煤礦防治水作業中定向鉆探技術的應用分析

＊王 躍

（霍州煤電集團汾河焦煤公司三交河煤礦 山西 041600）

引言

基于煤礦在進行掘進時較容易出現發水災害，所以設置了探放水的手段進行輔助施工，其主要目的是運用鉆探技術方式去探測水害區域，并疏壓降水。以前每次進行探放水時，只有30多米的超前距，只能鉆不到200米的探水鉆孔，掘進幾步就要探放水幾次，重復至全部掘進完成，在此過程中，會發生很多阻礙：（1）太過盲目，完成探放水的效率不高；（2）巷道因鉆孔施工的影響很深；（3）太多的鉆孔等待施工，工程繁瑣。巷道掘進環境不夠安全，探放水效率不高；因此，制定新的探放水工藝，可以更加有效合理降低水害發生，防治水效率也會相應提高。

1.概述

某礦采區坐落在井田南部，其運輸順槽選擇的是9104型號，巷道開拓斷面4.8m，自北向南共1250m，頂板順9#煤層往南一直掘進到保安煤柱，屬于井田邊界。

分析井下收集的首采區實時資料，結合9號煤層實際地質報告，得出裂隙含水是從K5灰巖和頂板砂巖產生的，裂隙水層造成了頂板充水，含水層是弱富水性，不太影響巷道掘進；煤層3#采空區往下45m是煤層9#，有7467m3的含水量，870m的巷道到1030m左右都是積水區，掘進時，巷道采空區會產生應力，導致工作面出現裂隙巖層，產生積水后，就會極大的影響巷道掘進。9104綜合機械化的運輸順槽，可以掘進450m。

2.分析前期巷道掘進時進行探放水的相關問題

(1)探放水的前期工藝

①鉆機型號是ZDY3700B，具有30MPa的壓力和50kW的功率，能獲得72r/min的轉速；鉆孔施工時一定要和中空鉆桿進行配套，鉆桿是63mm寬、1.5m長，能得到132mm的擴孔鉆頭和75mm的鉆孔鉆頭。

②工作面的周圍沒有老窯水和采空區，水質單一，所以不用單獨設置迎頭鉆孔，只需在每排安裝頂板鉆孔5個，每個150m深，(即1#-5#孔)，上覆巖層下方50m處即是鉆孔位置，頂板和鉆孔保持20°夾角；巷道中線和鉆孔5#投影水平重合，左偏20°鉆孔1#，左偏40°鉆孔2#，右偏20°鉆孔3#，右偏40°鉆孔4#，鉆孔總體呈“扇形”擺放。

③鉆機在工作面完成安裝后開始施工鉆孔，鉆到11m停下，開始更換鉆頭為擴孔，繼續擴孔施工，達到11m后在鉆孔里安裝PVC4根孔口管，最后的封孔工作用聚氨醋完成。

④注水耐壓一定要在封孔工作結束后，再測試孔口段。1.5倍的積水壓力值，就是所需的注水壓力，耐壓合格要等待測試20min以上，再進行鉆進工作。

(2)問題分析

①鉆孔是一項大工程量的施工：運輸順槽9104的870m至940m位置是積水段，屬于覆采空區。每組探水鉆孔有5個鉆孔，共需8組，即40個孔，總長6000m。巷道超前150m的鉆探距離，可向前實現100m掘進，鉆孔需要27d的高強度作業施工周期，是一項大工程量的施工。巷道在鉆孔時不可掘進，降低掘進效率。

②有很多用不上的鉆孔：探放水超前鉆探的傳統施工方式，會產生大量的廢棄孔，盲目性較大，無法滿足探放水的預期效率。

3.分析鉆探定向技術

(1)技術原理

千米鉆機是鉆探定向技術完成鉆孔施工的主要應用，其鉆進動力利用螺桿馬達來實現，鉆進的隨鉆測量系統可以掌握旋轉螺桿的角度和彎角以及鉆孔軌跡和方位角，沿設定的方位角完成鉆進，至少完成400m深的定向鉆探，達到98%的鉆進準確率。

(2)定向鉆探器械裝備

運輸順槽9104用來定向鉆探的設備型號是ZDY45000鉆機，測量系統是二代鉆進和泥漿泵配套鉆機，表1是具體參數指標。

表1 ZDY4500定向鉆機主要技術參數情況表

(3)定向鉆探的流程

①運輸順槽9104向前完成500m掘進后，施工改為定向鉆探，地震三維探測和物探的結果可以看到，巷道的870m到1030m處是積水覆采空區，和水平巷道夾角22°，垂直巷道45m，需要定向探水施工4個457m深度左右的鉆孔，即1#-4#孔，見圖1。

圖1 9104運輸順槽定向鉆探軌跡曲線示意圖

②巷道正對面的煤壁要掘進四個直線位置的鉆孔，1.5m的間距，保持1.8m以上才是頂板，用傾角為6°的鉆孔按照350m速度鉆進，方位角保證3°以內的鉆孔偏差，達到350m后可以降低傾角，最后到積水區時傾角是在2°左右。

③運輸順槽9104依據地質資料可知，有6.7m厚的炭質泥巖和17.6m厚的粗砂巖，終孔和擴孔碰到穩定巖堅硬層方可停下，即完成12m深的鉆孔封孔，擴孔時用到變徑法，選擇擴孔段是153mm或133mm的直徑，孔口管是直徑127mm的安裝鉆孔，最終的封孔用油井水泥來完成，見圖2。

圖2 油井水泥封孔工藝平面示意圖

④鉆孔進行注水耐壓要在封孔工作以后進行，選擇2.4MPa的注水壓力，泄壓閥的安裝要注水合格才可以進行，下一步是安裝止水閥，然后繼續鉆進導向鉆孔，并記錄鉆孔的實時軌跡，上傳到測量隨鉆系統，分析對比每一次的鉆孔軌跡，及時校正偏差數據。

(4)應用分析實際效果

①降低了鉆孔周期和數量：運輸順槽9104運用定向鉆探方法以后，可以實現1828m的鉆孔總長，比以前的探放水方式少了4172m的鉆孔工程，降低了13d的鉆孔周期，減少了作業強度，促進了鉆孔施工速度。

②實現快速掘進巷道：以前的探放水方式，向前100m掘進，就要完成鉆孔施工以此，5.2m/d的掘進速度是根據探放水的快慢影響。新的定向鉆探方式對掘進巷道的影響不大，9.6m/d的速度可以一次得到完美的鉆孔，巷道掘進可以保證快速性和安全性。

③可以得到高效的探放水：定向鉆探有1.2MPa的放水水壓，保證定向鉆孔4個全是濕孔，覆采空區的運輸順槽9104可實現7442m3的放水量，基本滿足預期的積水量。后期掘進巷道時，積水段的局部淋水出現在過采空區，基本不影響巷道掘進，只有0.2m3/h的淋水量時，上覆采空區不會造成水患。

4.結束語

本文以某礦掘進前期的運輸順槽9104為例，針對探放水時的高強度作業問題，以及周期長且效率差等難題，設計了定向鉆探方式，經實驗得出定向鉆探的效果顯著，可以達到高精度、小數量的鉆孔施工，可以明顯提升探放水作業的工作效率。