基于井下定向钻孔的矿井地质异常体探查方法与应用

地质异常体是矿井灾害发生的主要隐蔽致灾因素,井下钻探工程是进行地质异常体探查、验证和治理的重要技术手段。针对常规钻孔探查距离短、精度低,且易存在探查盲区的不足,介绍了采用井下定向钻孔进行地质异常体探查的方案。总结地质异常体空间形态、岩性和钻探等识别特征,给出探查定向钻孔轨迹布设原则,得到基于定向钻孔的地质异常点和地质异常体空间计算定位方法,并从钻孔布设间距、钻孔轨迹测控精度、地层和地质异常识别精度、地质异常体发育规模等方面分析定向钻孔探查精度影响因素与解决方法。在焦作赵固二矿和宁东梅花井煤矿开展地质异常体探查试验,采用主孔与分支孔结合实现巷道条带煤层稳定性探查,探查距离达到621 m;采用定向钻孔群实现工作面充水水源区域探查,单孔最大出水量为10.2 m3/h,并对充水水源进行了疏放。试验结果表明,井下定向钻孔具有探查精度高、距离远等优点,实现地质异常体精确定位,为矿井灾害事故防治提供技术保障。      

封闭不良钻孔的井上下综合探查和治理

封闭不良钻孔可能沟通煤层顶底板含水层,使其成为煤层的直接充水水源,从而影响煤矿的安全生产。为了消除封闭不良钻孔的威胁,预防水害事故的发生,介绍了井上的地面启封技术,提出了井下的"包围式"钻探工作探查治理措施。结果表明,在地面启封工作无法完成的情况下,井下的钻探探查工作效果显著,可大致圈定封闭不良钻孔的范围以及探明钻孔周边的富水异常区,为之后的注浆治理工作提供了依据。     

基于改进型突水系数法治理底板奥灰水害技术

针对渭北煤田下组煤底板超薄隔水层条件下,煤层开采过程中底板奥灰水害防治技术难题,依托渭北煤田韩城矿区桑树坪煤矿奥灰水害治理课题,基于煤矿井下近水平定向钻进技术,提出底板奥灰岩层顶部利用与注浆改造的防治水思路。(1) 考虑底板破坏带失去阻水能力的因素,结合突水系数法确定奥灰顶部利用与注浆改造的临界厚度,采取自工作面两端相向钻进的方式开展定向钻孔探查,依据探查情况,结合压水试验结果,确定钻孔注浆工艺及参数,分析注浆效果。(2) 采用地面三维地震、地面瞬变电磁探查采区低阻异常和构造发育情况,采用直流电法或瞬变电磁探查巷道工作面前方富水区,待巷道系统形成后,采用直流电法测深、音频电透视探查巷道和工作面底板下的富水区,采用无线电波透视探查工作面构造及煤厚变化情况。最后根据物探和定向钻探的探查结果,实施检查技术,综合评价带压开采的可行性。研究表明,奥灰顶部富水性弱,可作为相对隔水层利用,突水系数已降至0.073 MPa/m以下,为今后进一步完善《煤矿防治水细则》突水系数临界值的确定提供坚实的依据,确保了工作面安全回采,形成了修正的突水系数法结合“探查?注浆?检查”的奥灰水害防治技术体系,延伸了矿区安全开采下限。      

钻探物探一体化方法在矿井水害精细探测中的应用

针对物探技术在矿井水害探测中利用钻孔效率不高的问题,提出钻探物探一体化方法,即在钻探成孔时采用钻柱振动录井技术,在成孔后再利用孔中物探技术对井孔地质情况进行判定。钻探时的振动录井技术可以直观、可靠的定位钻孔中岩性变化和构造变化的位置,成孔后的孔中电磁法技术和地震超前探测技术可以定位孔中岩性变化和异常反射位置,进而准确的定位孔中的地质异常。实例表明:该方法可以准确查明孔中及钻孔周围存在的富水区和导水通道,有效的达到对矿井水害的精细探测。     

煤矿井下近水平钻孔反循环取心先导性试验研究

取心钻探是煤矿井下地质异常体精准探查的主要技术手段。为确保反循环连续取心技术能够在煤矿井下顺利开展,进行了地面及井下先导性试验研究,分析了Φ89mm/42mm反循环取心钻具在近水平钻孔施工过程中取心效果、卡堵情况及地层适应性,总结了一套适用于近水平钻孔反循环取心施工的钻进工艺参数、施工过程中岩心卡堵的判别方法及相应的解卡方案,指出了该套反循环取心钻具在施工过程中出现的问题及原因,并有针对性的提出了改进措施,指出其应用于煤矿井下可能预见的其他问题并给出相关建议,为煤矿井下近水平钻孔水力反循环取心技术的开展提供参考。     

漏失地层近水平钻孔水力反循环取心试验

基于煤矿井下陷落柱、小断层等地质异常体精确探查对漏失地层近水平孔取心钻进的迫切需要,采用双壁水力反循环连续取心技术进行井下地质异常体探查,分析其技术原理及特点,研制配套的ø89/42 mm双壁取心钻杆和反循环取心钻头,并在某地面矿山进行功能性试验,共施工完成3个近水平取心钻孔,单孔最高取心率为83.6%,最大回次进尺69 m,平均钻进效率为3.61~6.26 m/h。针对漏失地层冲洗液漏失严重的问题,提出双壁取心钻具的结构改进优化方案,采用改进后的取心钻具岩心上返通道返水流量和流速大幅提升,最后指出该套反循环取心施工中出现的钻孔环空排渣及岩心卡堵问题并提出了针对性的解决方案,包括采用正反循环排渣法解决钻孔环空排渣问题和采用中心通道打水解卡方法解决岩心卡堵问题。试验表明:该套双壁取心钻具满足煤矿井下地质异常体探查的施工需要,为煤矿井下地质异常体探查提供新的技术途径。      

钻孔无线电波透视法探测老窑试验

钻孔无线电波透视法探测岩溶分布已经得到了推广和应用,一九七五年七月又应用此法在陕西韩城桑树坪煤矿进行了探测煤系地层中浅部老窑分布情况的试验,为煤矿地面设施设计提供工程依据。      

矿井事故垂直救援孔快速钻进技术研究

近些年来,在矿井事故应急救援中,钻探垂直救援井是重要手段之一。当矿井事故发生后,人员被困井下,地面救护人员无法通过井巷进行快速救援的情况下,在被困井下人员生命尚存的“黄金救援”时限内,运用先进的钻探工程技术方法,可安全、快速、精准地打通地面直通井下巷道的钻孔,从而达到维持生命、营救井下被困人员的预期目的。本文根据宁东煤田羊场湾煤矿地质条件,进行矿山钻探垂直应急救援小口径钻孔孔身结构设计、钻井方法选择、钻具结构设计、钻井液设计及钻井参数设计等快速钻井技术研究,旨在为宁夏矿山钻探垂直救援孔提供支持,促进矿山事故救援成功率的提升。     

山西经坊煤矿3-807工作面顶板富水异常区验证及涌水量预算

顶板砂岩裂隙水是经坊煤矿3号煤层开采的主要充水水源之一,但其富水性具有不均一性,使工作面回采过程中涌水量变化较大,不利于安全、经济的排水。通过分析煤矿3-807工作面地面电法解释的顶板砂岩富水异常区、构造及可能的富水砂岩层段,探讨合理的布设井下探放水钻孔的位置,并对探放水后工作面回采过程中的涌水量进行预测。研究发现,对3-807工作面顶板砂岩探放水过程中,布设在电法解释的顶板富水异常区、向斜轴部的探放水钻孔,放水量持续且较为稳定,出水层位均为K9、K10砂岩,且K10砂岩富水性强于K9砂岩;3号煤层工作面涌水量的预测采用比拟法较为准确,可以为后期排水设备的布设提供参考依据。     

中国煤炭科工集团西安研究院有限公司

<正>钻井技术与工程服务中国煤炭科工集团西安研究院有限公司可承担煤矿井下瓦斯抽放定向孔施工、顶板高位定向长钻孔抽采瓦斯、煤层顶底板注浆改造、地质构造定向探测、巷道掘进超前探、老空区探查等技术咨询和工程服务。持有以下资质和专利:●地质灾害治理工程勘察、设计、施工甲级资质●固体和气体地质勘查甲级资质●地质钻探甲级资质●多项相关技术发明专利     

山西省废弃矿井煤层气地面钻井开发关键问题与对策

随着我国煤炭去产能政策的有力实施,一批资源枯竭及产能落后矿井将陆续关停废弃。废弃矿井仍赋存着大量的煤层气资源,其开发利用是实现煤炭产业清洁安全高效低碳发展、促进煤矿安全生产、优化能源结构、实现温室气体减排等方面的重要举措。基于山西省煤基重点科技攻关(煤层气产业链)项目相关研究,系统阐述了废弃矿井煤层气开发面临着资源量评价不准、钻进体系不健全、井上下联合缺失等关键问题。针对这些问题提出以下几点对策:废弃矿井精准地质探测是采空区地面钻井轨迹设计的重要依据,尤其是炮采等落后采煤工艺的废弃矿井,地球物理勘探精度应达到米级才能有效降低钻遇煤柱风险;优选废弃矿井煤层气地面“L”型钻井思路,即选采空区周边一定距离的保安煤柱作为L型井位,并配套特殊钻进工艺;煤矿企业应将废弃矿井资源开发利用纳入煤矿全生命周期规划,尤其是矿井废弃前应确保煤层气抽采通道畅通,以实现煤层气井“一井多用”的新型井上下联合开采模式,提高废弃矿井煤层气开发效率;采用防回火、各种传感器等装置,并对关键参数设置自动报警停机界限值,从而使废弃矿井煤层气地面开采工艺安全、高效;对不同浓度废弃矿井煤层气,需要采取相应的梯级利用模式,从而提高整体开发利用价值。以山西省废弃矿井为示范区,研究认识对推动全国煤矿区废弃矿井煤层气开发利用具有重要的指导和示范意义。      

深部煤炭资源安全高效开发地质保障系统研究

在分析深部煤矿床就位机制和理清影响深部矿井安全高效开采各种地质因素的基础上,将深部煤矿床勘查类型划分为2类5型12亚类,讨论了不同勘查类型的地质保障任务、勘查方略与技术保障体系:新区和老矿区的深部煤炭资源勘查采取"快速扫面、筛选靶区、地面物探先行、深钻验证"方略;生产矿井深部资源勘查采取"物探先行、井下钻探验证";采区地质条件探测实施"物探先行、长钻验证";工作面地质条件探测实行"井下物探先行、长钻验证、短钻保证、巷探跟踪"。采取地面与井下结合的立体式勘查模式,优化配套勘查技术开展综合勘探,通过多手段相互补充与多成果互相验证,为深部矿井生产建设提供可靠的地质保障,是解决"有煤难采"问题的关键。      

面向智能化开采的矿井煤岩层综合对比技术

煤岩层对比工作贯穿于整个煤炭地质勘查与矿井生产阶段的全过程,针对近距离、多煤层且构造复杂的矿井生产阶段煤岩层对比困难的问题,以贵州盘县煤田火烧铺煤矿为研究对象,通过对地质勘查资料的分析,结合地面瓦斯勘查钻孔、井下地质调查、瓦斯参数测试工程从地质勘查阶段已经建立的煤岩层对比标志层中提取适应于矿井生产阶段的标志层;结合矿井生产过程中井筒、巷道、工作面及其两巷道、切眼等井巷工程生产揭露资料的宏/微观煤岩、煤质化验、煤层顶底板岩石力学、煤层的光学特征等资料,提炼矿井生产过程中基于开采技术条件的煤岩层对比的标志;综合地质勘查与矿井生产阶段重新构建矿井生产阶段煤岩层综合对比标准体系。研究表明:地质勘查阶段构建的煤岩层对比标志层在矿井生产阶段岩性组合、地球物理测井曲线,高位标志性岩层以及古生物化石层基本上失去了指导意义,而煤层结构、伪顶或低位直接顶板古生物化石层、岩性标志层仍具有指导意义,可以指导实践生产;矿井生产阶段大量的地层倾角数据、宏/微观煤岩组分特征、煤层夹矸岩性,尤其是可见光、热红外等光学特征,煤层瓦斯含量、压力参数,煤层顶底板岩石力学参数等是煤岩层对比的良好标志层;构建的煤岩层综合对比技术体系可以有效地指导煤矿巷道高效掘进、工作面快速回采并识别断层发育特征。研究成果不仅可以指导煤矿井下生产工作而且可以为构造复杂区的煤矿井下工作面智能化开采提供基础地质资料,为煤矿安全、高效、智能化开采提供地质保障技术。      

“物探+遥感”技术在矿山生态修复中的应用——以邢台园博园为例

矿山经过多年开采,地下形成采空区,造成地面沉降,开展绿色发展、生态修复工作刻不容缓. 冀中邢东煤矿由于长期开采,造成不同程度地面塌陷,不适于人类长期居住和农业耕作,邢台市经研究决定在采煤塌陷区建设中央生态公园——邢台园博园. 基于此,通过收集分析研究区内的地震、电法等物探资料,确定煤矿煤层赋存形态、采空区范围及富水情况,指导地面进行生态公园选址;利用遥感技术监测矿山生态修复进度. 研究表明:在矿区开展地震、电法工作查明煤矿开采生产情况,对科学规划地面矿区生态修复工作具有指导意义;利用遥感技术实时动态监测矿山生态修复进程,可为生态环境修复提供数据基础,对治理前后生态环境变化对比分析及效果评价提供影像资料.     

煤矿区钻探技术装备新进展与展望

我国煤层气资源非常丰富。在煤矿区,煤层气(瓦斯)开发具有增加洁净能源供给、提高煤矿安全生产保障能力、减少温室气体排放等多重效益。地面钻井开发与井下钻孔抽采是煤矿区煤层气(瓦斯)开发的基本途径,同时也是煤矿区应急救援的主要手段。本文介绍了煤矿区地面煤层气开发新技术装备,大直径钻孔施工技术与装备及井下中硬、松软煤层和岩层瓦斯抽采钻孔成孔技术与装备。在此基础上分析了在新形势下煤矿区煤层气（瓦斯）抽采钻孔成孔技术和装备发展需求,为我国煤矿区煤层气（瓦斯）钻孔成孔提供借鉴。     

突出煤层CO2气相压裂高效抽采防突掘进技术

我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重影响煤矿安全生产。尽管近10年来这一灾害事故大幅度减少,但恶性事故依然发生,给矿工生命和煤矿安全生产造成严重损失。国内外现阶段的防治瓦斯突出技术,如水力压裂、水力割缝、水力冲孔、深孔爆破、密集钻孔等,不同程度地解决了防突安全掘进,但对于一些高瓦斯低渗透突出煤层,上述技术还难以从根本上解决消突安全快速掘进。所以,防突技术仍然是我国煤炭领域亟待攻关的重大科技难题。选取山西寿阳县新元煤矿31002工作面为试验案例,介绍CO₂气相压裂技术方法,并探讨其防突掘进效果。新元煤矿开采的山西组3号煤层为低渗透突出煤层,前期主要采用密集钻孔预抽瓦斯防突措施,抽采达标时间长,掘进速度慢。高效抽采瓦斯,防止煤与瓦斯突出,保障煤巷安全快速掘进,是新元煤矿安全高效生产的重大技术难题。在新元矿采取的气相压裂措施概况如下:在掘进工作面前方实施双钻孔气相压裂;完成9个瓦斯抽采钻孔以覆盖巷道两侧各15 m安全范围;全部11个钻孔联网抽采3~5 d,防突参数K₁值达标后恢复掘进。试验数据表明,气相压裂抽采防突技术措施的强化抽采效果显著,抽采效率大幅度提高,煤炮等动力现象减少,K₁值降低,掘进割煤时巷道瓦斯浓度得以降低和均化,保障了连续安全掘进。实践证明,CO₂气相压裂技术能够实现连续安全快速掘进理技术,在全国类似瓦斯地质条件煤矿中具有推广应用意义。      

水平定向钻进技术在胡底煤矿地质构造勘探中的应用

定向钻孔技术可以精确控制钻孔轨迹,可满足胡底煤矿对探明地质构造的要求。该矿采用ZDY6000LD型钻机施工4个近水平定向钻孔,精确探明主运、辅运石门的煤层走向,为抽掘采衔接提供了依据。介绍了胡底煤矿地质构造勘探定向孔的设计依据及钻进工艺。     

中风压钻进在煤矿井下的应用

根据煤矿井下沿煤层瓦斯抽采(放)钻孔中风压压风钻进工艺及设备的发展情况,介绍了中风压钻进工艺和配套设备的选择、研制以及在丁集矿和成庄矿的钻进工艺试验,证明在松软突出煤层的沿煤层瓦斯抽采(放)孔钻进施工中,中风压钻进工艺较为理想、是值得推广的钻进工艺。      

再论中国煤炭地质综合勘查理论与技术新体系

基于近年来大量专题科研成果和勘查工程实践．系统总结形成了适应中国煤田地质特点和煤炭工业要求的煤炭地质综合勘查理论与技术体系。该体系可概括为一个创新思路、两大支撑理论、五大关键技术、一套标准规范：提出了集资源勘查、矿井建设、安全生产、环境保护为一体的”煤炭地质综合勘查”新思路：聚煤规律研究和构造控煤作用研究取得突出进展,为当代煤炭地质综合勘查技术体系提供了强大的理论支撑：建立并完善了由煤炭资源遥感技术、高精度地球物理勘查技术、快速地质钻探技术、煤炭资源信息化技术、煤矿区环境遥感监测技术等五大核心技术构成的地质综合勘查技术体系;编制技术规范与标准14项,为构建中国煤炭地质综合勘查体系提供了政策依据。