定向鉆機在遠距離探放水施工過程的應用研究

高曉崗

（山西焦煤西山煤電 鎮城底礦，山西 太原 030053）

0 引 言

我國煤礦資源儲量豐富，但整體覆存不均。隨著多年的開采，覆存較為簡單的資源大部分已經開采完畢，目前開采的重點逐步向著覆存較為復雜的煤層進行轉移。在巷道開挖過程中，常常會出現采空積水問題，嚴重威脅著礦井的安全高效開采，所以及時探清施工水害問題是保證礦井正常開采的重要手段。定向鉆機能夠快速、精準的打進采空區內，提前對影響工作面施工安全的采空積水進行探放，消除老空水害威脅；同時定向鉆機能夠在開掘巷道施工前對巷道進行遠距離超前探測，判斷隱伏構造，有助于日常生產工作中有計劃的揭露各種地質構造，減小現場施工人員的事故風險。本文利用定向鉆機對鎮城底礦南翼上組探水巷西部義城及宏遠煤礦破壞區水文情況進行研究，為礦井后續安全生產提供可靠的地質資料。

1 概 況

鎮城底礦位于山西省古交市西北處，礦井田占地面積約16.63 km2，礦井西北走向6.6 km，南北走向平均寬度約為3.6 km，年設計生產能力190萬t。鎮城底礦南翼上組探水巷位于該礦南三采區，水文地質條件復雜。義城及宏遠煤礦破壞區位于南翼上組探水巷西部，義城煤業為2010年批準重組整合煤礦，礦井采用斜井立井聯合開拓方式，主要開采煤層為2.3、4、8、9號煤層，其中2.3、4號煤層已大部采空；古交市宏遠煤礦位于南翼上組探水巷西南，緊鄰鎮城底礦南三采區，批準開采2.3號煤層，于2007年被省國土廳關閉。據調查，義城及宏遠煤礦破壞區距鎮城底礦南翼上組探水巷最近處為120 m，預計破壞區積水面積為90 364 m2，積水量為13 5546 m3，水位標高為828—875 m，積水深度為47 m，最大水頭壓力為0.47 MPa，對南翼上組探水巷掘進影響較大。

2 定向鉆機的應用及優點

普通鉆機鉆進時無法精確控制其鉆進角度及方向，且鉆孔深度無法滿足鎮城底礦要求，為了對義城及宏遠煤礦破壞區內采空積水進行精準探放，選用定向鉆機進行施工。考慮到鎮城底礦井下巷道坡度大、距離遠等實際情況，此次施工采用重慶煤科院研發生產的ZYWL-6000DS（分體式多方位）型定向鉆機，該鉆機爬坡能力強，行走速度快，能有效解決施工人員肩扛手抬的事故風險，減少了施工人員勞動強度，保證了人員安全。

利用定向鉆機有效距離長、可分支探測、精度高等特點，此次探測采用1個主孔2個分支的施工方式，縮短了施工工期，節省了施工成本。該鉆機自動化程度高，操作簡單，正常情況下2人即可完成鉆進工作，減少了人員數量，節省了人員成本。

由于施工期間煤層及其圍巖的不均質性，加之鎮城底礦地質構造變化復雜，施工鉆孔過程中極易發生孔內事故。為此，此次鉆孔過程中選用凹槽通纜鉆桿，增加排渣能力，降低事故幾率。

3 探放施工研究

3.1 施工設計

此次采用ZYWL-6000DS定向鉆機進行施工，施工共設計3個鉆孔，Z1、Z2鉆孔用于探放水，Z3鉆孔用于探測F215斷層走向。鉆孔設計參數見表1。

表1 鉆孔設計參數Table 1 Drilling hole design parameters

鉆孔設計平面如圖1所示。

圖1 鉆孔設計平面圖Fig.1 Drilling hole design plane

3.2 鉆探過程及成果

鎮城底礦于2020年10月10日開始施工各鉆孔，施工至11月3日結束，累計施工1個主孔，2個分支孔，累計進尺1 104 m。Z1鉆孔施工過程中在煤巖交界面發生塌孔，通過反復洗孔方可通過，共施工501 m；后退至102 m處開分支施工Z2鉆孔，在348 m處發生塌孔，洗孔過程中旋轉壓力達到16 MPa，洗孔一個班無法通過，綜合判斷施工風險后停止施工Z2鉆孔，共施工246 m；后退至78 m處分支施工Z3鉆孔，共施工321 m，后因客觀原因結束本次施工。Z1、Z2、Z3孔實際軌跡如圖2所示，施工過程中煤巖統計情況見表2。

圖2 Z1、Z2、Z3孔實際軌跡剖面圖Fig.2 Profile of No.Z1,Z2,Z3 hole actual drilling trajectory

表2 鉆孔煤巖情況統計Table 2 Statistics of coal and rock condition in drilling hole

續表

（1）根據Z1、Z2、Z3鉆孔見煤點的實際標高，發現實際煤層底板等高線和預想煤層底板等高線誤差在10 m左右，根據施工情況對2.3號煤層采掘工程平面圖煤層底板等高線進行了修正。

（2）探測前，預計義城及宏遠煤礦破壞區積水面積為90 364 m2，積水量為135 546 m3，水位標高為828—875 m，積水深度為47 m，最大水頭壓力為0.47 MPa。通過Z1、Z2、Z3鉆孔的實際施工情況分析，各鉆孔施工過程中未進入采空區，后以Z1鉆孔進入義城及宏遠煤礦破壞區2.3號煤層底板標高預計積水區，修改預計水位標高為818—840 m，積水深度為28 m，最大水頭壓力為0.28 MPa。

（3）根據《山西省煤礦老空水害防治工作規定》中“三線”劃分，探測前，因沒有資料可查，根據預測的破壞區作為積水線，積水線外推100 m作為探水線，探水線外推80 m作為探水警戒線。定向鉆機探測后，探水線未變，修改探水線外推50 m作為探水警戒線。

（4）該鉆機施工孔深長，本次施工最大孔深501 m，滿足地質超前探的距離。Z1鉆孔在積水線實際位置與設計偏差為0.8 m，施工精度高，可滿足鎮城底礦精細化勘探的需求。

3.3 經濟效益分析

對ZYWL-6000DS定向鉆機施工過程的經濟效益進行分析。

若探放水隊利用普通鉆機進行超前鉆探，因施工巷道為帶壓開采，根據《山西省煤礦老空水害防治工作規定》中對厚煤層巷道在警戒線內、探水線以外過渡區域鉆孔布置要求，每次鉆探時鉆孔至少要比巷道在警戒線以外區域多布置4個，此次項目施工至少要多耗時2個班。按照每噸煤3 000元計算，2個班生產收益約111萬元，扣除耗費探放水鉆機、鉆桿、鉆頭的費用，ZYWL-6000DS定向鉆機相比普通鉆機可節省約109萬元。

4 結 語

鎮城底礦采用定向鉆機對義城及宏遠煤礦破壞區內采空積水進行精準探放。根據實際施工情況對2.3號煤層采掘工程平面圖煤層底板等高線進行了修正，同時對積水區進行修正，為鎮城底礦之后的安全生產提供可靠的地質資料。