定向钻探技术在磷矿地采探放水施工中的应用

定向钻探技术在磷矿地采探放水施工中的应用

李成1 徐发伟2

1云南磷化集团工程建设有限公司 云南 昆明 650600

2云南磷化集团有限公司昆阳磷矿 云南 昆明 650600

摘要：定向钻探和常规钻探结合技术的应用是地采老空水害防治的重要技术，是解决矿井老空水害、实现安全高效矿井的重要手段，在查明充水水源、导水通道和水害治理工作中起着重要作用，具有很好的推广应用前景。当前，随着我国经济社会的不断发展，磷矿资源需求越来越多，为了杜绝开采事故时有发生。从磷矿地下开采本身出发进行分析，引起事故之一的水害主要原因有：水文因素和操作因素。水文因素属于自然因素，随着降水量的不断增加，环境发生着改变，造成地下含水量越来越多，直接影响磷矿地下开采的效率和进度；操作因素属于人为因素，在实际工程开展过程中，施工人员的操作方法不当，导致安全事故发生的概率大大增加，明确事故发生的原因之后，就要采取相应的解决办法。

关键词：定向钻探技术；磷矿地下开采探放水；施工应用

引言

磷矿层底板突水事故是磷矿井下开采过程中常见灾害之一，特别是对水文地质条件复杂、井下涌水量大的矿井，底板突水问题严重威胁着矿井安全开采。因此，在磷矿井下开采过程中，必须提前采取有效的防治水措施来确保矿井安全开采。近年来，随着磷矿矿井下开采深度不断增加，防治水难度也在不断增大。

1定向钻探技术特点

定向钻探技术是采用现代化千米钻机进行超前探测钻孔施工，泥浆泵提供的高压水进入孔底驱动马达提供钻进动力，实现钻头旋转切削磷岩层。施工时随钻测量系统实时采集钻孔轨迹、弯角、方位角等技术参数，对测量数据进行处理、显示，形成钻孔实钻轨迹，并控制螺杆旋转角度来调整钻孔轨迹。磷矿井下定向钻探施工关键技术主要为轨迹控制、开分支、层位控制及复合钻进等技术。注浆技术的发展历史较长，但是前期的研究都处于初级阶段，为定向钻探注浆技术做了良好的铺垫作用。注浆技术的使用只涉及磷矿开采的其中一个方面，为了可以提高注浆技术的安全性和质量性，现阶段提出将注浆技术与定向技术相结合，加强注浆效果。定向钻探注浆技术的特点体现在：将制备好的泥浆通过定向管道技术，将泥浆输送到相应的岩体内，提高岩体层底部的坚固性和稳定性。这种主要是通过物力的方法加强岩体层的硬度，使岩体层的密实性良好，起到很好的阻水作用。

2定向钻探技术在磷矿地下开采探放水施工中的应用

2.1配浆材料及分段钻井液设计

根据钻孔穿越地层的特点及钻孔结构条件，钻孔开始在冲积层中钻进时，因冲积层主要由黄土、黏土及薄层砾石组成，其岩性较软，在进行钻进作业过程中容易出现钻孔塌孔、泥土包裹钻头等现象。在薄层基岩中进行造斜钻进施工时，因基岩段的岩层主要由砂岩和砂质泥岩互层组成，而在顺层分支段进行钻进施工时，因钻孔沿着灰岩顺层进行长距离钻进施工，以上情况均要求钻井液具有极高的流变、抑制和润滑性能。对于存在高承压底板富含水层工作面开采前，采用地面多分支定向钻探注浆技术配合“绿色”钻井液技术对磷矿层底板进行治理，能够有效提高工作面磷矿层底板岩层状况，降低工作面开采过程中发生突水危险性系数，保障工作面安全回采。地面多分支定向钻孔采用主孔与顺层分支钻孔相配合的设计施工方式，能够将工作面矿层底板受水害威胁的区域范围进行全部覆盖，同时能有效减少无效孔区段的钻探工程量，提高了钻探效率，降低了钻孔施工成本。合理设计选取“绿色”钻井液配方并实行分段钻井液施工，可解决钻探施工过程中因地层条件复杂易出现钻具卡阻、钻孔塌孔、钻探施工难度大等问题，降低钻探施工对周围环境破坏影响。

2.2钻孔布置参数

以昆阳某磷矿二矿为例分析，该矿井2303回风顺槽主要担负着工作面回风任务，巷道设计长度为790m，巷道掘进断面规格为宽×高=4.5m×3.5m。2303回风顺槽采用综合机械化掘进工艺，截止目前巷道已掘进210m，通过地面物探以及钻探发现，在2303回风顺槽上覆50m范围内存在积水异常区，经查明为裂隙含水层，预计总积水量为3587m3，积水区主要集中在320~440m段，巷道掘进前期主要采用超前钻探方式水害排查，但是通过实际应用来看，达不到预期防治水效果。1）根据2303回风顺槽钻探资料显示，上覆积水区与巷道垂高在40~50m范围内，巷道直接顶主要以炭质泥岩为主，基本顶主要以砂质泥岩为主，岩体裂隙发育，为了防止巷道掘进期间出现顶板透水事故，决定在巷道210m处布置钻场，钻场内布置4个钻孔，钻孔编号为1号、2号、3号、4号，钻孔设计深度为350m，如图1所示。

孔深/m

图1定向钻孔轨迹示意图

2）钻孔开口位置距顶板间距为1.2m，钻孔间距为1.5m，钻孔前200m以6°仰角进行施工，当钻孔钻进200m后逐渐降低钻孔角度，当钻孔钻至积水区时钻孔仰角变为2°，钻孔钻进期间利用随钻系统随时观察钻孔钻进情况，发现钻孔偏离设计轨迹时及时调整钻孔方位角。3）22403回风顺槽施工的定向钻孔采用变径的方式进行封孔施工，钻孔扩孔深度为18m，首先采用导向钻头进行施工，施工深度达18m后采用扩孔钻头进行施工，扩孔段直径分别为133mm和153mm，钻孔变径扩孔到位后对扩孔段安装直径为127mm孔口管，每节孔口管长度为3.0m，共计安装6根，孔口管安装到位后采用油井水泥进行封孔处理，同时对封孔段采用注水耐压试验。2303回风顺槽采用定向钻探技术后，4个钻孔共计放水量为3566m

3，于预计积水量基本相符，巷道在后期掘进过程中局部出现顶板淋水现象，但最大淋水量不足0.5m3/h，对巷道掘进影响不大，基本消除上覆含水层水害影响，保证巷道安全掘进。

2.3采用定向钻探技术注意事项

采用定向钻探技术必须注意以下事项：钻孔施工前必须对钻场间加固，当钻孔壁围岩破碎严重时需岩壁采取注浆加固，在钻场附近必须施工临时水仓并安装配套设施；钻孔施工时必须由防治水专业技术人员现场指导，钻孔开口位置、钻孔深度、倾角等参数必须符合设计要求；钻孔施工过程中应准确测量钻孔钻进深度以及观测地层岩性，施工期间若发现顶钻现象时应立即停止钻机，但不得拔出钻杆。

2.4大直径流量连接结构中的应用

一般情况下，大直径在350～500ｍｍ，代表磷矿层开采的内径。这种大直径流量一方面便于磷矿地采排水系统的建立，另一方面可以加深钻井深度。随着相关研究人员和企业的投入和努力，可以利用气动钻井技术完成工程实施，而且实施质量有所保障，为了能够加快该技术的普及运用，需要进一步增加对该技术的资金投入，使该技术的使用更加系统、全面，提高整体开采技术水平。

结语

总而言之，磷矿开采行业作为国家的主要资源支柱和地方经济支柱，必须要加强对磷矿开采的技术管理和安全管理，一方面可以提高磷矿开采的质量，另一方面能够保障施工人员的安全，为磷矿地下开采行业健康发展奠定基础。水害是影响磷矿地下开采效率的主要原因之一，需要加强对定向钻探注浆技术的应用研究，从实际需求出发，寻找水害发生的规律，降低水害发生的概率，为保障磷矿地采行业可持续发展提供有力支持。

参考文献

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[4]金伟.定向钻探技术在疏放老空水中的应用[J].煤炭科技，2020（2）：61-64.