無線隨鉆測量系統在煤礦底板水害防治中的應用

王林杰 劉衛衛

（中煤科工集團西安研究院有限公司）

唐家會煤礦水文地質情況較為復雜，主采煤層6#煤的主要水害來自頂板砂巖水、底板奧灰水、斷層裂隙水及導水陷落柱［1-2］。目前頂板砂巖水通過頂板鉆孔疏放，已得到有效治理，但下伏奧灰水嚴重制約煤礦安全高效運行。6#煤底板巖性主要為淺灰色石灰巖、白云質灰巖，易受地下水侵蝕，發育有裂隙、溶孔和溶洞，富水性為中等—強，鉆孔揭露深度內出現多層裂隙破碎段和測井揭示含水層出水段，各種發育裂隙、斷層極易成為奧灰水導水通道。為進一步驗證物探成果，保障61102 工作面安全回采，決定在61102 工作面使用定向長鉆孔對6#煤底板下35～40 m段的裂隙構造及水文情況進行探查，并對其進行注漿加固，以解決導水通道對工作面回采造成的影響。

煤礦井下定向鉆孔常用的隨鉆測量系統按數據傳輸方式，一般可分為有線式和無線式［3-5］。有線隨鉆測量系統一般只用于滑動定向鉆進，且用于信息傳輸的通欄鉆桿具有結構復雜、抗干擾性差、易損壞、鉆進效率低等缺點，無線隨鉆測量系統則可以較好地解決上述問題［6-7］。

1 無線隨鉆測量系統的組成

YHD3-1500 型泥漿脈沖無線隨鉆測量系統可實時對鉆孔幾何參數進行測量和計算，可以在孔口計算并即時顯示鉆孔參數、軌跡等信息，使作業人員隨時了解鉆孔情況，對當前施工軌跡進行判斷和分析。若軌跡偏離設計，及時調整相應工藝參數，使其盡可能貼近設計軌跡延伸。該套裝置既可用于定向鉆進，又可用于回轉鉆進，還可用于鉆孔軌跡復測。無線隨鉆測量系統由礦用隔爆兼本安型計算機、礦用本安型鍵盤、數據存儲器、礦用本安型壓力變送器和YHD3-1500 型礦用隔爆兼本安型泥漿脈沖隨鉆測量裝置探管組成（圖1、圖2）。

測量短節和驅動裝置由電池筒進行供電。測量短節將所測量到的鉆孔參數編碼后發送至驅動裝置。驅動裝置收到信號后，通過控制泥漿脈沖發生器關閉或者打開閥門，產生泥漿壓力正脈沖并傳遞至孔口。安裝在孔口的壓力傳感器檢測到來自孔內的壓力脈沖信號后，在計算機上進行處理和顯示。當完成數據傳輸后，測量短節停止工作，脈沖發生器恢復原位，泵壓正常，開始定向鉆進。

2 鉆孔設計及工藝

2.1 鉆孔布置

本組底板探查及注漿加固定向長鉆孔選擇在61102 工作面運輸順槽調車硐室內施工，盡可能地減少開拓鉆場及搬運鉆場工作量，并滿足定向鉆孔對鉆場的要求，鉆場沿開孔方向深度為6 m，寬度為8 m，高度為3 m，鉆場底部起底200 mm，對鉆場底板進行硬化加固（混凝土≥200 mm）。

定向鉆進對場地要求：鉆場地面水平，供水能力達到12 m3/h，配備660 V 電壓，隨鉆測量系統工作電壓127 V，功率≥130 kW。同時在鉆場內修砌容量大于2 m3的沉渣池，配備相應排水能力的水泵。

2.2 鉆孔設計

本次施工的定向鉆孔設計為三級孔身結構：一級采用φ193 mm 鉆頭，下入φ168 mm 套管，并在安裝孔口三通防噴防突裝置；二級采用φ153 mm 鉆頭，下入φ127 mm 套管，封隔泥巖、煤層等易水化、易坍塌地層，保證后續施工安全；三級采用φ98 mm 鉆頭，通過定向鉆進使鉆孔沿著設定軌跡在目標垂深中延伸，詳見表1。

2.3 鉆進工藝

定向鉆進技術是指利用鉆孔自然彎曲規律或采用專用工具使鉆孔軌跡按設計要求延伸至預定目標的一種鉆探方法。由于巷道地層傾角存在一定變化，為確保實鉆軌跡精準，采用泥漿脈沖無線隨鉆測量系統對軌跡實時監控，通過井下動力鉆具定向技術控制軌跡，確保實鉆滿足設計，沿目標層位精準延伸，驗證無線隨鉆測量系統的測量精度和穩定性。其工藝流程如圖3所示。

鉆孔在一開鉆進后下設孔口管并進行耐壓試驗。正式施工前需安裝孔口安全閘閥，以控制放水，安全閘閥的抗壓能力應大于最大水壓。下完套管并固孔候凝24 h 后，進行耐壓試驗。使用泥漿泵打壓至9.0 MPa，保持30 min，觀察孔壁及孔口管附近是否存在滲漏現象，憋壓過程中壓降≤0.5 MPa，則說明固孔合格。出現滲漏現象，則需繼續向孔內注漿。

2.4 注意事項

總結前期唐家會煤礦其他工作面底板定向長鉆孔施工經驗，可知以下特點：①受奧灰水影響，鉆孔涌水量大，但水壓較小，通常小于0.5 MPa；②底板導水通道發育、水質情況多變，但水溫變化不大；③底板地層構造復雜，地質異常體發育，部分鉆孔注漿量較大；④底板包含2 層薄煤層和數層泥巖，鉆孔施工過程中存在風險。

針對上述特點，在施工過程中要時刻關注鉆孔涌水量變化，并通過相應手段進行準確測量水量、水溫，并詳細記錄，每班取水樣并及時送檢；卡準涌水量變化明顯的孔深位置，遇到鉆孔涌水量異常增大時，應采取停鉆注漿等手段予以控制；收集鉆孔的水質、水量、水溫等相關水文資料以及鉆孔巖性資料，歸納鉆孔的水文地質特征，準確指導臨近鉆孔施工。

3 現場試驗

3.1 工作面概況

61102 工作面位于唐家會礦井一盤區東翼，西自一盤區6 煤輔運大巷，東至DF11 斷層組。工作面西側3 條盤區系統大巷已施工完畢，無其它采掘活動。主采煤層為6#煤，厚12.5～21.7 m，全區煤層賦存穩定，結構復雜，含3～5層夾矸。底板巖性主要為泥巖、砂泥巖、細砂巖等。

3.2 試驗裝備

本次鉆孔施工利用YHD3-1500型泥漿脈沖無線隨鉆測量系統對軌跡進行控制，配套設備主要為中煤科工集團西安研究院有限公司生產的ZDY6000LD型鉆機及BLY260 型往復式泥漿泵，以及φ73 mm 常規鉆桿。

3.3 鉆孔設計與施工

試驗布置1 個鉆場共3 個鉆孔，各鉆孔設計參數指標見表2。

現場自2018 年2 月27 日起施工，4 月12 日結束，歷時44 d。共計完成鉆孔3 個，孔深分別為618，609，600 m，總進尺1 827 m，實鉆軌跡如圖4 所示，施工情況見表3。本次鉆孔施工泥漿泵排量控制在195 L/min，泵壓為4～7 MPa，采用定向及復合鉆進技術，隨鉆測量系統信號傳輸穩定，數據準確，方位、傾角測量誤差均在允許范圍內。

在無線隨鉆測量系統應用前，底板鉆孔均采用中心通纜式有線測量系統，如D1、D2、D3、D4 孔。通過對比分析，該套系統的應用可顯著提高平均鉆速，如圖5 所示。同時，避免了頻發檢查通纜鉆桿信號，輔助時間減少，勞動強度降低。

4 結論

（1）通過本次現場工業性試驗，驗證了無線隨鉆測量系統的可靠性，鉆孔軌跡控制較為精確，可滿足煤礦井下底板水害防治的要求。

（2）較傳統的有線測量系統，無線隨鉆測量系統可明顯提高鉆速，提升鉆進效率。同時，無需對通纜鉆桿進行維護和測試，勞動強度降低。