定向鉆探技術在李雅莊煤礦水害防治中的應用

王春海

（山西焦煤霍州煤電集團有限責任公司李雅莊煤礦，山西 霍州 031400）

近年來隨著各礦區開采范圍（廣度、深度、難度）的增加，煤礦面臨的水害問題日益突出。當前各煤礦在礦井水害治理工作中存在的問題較多，主要表現在常規鉆孔精確性差、探查范圍有限。利用定向鉆探技術的優勢[1-6]，將其應用在煤礦井下底板疏水降壓、底板注漿改造、超前探放水和對穿放水鉆孔施工中，對提高煤礦水害防治效果具有重要意義。

1 工程概況

霍州煤電集團李雅莊煤礦位于山西省臨汾市霍州市師莊鄉，井田面積30.415 1 km2，核定生產能力為240 萬t/a，現開采煤層為1#、2#煤層，平均厚度2.75 m。礦井為斜井開拓，現生產水平為+355 m 水平，瓦斯等級為高瓦斯。2-603 工作面位于六采區末端，巷道設計長度為2112 m，主采山西組2#煤，瓦斯放散初速度△p為4～5，煤的堅固性系數f為0.65～0.87，煤的瓦斯壓力為0.47～0.48 MPa。頂板為粉砂巖或泥巖，局部中細粒砂巖，底板為灰色細砂巖或粉砂巖，局部為黑色泥巖。

2#煤層頂板充水來源為其頂板下石盒子組砂巖含水層，主要是K8、K9 砂巖，為弱富水性含水層。2#煤層上覆39 m 為1#煤層采空區，1#煤層采空區積水約5356 m3，在采空區大量積水的水壓和掘進期間應力作用下，采空區積水可能通過導水裂縫帶和巖層裂隙涌入到2-603 工作面，對2-603 運輸巷的掘進施工影響較大，會嚴重降低掘進施工效率。

2 巷道掘進前期探放水施工工藝及問題分析

2.1 前期探放水施工工藝分析

（1）鉆孔設備。2-603 運輸巷采用超前鉆探設計施工方案，采用ZDY3700B 型煤礦用膠輪式全液壓坑道鉆機+中空鉆桿。鉆機施工作業參數：額定轉矩為3500～800 N·m，額定轉速為80～300 r/min，主軸傾角-90°～+90°，制動轉矩為1000 N·m，最大給進/起拔力為85/85 kN，給進/超拔行程1250 mm，電機功率為75 kW；配套鉆桿長度1500 mm，直徑73 mm；鉆孔深度500/350 m。

（2）鉆孔布置。2-603 運輸巷掘進前期，在工作面距頂板1.8 m 位置處共布置有5 個探測鉆孔（1#、2#、3#、4#、5#），鉆孔間距1.0 m，鉆孔深度150 m，鉆孔直徑65 mm，鉆孔與頂板仰角為20°，終孔位置位于上覆巖層50 m 處。

（3）封孔工藝。擴孔深度設置為11 m，擴孔后孔徑為135 mm，擴孔后向鉆孔內安裝4 根PVC封口管進行封孔處理。

2.2 問題分析

2-603 運輸巷前期探放水施工工藝存在問題：

（1）探放水鉆孔施工數量多，施工總長度大，施工周期長。受采空區積水的影響，2-603 運輸巷超前鉆探施工方案中，共需要10 組50 個鉆孔，因此造成需要施工的鉆孔總長度可達7600 m，施工周期可達到35 d，鉆孔施工工程量大，勞動強度高，嚴重影響運輸巷道掘進效率。

（2）鉆孔無用孔數量多。在施工的50 個鉆孔中，近2/3 的鉆孔為無用鉆孔，沒有起到放水作用，探放水效率不高，探放水效果不理想，必須進行優化調整。

3 定向鉆探技術的實踐應用

3.1 定向鉆探技術原理

定向鉆探技術是采用現代化千米鉆機進行超前探測鉆孔施工，泥漿泵提供的高壓水進入孔底驅動馬達提供鉆進動力，實現鉆頭旋轉切削煤巖層。施工時隨鉆測量系統實時采集鉆孔軌跡、彎角、方位角等技術參數，對測量數據進行處理、顯示，形成鉆孔實鉆軌跡，并控制螺桿旋轉角度來調整鉆孔軌跡。煤礦井下定向鉆探施工關鍵技術主要為軌跡控制、開分支、層位控制及復合鉆進等技術。

3.2 定向鉆探設備

調整后，2-603 運輸巷定向鉆探施工設備為ZDY12000LF 松軟煤層超深孔水平定向鉆機，額定轉矩12 000～30 000 N·m，轉速50～150 r·min-1，額定功率132 kW。鉆機配套泥漿泵和二代鉆進測量系統。

3.3 配套技術措施分析

3.3.1 安全防護措施

在防治水鉆孔施工過程中鉆遇高壓含水地層時，容易出現噴孔現象，特別是在長距離探放水鉆孔施工過程中，危險系數大大增加，孔口安全措施必須做到位，借鑒石油鉆孔防噴技術，在孔口安裝防噴器，在中心通纜鉆桿中加入防噴逆止閥短接，能夠大幅度提高施工安全性。

3.3.2 鉆孔結構設計

國內應用較多的定向鉆進技術施工鉆孔孔徑主要有96 mm、120 mm 兩種規格，為保障鉆孔順利施工，并為孔內事故處理留有余地，本次定向鉆孔作業施工采用120 mm 鉆孔孔徑。

3.3.3 高效鉆進措施

定向鉆進技術依靠螺桿鉆具帶動鉆頭回轉切削巖石，實現鉆進施工，當鉆孔深度超過600 m，特別是達到800 m 以上時，孔口給進力難以傳遞至孔底，鉆進效率下降。本次鉆孔含水地層為質地堅硬的砂巖，深孔鉆孔施工效率可能不高，通過摸索采用大扭矩螺桿馬達提高鉆進效率。

3.4 定向鉆探施工工藝

（1）經物探結果確認，在巷道推進至840 m位置處應用定向鉆探施工工藝。由于2-603 運輸巷上覆1#煤層采空區積水位置主要位于1630～1760 m段，基于采空區積水位置與2-603 運輸巷垂直距離和水平投影偏差角度的影響結果，設計確定施工4個（1#、2#、3#、4#）定向探水鉆孔，鉆孔平均深度為468 m。定向鉆探軌跡曲線如圖1。

圖1 2-603 運輸巷定向鉆探軌跡曲線示意圖

（2）鉆孔布置。1#、2#、3#、4#呈一條直接布置，鉆孔間距1.5 m，與水平投影偏差角度為22°，如圖2 所示。

圖2 定向鉆孔布置示意圖（m）

（3）2-603 運輸巷直接頂為6.5 m 的炭質泥巖，基本頂為16.9 m 的粗砂巖，因此確定鉆孔封孔深度12 m，采用變徑鉆孔用鉆頭進行擴孔施工，如圖3。從圖3 中可知，擴孔段直徑為133 mm 和153 mm，擴孔后在鉆孔內安裝127 mm 的孔口管，采用油井水泥封孔處理。

圖3 鉆孔油井水泥封孔工藝示意圖（mm）

（4）封孔完成后必須進行注水耐壓試驗的測試，之后再安裝卸壓閥、止水閥、卸壓排水三通，安裝逆止閥并繼續進行鉆進施工，同時對隨鉆測量系統采集的實時數據和軌跡進行記錄，并調整和校正鉆孔軌跡，防止鉆孔軌跡出現偏差。

3.5 實際應用效果分析

（1）大幅度降低了探放水鉆孔施工數、施工總長度、施工周期。從840 m 位置處進行定向鉆探施工，僅需施工探放水定向鉆孔4 個，鉆孔長度僅為1872 m，定向鉆孔周期為12 d。對比傳統探放水施工工藝，定向鉆探技術的鉆孔數量、施工工程量、施工周期都有了大幅度降低，探放水鉆孔施工效率大幅度提高，勞動強度大幅度降低，有效提高巷道掘進效率。

（2）探放水效果好。定向鉆探技術施工的4 個鉆孔均為濕孔，水壓1.4 MPa，計放水量5337 m3。該放水量與1#煤層采空區探測到的積水量基本相符，探放水工作效率高、效果好，有效消除了1#煤層采空區的水患。

（3）有效提高了巷道掘進效率。定向鉆探技術采用一次性成孔技術，對比以往鉆孔施工周期縮減至12 d，2-603 運輸巷道的平均掘進速度提高至10.9 m/d，巷道掘進效率大幅度提高。

4 結語

定向鉆探技術應用效果理想，能大幅度縮短鉆孔施工工程量及施工周期，探放水效果好，有效提高巷道掘進效率。