煤矿定向钻进试验技术方案

1、辽宁*能源集团*煤矿ZDY12000LD瓦斯抽采定向长钻孔方案设计委托单位：辽宁*能源集团*煤矿 TOC o 1-5 h z 1目的和任务12煤矿地质情况1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 2.1矿井概况1 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 2.2煤层情况2 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 2.3 1203工作面地质构造2 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 2.4水文地质情况3 HYPERLINK

2、 l bookmark22 o Current Document 2.5以往相关工作33技术方案3 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 3.1顶板高位定向钻孔设计方案4 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 3.1.1钻场设计4 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 3.1.2钻孔设计4 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 3.1.3施工工艺7 HYPERLINK l bookmark59 o Current

3、 Document 3.2顶板梳状定向钻孔设计方案7 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 3.2.1钻场设计7 HYPERLINK l bookmark65 o Current Document 3.2.2钻孔设计7 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 3.2.3施工工艺91目的和任务2018年7月6日，辽宁*集团与中煤科工集团西安研究院有限公司（以下简称“西安 院”），按照辽宁工程招标有限公司在*煤业集团物资供应分公司议标结果，约定采购两 台套ZDY12000LD定向钻机及配套设备，由西安院在*煤

4、矿1203工作面施工2个试验 钻孔，包括1个顶板高位定向长钻孔及1个梳状孔作为考核，主孔孔深均为500m。考核 指标完成，签订设备采购合同，再由西安院辅助*集团操作人员指导完成后续2个定向 钻孔施工。2煤矿地质情况2.1矿井概况*煤矿位于辽宁省北部的调兵山市，东距铁岭市35km，西距法库县城15km，西北 距康平县城44km，南距省城沈阳90km，*煤矿位置交通图见图1。东部有长（春）一 大（连）铁路，可由铁岭车站直通该矿区，并且在矿区各煤矿均有矿用铁路线相连。另 外该区有沥青路面公路多条，四通八达，交通运输十分便利。矿井生产能力300 x104t，服务年限89.5年，采用坚井开拓，采煤方法采

5、用走向长壁 和倾斜长壁两种方式，开采水平分-600m和-800m两个水平。图1 *煤矿位置交通图2.2煤层情况12煤层厚度在3.025.13m之间，一般为4.12m。煤层呈黑色，以亮煤为主，暗煤次之，局部煤层中夹薄层炭质泥岩。煤层硬度较好，但胶结性差，易破碎。工作面煤层 结构复杂，含夹石15层，夹石岩性以泥岩、粉砂岩为主，厚度在0.21.20m左右。根据掘进期间选煤厂煤质化验结果，预计工作面原煤全水分为8.1%，灰分为35.27%， 发热量为4200卡/克。煤层自燃发火期13个月，煤尘爆炸指数为23.59%。12煤层上 部小范围内发育有12-1煤层，煤厚1.09m，与12煤层间距为0.85m；

6、工作面下邻13煤层，未采动，一般煤厚为2.66m，与12煤层间距在4.6119.43m之间，一般为12.88m。层，老顶：岩性以粗砂岩和中砂岩为主，灰白色，成份以石英长石为主，泥质胶结，松散，厚度为散，厚度为6.32m左右，硬度为5。直接顶：以粉砂岩为主，深灰色，泥质胶结，厚度一般为2.88m，硬度为4。底板：以粉砂岩为主，泥质胶结，厚度一般为0.78m，硬度为4。12煤层上部30m范围内地质柱状图见图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 -粉砂岩及自，市份以.h英、IWI为工，泥族腔节。粗砂岩灰白色，分选不好,砂质肢结。粉砂岩深AE.,成份日有毛、长而为,俱爬检扩”细砂者既芭，.古伯以.fl金、|5|内上，泥厢腔玷粉砂岩深芯从悄以石茧、H石为中，混庙愤始-中砂宥灰白色，削，百英、长百为I U粗砂者A.rite-成份以七英、任石为王,肢结松散.粉砂者滦玉色.H份以石革、长节为I ,江市傍站U黑巳，由羌煤取暗焊组或，合薄丘:泥宕，局 部曰主石Ji为:LET焊U 耕砂岩勿芭.尼市肢拮.吕部号卬的岩u煤层

8、黑色，壳煤，煤质较好，破碎。粉砂者深灰色，源庙眩结、黑色，声煤，姑.底较奸，础6卒.12煤层上部30m范围内地质柱状图图21203工作面地质构造*煤矿1203工作面煤岩形态总体为一单斜构造，煤层产状为193243/610。根据地质钻孔和工作面掘进实见资料，本工作面断层构造复杂。工作面东侧发育有 F15-1和fN2-3号断层，断层产状分别为：268N40H=014m、112N45H=07m，其 中F15-1号断层在回顺掘进至987m时实见，断层落差2.7m,对工作面回采有一定影响； 工作面西侧发育有F44、fN2-2、fN2-9、fN2-10、fN2-11号断层，运顺掘进至471m实见F44 号

9、断层，断层产状为70Z50H=40m，未发育到工作面内，对回采无影响，fN2-2、fN2-9、 fN2-10、fN2-11号断层为F44号断层的分支断层，分别在运顺728m、884m、896、1108m 实见，落差分别为1.0m、3.2m、1.8、2.3m，这4条小断层对工作面回采有一定影响；工 作面北侧为F15号边界断层，断层产状为222N60H=3050m，工作面掘进期间未实见， 但在回顺730m处实见其分支断层，产状为209Z63H=2.0m，预计对工作面回采有一定 影响。2.4水文地质情况本工作面水文地质条件复杂，老顶粗砂岩为微弱承压直接充水含水层，含孔隙水、 裂隙水。工作面上部为北二

10、902、北二903采空区，采空区内不具备积水条件，且12煤层 与9煤层间距较大，在84.24110.03m之间，一般为95.99m，根据“三带”观测资料预计 本工作面不受采空区积水威胁；另外，地表沉陷区中有积水70.91x104m3，经论证地表积 水对回采无威胁。该区域断层构造复杂，裂隙发育，局部煤层顶板会有淋水现象。预计 工作面回采期间最大涌水量为60m3/h （含充填水）。2.5以往相关工作目前*煤矿主要使用西安院生产的ZDY3500LP型钻机及重庆院3200型钻机，采用的 钻杆为中73mmx1.5m三棱钻杆，配套中94mm三翼复合片钻头。瓦斯抽采钻孔方式主要有 本煤层和高位岩孔两种。本煤

11、层钻进：采用“ O73mmx1.5m三棱钻杆+例4mmPD C钻头”钻具组合，以水为 冲洗介质，孔深90m左右，单班进尺90m，钻进过程中存在少量塌孔现象。高位岩孔钻进：采用同样钻具组合，钻进开孔位置为煤层顶板上部6m左右，以水为 冲洗介质，孔深150m左右，单班进尺7080m，返渣为小颗粒状，钻进平稳，塌孔现象 较少。3方案设计通过前期实地勘察及调研，*煤矿拟选用ZDY12000LD型定向钻机及其配套钻具， 主要进行顶板高位定向长钻孔施工和顶板梳状定向钻孔施工。3.1顶板高位定向钻孔方案设计*煤矿1203工作面顶板上部岩层以砂岩为主，矿方采用常规回转钻进效率约80m/ 班，且塌孔次数少，钻进

12、平稳。大直径高位定向长钻孔施工采用定向钻进，成孔几率较 大。其风险主要表现在：孔口段煤层破碎塌孔、局部断层构造和火成岩侵入地区影响。3.1.1钻场设计钻场钻场顶底平整，以便钻机稳固，出于安全考虑，钻场顶板和边帮应进行挂网喷浆； 为了便于钻孔施工，钻孔开孔所在迎头须平整，无影响布置钻孔的干扰体，硐室底板须 浇注厚度N30cm的混凝土浆。在施工过程中可能需占用巷道，保证钻场应用深度不小 于10m(钻进方向)，钻孔开孔所在迎头宽度6m，高度3m，即钻场尺寸为10mx6mx3m。供电通讯ZDY12000LD型钻车的电动机额定功率132kw，额定电压660V/1140V； BLY390/12 型泵车的电

13、动机额定功率110kw，额定电压660V/1140V，总功率N300kW。防爆计算机接电：额定电压127V。场地必须有良好照明。同时，要求钻场设置一部电话，方便井下和地面联系。供水排水为了确保螺杆钻具的性能稳定并保证尽可能长的工作寿命，施工中采用清水作为冲 洗介质，要求供水量QminN25m3/h，排水量QminN25m3/h，并配备排水泵及时排水。排渣由于定向钻进深度大，孔径120mm，总进尺量也较大，钻孔产生的煤渣量较大， 因此钻场须具有及时将煤渣运走的能力。通风在钻场所在硐室设置通风口，并保证足够的风量；在钻场安装瓦斯抽采管路，定向 钻施工过程中利用气液分离器抽排瓦斯，并在钻场所在硐室安

14、装瓦斯浓度探测传感器， 实时监测钻场作业环境内瓦斯浓度变化。3.1.2钻孔设计(1)钻孔布置1203工作面长度约1668m，宽度为150m，目前已回采807m左右，剩余861m，由于矿方已使用常规钻进方式在距离停采线约500m以前位置施工了数组高位孔，因此本 方案只设计1个钻场，钻场布置在1203工作面回风巷，距离煤层顶板约6m。钻场布置2个高位钻孔，2个顶板梳状钻孔，单孔设计孔深500m。3#、4#顶板高位定向钻孔、顶板梳状定向平面布置图见图3。定向钻孔、顶板梳状定向平面布置图见图3。业出图3高位定向钻孔平面布置图钻孔在水平面上布置：根据上隅角瓦斯治理布孔经验，在宽度为150m的工作面， 钻

15、孔覆盖整个工作面回风巷一侧区域，因此钻孔主延伸方向平行于回风巷，2个钻孔分 别距离回风巷55m、70m （即钻孔平行间距为15m）。钻孔在垂直面上布置：根据上隅角瓦斯治理布孔经验，1203工作面采高为34m， 在垂直面上钻孔主延伸平行于工作面走向，钻孔层位距煤层顶板垂距分别为30m、35m， 该层位为稳定砂岩地层。钻孔设计参数见表1，钻孔轨迹设计剖面见图4、钻孔轨迹设计平面图见图5。表1钻孔设计参数表孔号开孔倾角开孔方位终孔方位平面主延伸3#18338348.61203回风巷左侧平距55m4#18335348.61203回风巷左侧平距70m12#12#杯顼厩图4钻孔轨迹设计剖面图图5钻孔轨迹设

16、计平面图(2)钻孔结构设计钻孔为二级结构，终孔孔径中120mm，孔深500m。详细设计如下:一级孔径中250mm，孔深9m，便于下入中200mm套管，二级定向孔径中120mm 至终孔。套管长度：下入O200mm钢质套管，深度9m。孔口安全装置：孔口连接气水分离器，并和瓦斯抽采管路连接。3.1.3施工工艺（1）开孔开孔采用普通回转钻进工艺施工，主要目的是安装孔口管和孔口四通及气水分离器， 并连接抽采系统，实现边钻进边抽采，防止钻孔施工过程中瓦斯超限。先导孔采用“120mmPDC钻头+89mm高韧性大通径宽翼片螺旋钻杆”钻具组合， 回转钻进至15m；二次扩孔采用“153mm/120mmPDC扩孔钻

17、头+89mm高韧性大通径宽翼片螺旋钻 杆”钻具组合，回转扩孔钻进至10m；三次扩孔采用“250mm/153mmPDC扩孔钻头+89mm高韧性大通径宽翼片螺旋钻 杆”钻具组合，回转扩孔钻进至9.5m。按设计要求下入直径200mm套管9m，并采用两堵一注方式进行注浆固管。（2）定向钻进定向钻进主要采用滑动钻进工艺，同时，在钻孔轨迹参数变化较小孔段，可以采取 复合钻进工艺。采用的定向钻具组合为：“120mmPDC钻头+89mm孔底马达+89mm无磁钢 钻具+89mm通缆钻杆”施工至设计孔深。3.2顶板梳状定向钻孔方案设计12煤层硬度较好，但煤层破碎有泥岩夹砰，不满足本煤层定向钻进施工要求适用性 条件

18、；因此，采用煤层瓦斯预抽定向钻孔采用顶板梳状孔模式进行试验，降低施工风险； 同时将主孔布置在稳定岩层，可避免因煤层顺层孔塌孔导致瓦斯抽采通道堵塞，提高抽 采效果。梳状孔尽可能选用“后退式”施工分支孔，分支进入煤层后，视煤质条件尽可 能增加进尺。其风险主要表现在：煤层塌孔导致钻进难、火成侵入岩影响施工难度、主 孔遇硬岩开分支。3.2.1钻场设计在3.1.1设计的高位定向钻场内开展顶板梳状定向钻孔施工，无需另建钻场。3.2.2钻孔设计（1）钻孔布置本方案在已设计的高位定向钻场内设计2个顶板梳状定向长钻孔，开孔位置距离煤层顶板距离约为6m。钻场内布置2个钻孔，分别为1#、2#钻孔，单孔主孔设计孔深500m, 开分支若干，顶板梳状定向平面布置图见图3。钻孔在水平面上布置：1#、2#主孔开孔方位355、340，左右位移6m、-9m，钻 孔主延伸方向平行于回风巷，平距为15m。钻孔在垂直面上布置：主孔开孔倾角0，钻孔主孔延伸距煤层顶板垂距约为6m， 该层位为稳定砂岩地层。顶板梳状钻孔轨迹剖面设计示意见图6