孔采用“250mm/153mmPDC擴孔鉆頭+89mm高韌性大通徑寬翼片螺旋鉆 桿”鉆具組合，回轉擴孔鉆進至9.5m。按設計要求下入直徑200mm套管9m，并采用兩堵一注方式進行注漿固管。（2）定向鉆進定向鉆進主要采用滑動鉆進工藝，同時，在鉆孔軌跡參數變化較小孔段，可以采取 復合鉆進工藝。采用的定向鉆具組合為：“120mmPDC鉆頭+89mm孔底馬達+89mm無磁鋼 鉆具+89mm通纜鉆桿”施工至設計孔深。3.2頂板梳狀定向鉆孔方案設計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施工要求適用性 條件

18、；因此，采用煤層瓦斯預抽定向鉆孔采用頂板梳狀孔模式進行試驗，降低施工風險； 同時將主孔布置在穩(wěn)定巖層，可避免因煤層順層孔塌孔導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，分支進入煤層后，視煤質條件盡可 能增加進尺。其風險主要表現在：煤層塌孔導致鉆進難、火成侵入巖影響施工難度、主 孔遇硬巖開分支。3.2.1鉆場設計在3.1.1設計的高位定向鉆場內開展頂板梳狀定向鉆孔施工，無需另建鉆場。3.2.2鉆孔設計（1）鉆孔布置本方案在已設計的高位定向鉆場內設計2個頂板梳狀定向長鉆孔，開孔位置距離煤層頂板距離約為6m。鉆場內布置2個鉆孔，分別為1#、2#鉆孔，單孔主孔設計孔深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計示意見圖6