定向鉆探技術在煤礦防治水中的應用分析

＊范天升

（山西凱嘉能源集團有限公司 山西 032000）

引言

雖然我國能源結構整體在不斷優化，各種類型的清潔能源大量被使用，但是隨著煤炭行業的轉型升級，特別是煤炭資源仍舊是我國的戰略性安全能源，煤炭行業在我國的地位仍舊非常關鍵。但是從我國煤炭行業的發展來看，進入到深部開采階段已經成為必然，在煤礦深部開采的過程中，面臨的礦井水害問題非常突出。從當前煤礦防治水來看，關鍵的措施之一就是進行鉆探，而采取定向鉆探技術較好提升了煤礦防治水的效果。因此，對定向鉆探技術在煤礦防治水中的應用進行分析有著較為重要的意義。

1.工程概況

XX煤礦xx工作面開采的煤層屬于4#煤層，從地質測量來看，煤層的傾角在3°到9°之間，平均的厚度為2.3m，工作面傾斜長度為250m，走向長度為1500m，相鄰的工作面已經開采完畢，但是在煤礦采空區已經出現了較為嚴重的積水問題，對該工作面生產的安全性帶來了較大的影響。為了提升工作面生產的安全性，需要對xx工作面采空區內的水施工鉆孔，實現對積水的有效疏放。從現場測算表明，選擇使用傳統的鉆孔工藝，不能達到鉆孔隨軌跡測量裝置進行到該區域。所以，為了達到既定的目標，本次設計定向鉆孔技術，在xx工作面軌道巷350m的位置，向采空區實施了長距離的定向鉆孔開展疏水作業。

2.定向鉆探技術在煤礦防治水中的應用原理及類型

(1)定向鉆探技術在煤礦防治水中的應用原理

定向鉆探技術主要以地質勘探為基礎，將基礎的設計作為基礎，對鉆孔出現的自然彎曲的特點進行全面的使用，同時需要使用人工傾斜工具，保證鉆孔達到既定的位置。在具體操作時，還可采用實時監測的方式，及時掌握整個鉆孔出現的變化情況，推動鉆孔能夠鉆探到既定的位置，可以將造斜工具的方向確定出來。從當前的大量實踐表明，選擇使用定向鉆探技術，整體的控制精度相對較高，鉆進的距離相對較長，軌跡的可控性也相對較高，施工效率相對于傳統的施工工藝也相對較好，因此，在井下地下水的防治工作中，可結合井下實際地質情況，科學使用定向鉆探技術。

(2)定向鉆探技術在煤礦防治水中的應用分類

首先，按照施工技術方法的不同，可分為自然彎曲定向孔和人工彎曲定向孔。對于自然彎曲定向孔，鉆孔的軸線主要是以鉆孔自然彎曲的特點規律為基礎，通過對鉆孔的方位角、位置等進行變換的方式，使用傳統技術條件，也可以采取增減斜的方法措施，對孔斜進行針對性的控制，在上述措施實施后，通常情況下，可按照設計的鉆孔軸線進行鉆進，自然彎曲定向鉆孔，也可稱作為主定向孔。對于人工彎曲定向孔，主要采取人工的方式，對鉆孔進行控制，從該種方法的施工情況來看，鉆孔最終的方向、位置受到的影響相對較小。在這個過程中，對自然彎曲與人工彎曲可采取相互結合的模式，讓鉆孔根據設計軌跡達到指定的位置，因此，從這種操控的方式來看，屬于可以控制的定向孔。

其次，可按照井眼軸線形狀的不同進行不同類型的區分。具體主要分為三維與兩維定向孔。前者是指在三維空間范圍內，定向孔有變動，特別是鉆孔的軸線，既有方位角的變化，也有傾角出現的變化，從最終形成的軌跡線來看，有的可以是折線、有的是曲線，也有的最終成為了直線。從兩維定向孔來看，主要是在一個水平面上的變化，在具體變化中，傾斜角變化相對較大，由于沒有三維的變化，所以，兩維定向孔方位角不會有變化。

最后，也可以根據鉆孔孔底結構存在的差異進行分類，整體可分為多底定向孔、單底定向孔。前者主要是指在主干孔鉆進時，還有其他類型的分支孔。后者就只有一個主干孔。

3.定向鉆探技術在煤礦防治水中的應用技術要點

(1)本次定向鉆探疏水設計原則

在進行定向鉆孔的設計與布置時，與周邊巷道工程的實際情況應當適應，同時也需要充分考慮礦井當前的各種鉆探設備的實際工作效果。在定向鉆孔的過程中，應當盡量提高疏放水的實際水量，保證鉆孔的成孔性。在設置鉆孔時，應當將鉆孔布置在低洼的位置，鉆孔的角度應當盡量保持仰角。從本次工作面的實際特點來看，工作面包含水層有兩層，因此，本次設計時，在鉆孔位置分別布置鉆孔進行頂板水的疏放。此外，在具體施工中，對定向探放水鉆機的實際工作能力，施工人員也需要全面考慮，科學布置鉆孔，設置科學的鉆孔間距。

(2)設計鉆孔結構

在進行本次井下定向疏水鉆孔的設計時，采用了1#、2#鉆孔套管的方式。在開孔時，鉆頭的直徑設計為153mm，鉆孔在鉆進的過程中，鉆進的長度設計為與煤層垂直距離為6m作為具體的標準。在鉆孔成功后，設計耐壓試驗，在滿足了耐壓試驗的標準后，鉆孔才能夠使用。鉆孔成孔后，將直徑為146mm的套管安裝到其中，這時選擇使用的注漿泵為井下專用注漿泵，水灰比例設計為1.5:1，套管通過水泥漿的作用有效固定，水泥漿使用的標準為孔壁周邊沒有漏水為具體的標準，若出現了漏水的問題，則需要對套管進行重新固定。在開始定向鉆孔后，本次選擇使用具備監測功能的定向鉆孔工藝，對整個施工的過程進行全面實時的監控，鉆孔直徑設計為98mm，在巷道內設置三個定向鉆孔點，表1為定向鉆孔點的設置情況表。

表1 定向鉆孔設置情況表

(3)本次施工所用裝備

為了提升本次施工的效果，本次設計采用了全液壓鉆機，鉆機扭矩可達到6000N·m，在鉆探的過程中，給進的壓力可以到200kN，在固定套管時，選擇使用的水泥泵為煤礦使用的活塞泵，該泵的排量每分鐘可以達到350L。鉆孔設計采用的是中心通纜式鉆桿，在進行定向鉆孔的過程中，通纜鉆桿是主要的施工工具。在測量的過程中，測量軌跡系統選擇使用礦用的隔爆性的計算機，對整個鉆孔的距離、角度、位置等參數可以做到實時的監測。

(4)定向鉆孔疏放水

為了提升工作面疏放水的效果，結合周邊巷道情況及當前的排水通道情況，在采空區內實施的疏放水定向鉆孔的高程應當相對于靶點高程較低，對鉆孔的軌跡應當進行嚴格的控制，這對于提升鉆孔的疏放水的效果較為有利。圖1為定向鉆孔軌跡平面圖。

圖1 定向鉆孔軌跡平面圖

本次嚴格的按照施工設計的方案對定向鉆孔進行了施工，特別是對鉆孔的軌跡進行了精確的控制，確保鉆孔嚴格的按照設計的方案進行鉆進，最終達到了指定的靶心點，實現了對采空區內積水的有效疏放。從現場的測量表明，1#鉆孔的出水量在每小時36m3左右，2#鉆孔的出水量超過了每小時30m3，3#鉆孔的出水量，超過了每小時28m3，三個孔之間的出水量之間的差異相對較小，且整體較為穩定，每天的疏放水量超過了1600m3，較好滿足了煤礦井下開采的需要。此外，從本次的施工情況來看，定向鉆孔在疏放水方面有著較高的精度要求，整個過程也可以實現較好的控制，鉆孔的速度也相對較快，可以有效的保證工作面生產的安全性。

4.結束語

綜上分析，全面做好煤礦防治水工作是當前眾多煤礦面臨的共性問題，但是從當前煤礦所開展的防治水方式方法和取得的效果來看，在很多方面還有著較大的提升空間，因此，這就需要煤礦企業全面認識到做好防治水工作的重要性，切實從企業面臨的井下防治水工作實際出發，科學應用定向鉆探技術，更好提升防治水工作實際效果。