厚煤層中千米定向鉆機鉆孔層位的合理布置

王 超

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 興縣 033699)

為提高煤炭資源采出率，消除馬圐圙煤礦和斜溝舊井老空積水對斜溝煤礦23109材料巷掘進和后期23109工作面回采的影響，決定采用ZYL-2300 D型千米定向鉆機在23109材料巷探測馬圐圙煤礦和斜溝舊礦老空積水情況。針對千米定向鉆機在煤礦厚煤層中探測異常區運用較少，新技術施工經驗不足、對地質資料精度需求高等問題，開展千米定向鉆機縱向錯位布置探測鉆孔研究，做到一孔多用，避免鉆探無效進尺，減少鉆探工作量和施工時間。

1 概 況

斜溝煤礦23109工作面位于太原組13號煤層21采區北翼中東部，工作面所在區域整體為一走向近南北、傾向西的單斜構造，探測鉆孔施工區域煤層厚度13.03～15.80 m，平均14.86 m，煤層結構：6.78(0.25)2.89(0.30)2.32(0.34)1.98，煤層傾角平均9.6°，材料巷東側為馬圐圙煤礦(開采13#煤層，2007年07月22日淹井后關閉)、原斜溝煤礦舊礦(開采13#煤)設計巷道(不包括硐室)距根據物探異常劃定的積水線最近處72 m.山西省興縣馬圐圙煤礦“7.22”地表洪水灌井事故“2007年7月22日下午6時40分許，馬圐圙煤礦所在區域突降雨，造成井田內麻焉塔溝山洪暴發”，基于各類報告中所敘述的老空區積水量不一致情形，特對老空區的最大積水量進行了估算，依據山西煤礦安全監察局、山西省煤炭工業廳印發的《井下探放老空水技術要求》中老空水積水量估算公式，估算老空區最大積水量約447萬m3.由于小窯采掘情況不清，資料可信程度不高，嚴重影響礦井生產，如果采用常規方法布置鉆孔，不僅會造成鉆孔過分密集降低探測效率，還會破壞煤柱，增加透水風險，因而采用千米定向縱向錯位布置探測鉆孔，以最少的鉆探進尺達到安全可靠性最高的防治特厚煤層區域洪水灌井老空水害的目標。

2 探測方案

該次探測使用威利朗沃公司生產的ZYL-2300 D型千米定向鉆機。針對老空區積水量大且老空形態復雜放凈難度大等現狀，根據《煤礦防治水細則》第七十九條規定，優先留設防隔水煤(巖)柱的方法保證工作面的采掘安全。總體采用防隔水煤(巖)柱邊界一線圈定，保證防隔水煤(巖)柱寬度范圍內煤層完整性探查。由于該設計方案僅為防隔水煤(巖)柱寬度范圍內煤層完整性的探查，并非為放水孔，故不需滿足“探放水孔徑96 mm、縱向上孔間距1.5～2 m”的要求，根據探測結果分析論證后再決定是否探放水。

23109材料巷掘進進入馬圐圙煤礦物探成果劃定的警戒線起施工千米定向鉆機鉆場，使用ZYL-2300 D型千米定向鉆機，在23109工作面受馬圐圙煤礦及斜溝舊井老空水影響的防隔水煤柱寬度+回采后煤層破壞范圍4.83 m，即23109材料巷東側72 m邊界，沿物探成果劃定的積水線一線布置縱向間距2 m的探測鉆孔2組6孔，孔深630～636 m；在23109材料巷東側50 m、30 m防隔水煤柱寬度內部縱向錯位各布置1組3孔，平行煤層頂底板邊界的探測鉆孔布置圖見圖1.鉆孔設計參數見表1.

圖1 鉆孔布置圖

表1 鉆孔設計參數表

2.1 鉆場設計

鉆場設計規格為長8.0 m×寬5.0 m×高3.3 m，滿足ZYL-2300 D型千米定向鉆機施工要求，鉆場設計在23109材料巷進入馬圐圙煤礦物探成果劃定的警戒線上幫，鉆場長向設計方位0°長度8 m，寬向設計方位90°長度5 m，鉆場底板必須施工平整并硬化。

2.2 鉆孔設計

2.2.1 材料巷東側72 m處鉆孔設計

在23109材料巷東側72 m邊界，沿物探成果劃定的積水線一線布置縱向間距2 m的探測鉆孔2組6孔，開孔方位38°、37°，孔深630～636 m，施工順序按照1-1#主孔、1-1#-1#分支、1-1#-2#分支、1-1(2)#主孔、1-1(2)-1#分支、1-1(2)-2#分支。1-1#主孔，開孔方位38°，孔深636 m.由于設計剖面圖是根據煤層底板等高線設計，故在1-1#主孔施工過程中應每隔30 m探測煤層頂板以便驗證鉆孔是否在設計層位鉆進，根據主孔的探測結果，及時調整預計的煤層頂底板邊界線。1-1#-1#分支、1-1#-2#分支分別在1-1#主孔30 m、60處開設分支，1-1#-1#分支、1-1#-2#分支在縱向剖面上分別位于煤層頂板下方4 m、6 m處，孔深630 m.1-1(2)#主孔開孔方位37°，孔深636 m，1-1(2)#主孔在縱向剖面上位于煤層頂板下方8 m.1-1(2)-1#分支、1-1(2)-2#分支分別在1-1(2)#主孔30 m、60處開設分支，在縱向剖面上分別位于煤層頂板下方10 m、12 m處，孔深630 m.72 m鉆孔剖面圖見圖2.

圖2 72 m鉆孔剖面圖

2.2.2 材料巷東側50 m處鉆孔設計

在23109材料巷東側50 m一線防隔水煤柱寬度內部布置1組3個孔，鉆孔開孔方位29°，孔深630～636 m，在煤層縱向與東側72 m處鉆孔錯位布置。施工順序按照1-2#主孔、1-2#-1#分支、1-2#-2#分支。1-2#主孔根據72 m處1-1#主孔施工情況，在23109材料巷東側50 m一線的煤層頂板往下1.0 m處布置，以補充1-1#主孔在72 m處縱向上的鉆探空白，孔深636 m.1-2#-1#分支、1-2#-2#分支分別在1-2#主孔30 m、60處開設分支，1-2#-1#分支、1-2#-2#分支在縱向剖面上分別位于煤層頂板下方6 m、11 m處，孔深630 m.50 m鉆孔剖面圖見圖3.

圖3 50 m鉆孔剖面圖

2.2.3 材料巷東側30 m處鉆孔設計

在23109材料巷東側30 m一線防隔水煤柱寬度內部布置1組3個孔，鉆孔開孔方位21°，孔深630～636 m，在煤層縱向與東側72 m、50 m處鉆孔錯位布置，施工順序按照1-3#主孔、1-3#-1#分支、1-3#-2#分支。1-3#主孔根據72 m處1-1#主孔施工的情況，在23109材料巷東側30 m一線的煤層頂板往下3.5 m處布置，孔深636 m.1-3#-1#分支、1-3#-2#分支分別在1-3#主孔30 m、60處開設分支，1-3#-1#分支、1-3#-2#分支在縱向剖面上分別位于煤層頂板下方8.5 m、13.5 m處，孔深630 m.30 m鉆孔剖面圖見圖4.

圖4 30 m鉆孔剖面圖

鉆孔終孔分布圖見圖5.

圖5 鉆孔終孔分布圖

千米定向探測鉆孔施工過程中遇地質構造、巖層或塌孔等影響時，鉆孔達不到設計孔深，需進行補充鉆探，補充鉆探仍達不到設計孔深時，對所施工探測鉆孔進行分析評價，根據評價結果制定防治水措施。

2.3 施工流程

1)鉆探工藝流程：立鉆—安裝—定鉆—通電試運轉—開孔—固孔—正常鉆進—退鉆—拆鉆—移鉆。

2)鉆機固定：上部采用3根立柱單體支撐固定，下部還有4根單體，開孔前使用鉆機開孔定向儀確定鉆孔的方位及傾角。

3)在設計位置用d96 mm鉆頭以設計方位、傾角鉆進10 m，再用d196 mm鉆頭擴孔10.5 m.

4)安裝固定孔口管。a)將孔口套管插入上述擴孔后的鉆孔孔底，并用封孔器將鉆孔封閉。b)將注漿管路連接好。c)使用注漿設備往鉆孔內注入水泥漿，待孔口套管口外壁出現水泥漿滲出，結束注漿。d)待水泥漿凝固后，使用d96 mm鉆頭對孔口套管內水泥進行掃孔，正常鉆進。e)在孔口管上安裝控水閥門，管路連接好后即可進行耐壓試驗，壓力不小于預計最大水壓的1.5倍(即1.3 MPa)，觀察孔口及孔口管有無滲水、松動等現象，30 min后確認沒有方可結束耐壓試驗。在耐壓試驗中，如果出現滲水及孔口管松動等現象，要根據實際情況分析處理后再進行耐壓試驗，直至達到耐壓試驗要求。

3 實際探測情況

3.1 材料巷東側72 m處施工情況

23109材料巷澳鉆1-1#主孔，開孔方位38°，施工636 m，1-1#-1#分支施工633 m、1-1#-2#分支施工633 m，3個孔用時9天。施工過程中實際施工軌跡與預期的設計有一定誤差，根據該鉆孔施工情況分析：為了在最短的孔深內鉆進至預期層位，致使設計開孔傾角過大，鉆機穩固性降低。實際探測頂板層面標高高于根據煤層底板等高線推測的頂板標高。

1-1#(2)號主孔，開孔方位37°，施工636 m，兩個分支孔分別施工630 m、633 m,用時8天，主孔由于開口50 m內施工時方位偏差局部反向，設計分支孔曲率(1°～1.2°)/6 m,被迫超1°/6 m，見圖6.

圖6 72 m實際施工鉆孔軌跡圖

3.2 材料巷東側50 m處施工情況

23109材料巷澳鉆，在材料巷東側50 m處共施工鉆孔3個，1-2#主孔，開孔方位29°，此處共施工1 899 m，3個孔用時7天。根據材料巷東側72 m鉆孔情況，及時對煤層頂板底板進行重新預測和調整，從施工效果來看材料巷東側50 m處澳鉆施工相對于上處施工要更理想，影響時間也相對較少。此處施工鉆孔與東側72 m處鉆孔布置成錯落布置，以保證鉆孔在煤層縱向可以全覆蓋。

3.3 材料巷東側30 m處施工情況

23109材料巷澳鉆，在材料巷東側30 m處共施工鉆孔3個，主孔開孔方位21°.此處共施工1 896 m，用時10天。此處施工鉆孔與東側72 m、50 m處鉆孔布置成錯落布置，以保證鉆孔在煤層縱向可以全覆蓋。

4 優 點

該次在23109材料巷東側72 m、50 m、30 m 煤柱寬度內縱向錯位布置平行煤層頂底板邊界的探測鉆孔，可以有效避免老空巷道在鉆孔控制的范圍內減少漏洞。合理布置鉆孔，做到一孔多用，避免鉆探無效進尺，減少鉆探工作量和施工時間，節省固管材料和固管時間。根據探測實踐及分析研究，查清了防隔水煤柱的完整可靠程度以及工作面設計影響范圍內的老空賦存大致情況，為巷道設計、探測方案預先變更提供依據，并為后續ZDY-1300礦用液壓鉆機探測鉆孔減少了探測工作量，縮小了靶區，提高了探測效率。

5 建 議

通過在23109材料巷對馬圐圙煤礦和斜溝舊礦老空積水的探測設計和成果對比分析，提出定向鉆機在厚煤層探測異常區時鉆孔層位合理布置施工建議：

1)鉆孔布置首先要掌握探測區域的煤層變化情況。地質條件不清楚，可以先施工一個靠近頂板的主孔，在施工過程中應增加頂板探測密度，根據探測結果及時調整預計的煤層頂底板邊界線。

2)根據掌握的煤層頂底板數據，鉆孔沿煤層縱向上按1.5～2 m布置，鉆孔布置如果小于1.5 m,會有鉆孔穿孔的可能，如果大于2 m，會造成控制范圍太大，不能有效控制老空范圍。

3)鉆孔主孔盡量布置在分支的上部，這樣便于分支的留設。

4)每設計施工一個鉆孔必須明確探測目的及對探測區域內整體勘探布置中所起的作用，做到一孔多用，避免鉆探無效進尺，增加鉆探工作量和施工時間。