定向鉆機在礦井防治水中的應用效果研究

管志強，張洪峰

（1.大同煤炭集團永定莊煤業有限責任公司，山西 大同 037000；2.同煤集團安全監管五人小組管理部，山西 大同 037000）

引言

煤礦安全生產一直是備受關注的問題，影響煤礦安全生產的威脅源以瓦斯和水害事故為主。而且，水害事故的嚴重程度僅次于瓦斯事故。目前，主要以井下物探技術和大角度上仰常規鉆孔進行頂板含水體的探查和疏放[1]，但這種防治水技術存在探查精度低、治理效果差的問題。為此，本文以某煤礦為例將定向鉆孔技術應用于礦井的防治水中，并對其應用效果進行驗證。

1 工程概況

某煤礦共含有煤層數量27 層，且煤層的平均揭露厚度為331 m。經現場勘測可得：該煤礦可全部開采的煤層共有3 層，大部分可開采的煤層有8 層，局部可開采的煤層有8 層，剩余不可開采的煤層有4層。本文主要針對該煤礦2 號煤層的開采為研究對象，2 號煤層的平均厚度約為4.9 m，煤層面積共有58 m2，可開采面積占總面積的64%。2 號煤層的頂底板情況如表1 所示：

表1 2 號煤層頂底板情況

此外，2 號煤層工作面的水文條件如下：該區域水層的總靜儲量約為3.78×106m3，當實際開采時在礦壓的影響下水層的靜儲量約為1.96×106m3。

針對某煤礦2 號煤層的地質、水文以及頂底板情況，擬將定向鉆孔技術應用于該煤層的防治水工作中。

2 定向鉆孔技術的應用

考慮到工作面的物資的運輸及排水的效率，在充分結合2 號工作面煤層走向及工作面周邊巷道情況的基礎上，將鉆場設定在31 采區回風聯絡巷和3121 工作面泄水巷的交匯處。

2.1 鉆孔的布置

按照定向鉆孔的影響半徑為50 m 計算，為2 號煤層工作面頂板布置6 個鉆孔，且鉆孔的分布形狀為束形。其中，在下分層含水層設置兩個鉆孔（編號為2 號、4 號），在上分層含水層設置四個鉆孔（編號1 號、3 號、5 號、6 號），且上述六個鉆孔的位置及技術參數如表2 所示：

表2 鉆孔位置及技術參數

根據2 號煤層工作面的水文條件，將定向鉆孔穿過煤層后，采用斜鉆井技術穿過工作面的頂板并最終進入含水層[2]。鑒于定向鉆孔防治水具有水壓、水量可控的優勢，將鉆孔上套管的直徑設定為165 mm，該鉆孔穿過不穩定巖層1 m 后將斜造段的鉆孔直徑設定為127 mm，將定向穩斜段鉆孔直徑設定為96 mm。

2.2 定向鉆孔設備的配置

為滿足定向鉆孔技術在2 號煤層工作面的防治水工作，要求所采用的鉆井設備具有理想的機身調整范圍，并具有較高的抗干擾能力，以確保鉆孔工藝實施的安全性和可靠性。根據2 號煤層的地質、水文等條件為定向鉆孔的實施配置如表3 所示的設備：

表3 定向鉆孔實施設備配置

除表3 所示，還為定向鉆孔設備配置了四種鉆桿，分別為通纜鉆桿、無磁鉆桿、螺旋鉆桿和順孔鉆桿。其中，通纜鉆桿的直徑為Φ73 mm，主要用于對定向鉆孔的施工；無磁鉆桿主要用于對鉆孔的探查，具有較強的抗干擾能力；螺旋鉆桿共有Φ120 mm 和Φ130 mm 兩種規格，主要用于鉆孔套管孔的施工；順孔鉆桿主要用于套管段的施工[3]。

2.3 定向鉆孔工藝的施工

根據前期鉆孔的位置參數及技術參數的確定，為定向鉆孔的實施配置了對應的鉆探設備[4]。根據設計要求，需要為2 號工作面頂板的防治水工作鉆6 個定向孔，5 個分支孔。經統計，所鉆孔的總進尺量可達3 363 m，單個鉆孔最大深度為594 m，對應該鉆孔的最大出水量為216 m3/h。每個定向鉆孔完成后對應的涌水量分別如下：1 號鉆孔的涌水量為46 m3/h；2 號鉆孔的涌水量為129 m3/h；3 號鉆孔的涌水量為162 m3/h；4 號鉆孔的涌水量為129 m3/h；5號鉆孔的涌水量為120 m3/h；6 號鉆孔的涌水量為216 m3/h。

3 應用效果分析

采用定向鉆機開展對某煤礦2 號煤層的防治水工作，經現場實施可得：定向鉆機具有成孔率高，與傳統鉆設備相比其成孔效率可提升30%；整個鉆孔工藝的實施過程中套管孔的鉆進僅需要2 d 的工期，為后期安全鉆進和水壓的控制奠定基礎；經隨鉆參數的實時監測，定向鉆孔的偏差可以控制在0.5%的范圍之內，具有精度高的優勢[5]。

此外，采用定向鉆孔技術對工作面完成鉆孔工藝后，其防治水效果明顯。待定向鉆孔工藝完成后，在應用一段時間內，不同鉆孔對應的疏水量如表4所示。

表4 鉆孔疏水量及涌水量變化統計

如表4 所示，定向鉆孔實施后2 號煤層工作面的涌水量明顯降低，說明定向鉆機在工作面頂板的探放水工作中具有良好的應用效果。

4 結論

1）根據2 號煤層的頂底板、地質以及水文等條件為工作面頂板的防治水工作設計6 個定向孔，將鉆場設定在31 采區回風聯絡巷和3121 工作面泄水巷的交匯處，以ZDY6000LD 履帶式全液壓定向鉆機為核心設備完成定向孔的實施。

2）根據設計要求及實施工藝完成鉆孔的施工，試運行一段時間后工作面的涌水量明顯降低，而且在施工過程中發現采用定向鉆機具有鉆孔效率高、精度高的優勢。