精準定向鉆進技術在礦井水害防治應用

崔瑜科

(山西汾西礦業(集團)有限責任公司雙柳煤礦，山西 柳林 033300)

水害是制約礦井生產安全的不利因素之一，井下出現突水嚴重時會造成嚴重的人員傷亡及財產損失，因此根據礦井實際情況針對性開展防治水措施對確保礦井生產安全具有重要意義[1-2]?，F階段礦井水害治理措施主要有疏、堵兩種類型，疏主要為鉆孔排放水；堵主要為注漿封孔，存在成本高問題。在井下疏排水鉆孔或封堵鉆孔施工過程中采用的普通回轉鉆機，存在施工精度低、鉆進距離短等問題[3-5]。近些年來，以螺桿馬達結合隨鉆測量技術的精準定向鉆進技術在礦井瓦斯治理、地質勘探中應用逐漸增加[6-7]。本文主要對精準定向鉆進技術及使用的機械設備、施工要點及在礦井水害防治中的應用效果進行闡述，以期能為其他礦井水害防治工作開展提供一定借鑒。

1 工程概況

山西某礦開采的6號煤層水文地質條件復雜，水害是制約礦井開采的不利因素。受到煤層瓦斯治理以及水害治理因素影響，礦井采掘接替局面十分緊張?，F階段礦井正在5608綜采工作面切眼布置綜采設備，但是由于泄水巷仍有180 m的專用泄水巷未掘進完成，一旦工作面采面回采過程中出現涌水，勢必會給礦井帶來顯著的人員及財產損失。若等泄水巷掘進完成后再進行采面回采則需要耗時接近2個月，期間礦井無煤可采。因此，為了解決上述問題，礦井決定在泄水巷端頭布置4個精準定位鉆孔代替泄水巷進行疏排水。

2 精準定向鉆進施工技術

2.1 鉆進機械設備

該技術是通過螺桿馬達結合隨鉆測量系統對鉆孔鉆進軌跡進行調整，鉆孔每鉆進3 m即發送一次鉆孔方向角、傾角及工具面向角(螺桿馬達彎角)，通過計算得到鉆孔空間軌跡。在鉆進過程中通過調整螺桿馬達彎角來達到調整鉆進軌跡的目的。

現階段礦井井下定向鉆孔施工采用的鉆機型號主要為ZDY4000LD/ZDY6000LD(F)/ZDY 12000LD等，配套采用YHD2-1000隨鉆測量系統、Φ73 mm/89 mm鉆桿、FMC260/390/460泥漿泵以及Φ98 mm/120 mm鉆頭。具體不同類型定向鉆機參數見表1。

表1 定向鉆機設備參數

2.2 鉆孔設計及施工技術要點

相對于普通鉆孔而言，精準定向鉆孔具有轉進深度大、覆蓋范圍廣、軌跡可調等優點，具體見第146頁圖1。為了便于鉆進過程中排渣鉆孔在設計時應設計成具有一定仰角的近水鉆孔；調整鉆孔鉆進角快速進入到鉆進目標巖層，并盡量在目標巖層中鉆進從而提升鉆遇率；采用水平分支開孔提升鉆孔覆蓋范圍。采用精準定向鉆進技術可降低井下鉆場施工量以及鉆孔施工工程量，并大幅度提升鉆孔有效探測范圍。

圖1 精準定向鉆孔示意圖

在鉆孔鉆進開孔后應按照探放水鉆孔施工要求在孔口布置止水套管，止水管下放至穩定巖層內15 m以上。鉆孔每鉆進3 m測量一次鉆孔軌跡，若出現偏差即通過螺桿馬達調整鉆孔鉆進方向。

2.3 鉆孔施工流程

具體精準定向鉆孔施工流程見圖2，根據設計的開孔方向角、傾角固定鉆機。當設計的精準定向鉆孔孔深超過500 m時應布置地錨索固定鉆機。采用鉆機施工73 mm鉆孔鉆進至穩定巖層15 m后，將鉆孔擴孔至153 mm；在鉆孔內下方孔徑127 mm套管，注漿封孔48 h后進行耐壓測試；耐壓測試合格后在孔口位置安裝止水閥、防噴器、泄壓排水三通等裝置；在鉆孔內放入螺旋鉆具并安裝逆止閥后開始鉆孔定向鉆進；在鉆進過程中應分析比對鉆孔設計軌跡與實際軌跡間偏差，并進行動態糾偏；鉆孔鉆進至目標巖層后認真觀察，記錄鉆孔返水情況，一旦鉆孔返水量過大則應按照預先制定的方案進行排水工作，并結合已鉆進深度判定停鉆或繼續鉆進。

圖2 精準定向鉆孔施工流程

3 現場應用分析

施工的精準定向鉆孔全程下套管護孔。根據已經水文地質可知靶點巷道端頭(4.0 m×3.6 m)中心點與精準定向鉆孔開孔點間垂距為33 m，右側偏移距為26 m，靶點與開孔位置相距170.6 m。鉆孔鉆進需要穿越的巖層以細砂巖、泥巖為主，巖層賦存相對穩定。為了達到預先設定的排水能力，設計4個孔深分別為174.2、175.6、175.3、213.9 m精準定位鉆孔，其中1號～3號鉆孔均鉆進至巷道迎頭位置，4號鉆孔鉆進至巷幫，鉆孔孔徑均為153 mm。

在井下采用的鉆機型號為ZDY6000LD、泥漿泵型號為FMC460、Φ73 mm螺桿馬達(調節角1.25°)、Φ73 mm鉆桿以及配套的隨鉆測量系統。1號～4號鉆孔均按照12°仰角布置，各鉆孔方向角相差3°，鉆孔開孔后按照預先設定傾角快速爬升，鉆孔鉆進深度達到100 m后緩慢降低仰角。待與預先設定的靶點對穿前將鉆孔傾角降低至1°～3°。在鉆孔鉆進過程中每隔3 m測量一次鉆孔鉆進方位角、傾角等參數，出現偏差后及時進行調整。最終1號～3號鉆孔均順利穿過巷道迎頭，具體設計對穿點與實際對穿點偏差分別為0.95、0.37、0.31 m；4號鉆孔順利對穿巷道側幫，具體1號～4號鉆孔的鉆孔軌跡見圖3所示。待鉆進完成后，依次擴孔至133 mm、153 mm，采用回拖方式在鉆孔全程套管(孔徑127 mm)。

圖3 鉆孔軌跡圖

相對于掘進泄水巷，精準定向鉆孔可降低大量的巷道掘進時間及投入，可降低泄水對采面回采影響，確保5608綜采工作面可按照預先設計時間回采。在5608綜采工作面回采期間，布置的4個精準定向鉆孔排水量可達26 m3/h，排水能力可滿足采面生產需要。

4 結語

精準定向鉆孔由于施工精度高在礦井水害防治、瓦斯治理以及地質勘探中應用逐漸廣泛。文中就對精準定向鉆孔施工機械設備、施工技術要點以及施工流程進行分析基礎上，以5608綜采工作面泄水巷為工程實例，對精準定向鉆孔現場應用進行分析。結果表明，采用精準定向鉆孔進行礦井水害防治可顯著降低生產成本、提高礦井水害防治效率。