定向鉆探技術在煤礦防治水中應用

馬 鵬 程

（晉能集團有限公司，山西 太原 030000）

0 引 言

探放水施工是煤礦掘進工作面預防水害事故發生的重要技術手段，目前井下掘進工作面主要采用鉆探技術手段確定水害位置、水壓并進行疏壓降水，傳統探放水施工時探水鉆孔深度不大于200m，超前距不低于30m，巷道每掘進一段距離后進行一次探放水施工，直至巷道掘進完成；但是在實際巷道掘進過程中，傳統探放水施工工藝還存在很多問題，主要表現在以下幾方面：①鉆孔施工數量多，工程量大；②鉆孔施工期間對巷道影響較大；③探放水施工效率低，盲目性大等。不僅降低了探放水施工效率，而且嚴重威脅著巷道安全掘進；所以采取合理有效的探放水施工工藝，對提高煤礦防治水效率及預防水害事故發生具有重要意義。

1 概 述

晉能集團四明山煤業有限公司9104 運輸順槽位于井田南部一采區，由北向南開拓，巷道設計長度1250m，斷面凈寬4.8m，沿9#煤層頂板向南開拓至井田邊界保安煤柱。北為9#煤南翼輔運下山，南為井田邊界煤層保護線，東為實體煤層，西為實體煤層。

根據首采區地質報告及已收集井下實見資料分析，9 號煤層頂板的充水來源主要受其頂板砂巖及K5 灰巖裂隙含水層影響，砂巖裂隙含水層水源主要為裂隙含水，屬弱富水性含水層，對巷道掘進影響不大；9#煤層上覆45m 為3#煤層采空區，預計含水量為7467m3，積水區主要位于巷道870～1030m 段，巷道掘進期間在應力作用下，采空區積水沿裂隙巖層涌入工作面，對巷道掘進影響較大。9104 運輸順槽采用綜合機械化掘進工藝，截止目前巷道已掘進450m。

2 巷道掘進前期探放水施工工藝及問題分析

2.1 前期探放水施工工藝

1）采用ZDY3700B 型鉆機并配套中空鉆桿進行鉆孔施工，鉆機功率為50kW，鉆機壓力為30MPa，轉速為72r/min；中空鉆桿長度為1.5m，直徑為63mm，導向鉆孔鉆頭直徑為75mm，擴孔鉆頭直徑為132mm。

2）由于工作面前方水文地質條件簡單明確，四鄰無采空區及老窯水，工作面前方無需布置迎頭鉆孔，工作面每排布置5 個頂板鉆孔（1#-5#孔），所有鉆孔深度為150m，所有鉆孔與頂板仰角為20°，鉆孔終孔位置位于上覆巖層50m 處；其中5#鉆孔水平投影與巷道中線重合，1#、2#鉆孔在水平投影上分別左偏20°、40°，3#、4#鉆孔在水平投影上分別右偏20°、40°，所有鉆孔在空間上成“扇形”布置。

3）待工作面鉆機安裝完成后進行鉆孔施工，當鉆孔鉆機深度達11m 時停止鉆鉆進并及時更換擴孔鉆頭進行擴孔施工，擴孔深度為11m，擴孔后對鉆孔內安裝4 根PVC 孔口管并采用聚氨酯進行封孔處理。

4）鉆孔封孔后對孔口段進行注水耐壓試驗，注水壓力為積水壓力的1.5 倍，耐壓時間不得低于20min，耐壓試驗合格后方可繼續鉆進。

2.2 問題分析

1）鉆孔施工工程量大：由于9104 運輸順槽上覆采空區積水主要位于870-94m 段，巷道每次超前鉆探長度為150m，允許掘進距離為100m，巷道掘進期間共計需施工8 組探水鉆孔（40 個鉆孔），鉆孔總長度為6000m，鉆孔施工周期為27d，鉆孔施工工程量大，勞動作業強度高，而且鉆孔施工期間巷道被迫停止掘進，影響巷道掘進效率。

2）鉆孔無用孔數量多：采用傳統超前鉆探的方法進行探放水施工時，鉆孔施工數量多，且多數鉆孔為無用孔，而且在鉆孔施工時盲目性，達不到預期探放水效率。

3 定向鉆探技術應用分析

3.1 定向鉆探技術原理

定向鉆探技術主要利用千米鉆機進行鉆孔施工，在鉆進時通過螺桿馬達提供鉆進動力，同時采用鉆進系統中的隨鉆測量系統對鉆孔軌跡、彎角以及方位角進行實時測量并控制螺桿旋轉角度，使鉆頭按指定方位角進行鉆進，從而達到預期鉆進的目的，定向鉆探深度一般在400m 以上，鉆進準確度在98%以上。

3.2 定向鉆探設備

9104 運輸順槽采用定向鉆探施工時鉆機型號為ZDY45000 型，鉆機配套泥漿泵、二代鉆進測量系統，具體技術參數如表1 所示。

表1 ZDY4500 型定向鉆機主要技術參數

3.3 定向鉆探施工工藝

1）9104 運輸順槽掘進至500m 處時采用定向鉆探施工，根據物探以及三維地震探測資料顯示，巷道上覆采空區積水主要位于870～1030m 段，與施工巷道垂直距離為45m，與巷道水平投影偏差角度為22°，所以通過研究決定施工四個定向探水鉆孔（1#-4# 孔），四個鉆孔平均深度為457m，如圖1 所示。

2）四個鉆孔布置掘進巷道迎頭煤壁上，距頂板間距為1.8m，四個鉆孔成直線布置，間距為1.5m，所有鉆孔在前350m 以6°傾角快速鉆進，鉆孔方位角偏差控制3°范圍內，當鉆孔鉆進至350m 后逐漸減小傾角，當鉆孔鉆進至積水區時確保鉆孔傾角在2°。

圖1 9104 運輸順槽定向鉆探軌跡曲線示意圖

3）根據地質資料顯示，9104 運輸順槽直接頂為炭質泥巖厚度為6.7m，基本頂為粗砂巖厚度為17.6m，鉆孔擴孔終孔位置位于堅硬穩定巖層即可，所以鉆孔封孔深度為12m，鉆孔采用變徑的方法進行擴孔施工，擴孔段直徑分別為133mm 和153mm，擴孔后對鉆孔內安裝直徑為127mm 孔口管，并采用油井水泥進行封孔處理。如圖2 所示。

圖2 油井水泥封孔工藝平面示意圖

4）鉆孔封孔完成后進行注水耐壓試驗，注水壓力為2.4MPa，注水合格后對鉆孔依次安裝泄壓閥、止水閥等，并繼續對導向鉆孔進行鉆進，在鉆進期間通過隨鉆測量系統實時記錄鉆孔軌跡，并與設計鉆孔軌跡進行對比分析，出現偏差時及時進行校正。

3.4 實際應用效果分析

1）縮短了鉆孔施工工程量及周期：9104 運輸順槽采用定向鉆探技術后，鉆孔總施工長度為1828m，與傳統探放水施工工藝相比，鉆孔施工工程量縮短了4172m，鉆孔施工周期縮短了13d，提高了鉆孔施工效率，降低了鉆孔施工勞動作業強度。

2）保證巷道快速掘進：傳統探放水施工工藝每掘進100m 需進行一次鉆孔施工，受探放水施工工藝影響，掘進前期巷道平均掘進速度為5.2m/d，采用定向鉆探技術后，鉆孔施工一次性到位，對巷道掘進影響小，后期巷道掘進平均速度達9.6m/d，保證了巷道安全快速掘進。

3）探放水效率高：采用定向鉆探技術后四個定向鉆孔全部為濕孔，放水水壓為1.2MPa，共計對9104運輸順槽上覆采空區放水量為7442m3，放水量與預計積水量基本相符，巷道后期掘進過采空區積水段時頂板出現局部淋水現象，最大淋水量為0.2m3/h，對巷道掘進影響不大，消除了上覆采空區水患。

4 結束語

晉能集團有限公司地質勘測部針對四明山煤礦9104 運輸順槽掘進前期探放水施工效率差、周期長、勞動強度大等技術難題，提出了定向鉆探技術，通過實際應用效果來看，定向鉆探技術具有鉆孔施工量小、精度高等優點，大大提高了探探放水施工效率，取得了顯著應用成效。