長定向鉆探技術在礦井快速掘進工作面導水構造探測中的應用分析

柴文玉

（晉能控股煤業集團同忻煤礦，山西 大同 037003）

同忻煤礦8#煤層5104巷與下伏寒武系灰巖承壓含水層頂界面層間距為45～50m，8#煤層底板帶壓，工作面掘進過程中受寒灰帶壓水影響，需提前對掘進前方是否存在導水構造進行探測[1]。傳統綜掘機掘進巷道使用坑道鉆機進行前探孔施工，5104 巷使用掘錨一體機進行掘進，為適應其快速掘進的特點，使用長定向鉆機進行前探孔施工，用傳統坑道鉆機相比，長定向鉆機克服了其鉆進距離淺、鉆進軌跡不可控的缺點，有效實現長距離超前定向探測，探明了5104 巷掘進前方的構造賦存情況，為煤礦能夠正常高效的生產接續與建設提供保障。

1 項目背景

同忻礦正在開拓一盤區石炭系8#煤層，根據上覆3#～5#層地質孔揭露，一盤區8#煤層平均煤厚3.5m，煤層賦存穩定、構造簡單，8#層5104 巷設計長度1840m，傳統“有掘必探”方案為每100m施工一個探放水硐室，每個硐室內施工3個“有掘必探”鉆孔，單孔長度150m，根據以往實際施工經驗，探放水硐室施工完成后，“有掘必探”鉆孔施工時間為3～4d[2]。根據采掘部署方案該巷使用掘錨一體機掘進，掘錨一體機設計單進能力為每天20m，若該巷使用傳統方案執行“有掘必探”，存在以下兩點問題：

（1）掘錨一體機受自身結構限制，無法開掘探放水硐室，探放水硐室需要人工掘進，耗時較長。

（2）傳統方案施工時間長且安全距離較短，巷道掘進受安全距離限制，無法發揮出掘錨一體機快速掘進的能力。

針對以上存在的兩點問題需要對該巷道“有掘必探”方案進行修改，在保證安全的前提下發揮出掘錨一體機快速掘進的能力，為此，同忻礦引入千米定向鉆機施工該巷道“有掘必探”鉆孔[3]。

2 定向鉆探工藝流程及鉆孔施工

長定向鉆探技術即為鉆探方法，主要使用專門的工具或者是鉆孔非人為彎曲的法則，依據設計對鉆孔的軌跡的要求把其伸長到以前確定目標，能夠使其軸線在彎與直之間相互轉換，以達到定點透巷的目的。圖1為定向鉆探工藝流程示意圖。

2.1 施工工藝和程序

（1）移機定位。根據鉆孔設計的要求和鉆機操作規程的規定將鉆機搬移至開孔位置，按照規定方位角和傾角固定鉆機，開孔高度不得小于1.5m，當條件不具備無法按照設計參數開孔時，需經過地測科人員的認可后重新修訂設計參數。

（2）開孔和擴孔。移機定位穩鉆完成后即可進行開孔操作。鉆孔開孔之前，在孔口位置將煤壁網片剪開300mm × 300mm 的 開 口，便 于 下 鉆 開 孔。ZDY12000LD 鉆機使用?89mm 通纜鉆桿和?120mm四翼平底定向鉆頭。

（3）封孔及套管固定。

①下設止水套管：止水套管采用?153mm×1m 的鐵制止水套管，連接方式采用絲扣式，根據此處煤層厚度，止水套管封入長度10m。

②注漿固孔：固管時使用水泥標號不低于425#，無變質、結塊現象的水泥漿封閉固結。

③耐壓試驗：耐壓試驗后漏水試驗孔口管管壁及管口四周不漏水為漏水試驗合格。否則，重新進行注漿，直至合格為止。

④套管固定：在鉆孔開孔四周距離孔口500mm 的位置，預先打設4根長度為8m的固定錨桿。止水管全部送入鉆孔后，用鎖具將孔口封孔管法蘭盤與錨索連接固定。

2.2 鉆孔施工

（1）校正彎頭方向。

①將孔內馬達放入孔內并連接孔底工具鉆桿。

②退回鉆桿使彎頭方向標記露出孔外并將彎頭方向設置為360°。

③進行一次檢查測量以確認彎頭方向為360°。

④加上鉆桿直到孔內馬達、孔底工具以及鉆桿全部進入孔內。

（2）開新孔操作。

①將孔內馬達送入已擴好孔的孔底，啟動水泵，待孔中返出水，確認返渣正常后，用孔內馬達鉆進至9m處。

②按復位按鈕進行檢查測量，記錄方位角讀數。

③按測量進行第一次測量。記錄數據。

（3）正常鉆進操作。

①每3m 進行一次測量，與設計軌跡進行對比，根據偏移情況決定彎頭方向的調整策略。

②鉆進過程中鉆機操作人員必須精神集中，嚴防誤操作導致的設備損傷或人員傷亡。

③接鉆桿時應保證鉆桿內清潔無雜物，絲扣上抹黃油，鉆桿的連接彈簧應與母扣端觸點對準，嚴禁使用彎曲、變形及損壞的鉆桿。

④鉆進過程中如遇垮孔或卡鉆、水壓突然升高等異常現象，應立即停鉆，查明原因，根據情況采取相應的應對措施，必要時應將鉆桿及時撤出至安全位置，嚴防鉆桿卡在孔內。

⑤如遇特殊情況無法處理，應將鉆桿退至安全位置后及時和有關部門聯系，共同協商解決、處理辦法，保證鉆機正常工作。

⑥當鉆場瓦斯濃度達到0.8%時，停止作業并斷電，及時撤出人員，并向礦調度室匯報；當遇到涌水異常，必須停止鉆進，進行處理或注漿，在確認沒有問題后方可開鉆。

⑦每班工作結束將數據存入拇指U 盤攜帶上井，交項目部保存。

（4）完孔。當鉆孔施工至設計深度后，應進行一次洗孔，以確保退鉆順利和通道暢通，完孔后應及時將井下記錄提交礦方地測部門，地測部門對終孔參數進行處理后及時輸入數據庫，將鉆孔軌跡及時描繪在礦圖上。

（5）撤鉆。鉆孔施工完畢后將鉆桿全部退出，卸下孔底馬達。斷開地錨與鉆機之間的聯接。

3 在進行長定向鉆工作時需要注意的事項

（1）在施工現場的綜采深度在地下500m，導致地應力在地質結構和開采深度等條件的影響會變大，經常有卡鉆、堵孔等現象出現在普通的鉆機在鉆進的過程中，導致鉆孔不能使用[4]。所以，施工至煤層內，并開孔把套管下好以后，使用帶有定向的鉆頭，使其改變之前的軌跡到煤層下部的穩定煤體內，為其鉆孔能夠穩定性與穩固性提供保障，減少了可能出現塌孔的幾率[5]。

（2）在使用定向鉆具進行鉆進的時候，會有煤粉、巖粉產生，而且這兩種粉塵極易把鉆具給堵住，致使鉆機長時間起鉆，對鉆進 的進度有很大影響[6]，鉆進過程中如遇垮孔或卡鉆、水壓突然升高等異常現象，應立即停鉆，查明原因，根據情況采取相應的應對措施，必要時應將鉆桿及時撤出至安全位置，嚴防鉆桿卡在孔內[7]。

4 評價效果

本次“有掘必探”鉆孔在5104開掘正巷前完成了施工，實際施工鉆孔兩個，單孔孔深822m，總進尺1644m，與傳統方法相比，節省“有掘必探”進尺2000m以上，該巷道后續掘進日進尺平均達到18m，效率為懸臂式掘進機巷道的2 倍以上[8]。表1 為千米定向鉆+掘錨一體機與坑道鉆機+懸臂式掘進機掘進進尺情況表。圖2為坑道鉆機與千米定向鉆機鉆孔每百米“有掘必探”進尺對比圖。

表1 掘進進尺情況表

5 結論

（1）與之前固有的探放水工藝相比較，長定向鉆探技術一次探測距離遠，無需多次施工探放水硐室，還具有的特點方是方便操作、高的可控性與準確度，在開采比較深煤層時，由于地層所帶來的壓力、出現的塌孔、卡鉆等狀況都能夠克服。

（2）同忻煤礦千米定向鉆機的使用，同忻煤礦的工作面順槽巷道掘進的安全性得以實現，使接續不足的狀況得到了解決，帶來了經濟效益與安全性，可以讓相似狀況的探放水進行借鑒，可以被廣泛的使用。

（3）長定向鉆探技術能夠完成在非常遠的距離進行構造、老空水探放，只要施工2 個或者是3 個鉆孔即可達到目的，這樣可以預防在頂水施工所帶來的危險，還能降低采空區由于鉆孔之后不能密封其孔口而導致漏風的可能，為礦井生產的安全性、高效性提供保障。