定向鉆孔探測技術(shù)在煤礦防治水的應(yīng)用

南建華

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

我國是一個煤炭資源豐富的國家，有些煤礦的水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜，井下地質(zhì)探測是其中重要的工作之一，地質(zhì)探測的正確與否，不僅影響地質(zhì)勘探方法的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，而且影響礦井正常安全生產(chǎn)。近年來，在煤礦突發(fā)事故造成人員死亡中，礦井水害是主要災(zāi)害之一。目前防治水技術(shù)措施主要包括預(yù)測探放水、重點(diǎn)區(qū)域疏水降壓、含水層進(jìn)行注漿處理、完善礦井防排水系統(tǒng)等技術(shù)措施。近年來，隨著煤炭鉆探技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，其中定向鉆探技術(shù)在煤礦底板注漿改造過程中得到廣泛應(yīng)用，鉆探技術(shù)已經(jīng)成為探測礦井防治水災(zāi)害的重要手段和工具[1-3]。

1 定向鉆孔探測技術(shù)的原理及類型

地質(zhì)勘探定向鉆進(jìn)技術(shù)是根據(jù)設(shè)計要求，利用鉆孔的自然彎曲特性的規(guī)律或使用人工傾斜工具將鉆孔準(zhǔn)確達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的一種鉆進(jìn)方法。定向鉆進(jìn)技術(shù)的原理是根據(jù)設(shè)計要求，使用鉆孔實(shí)時監(jiān)測工具將鉆孔的軌跡按照計劃到達(dá)預(yù)定目標(biāo)的鉆進(jìn)方法。同時，在鉆孔探測過程中，測量儀器對鉆孔參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，以確定造斜工具的方向。定向鉆進(jìn)技術(shù)具有軌跡可控性高、鉆進(jìn)距離長、精度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。

1.1 按施工技術(shù)方法分類

自然彎曲定向孔：在具備一定鉆井條件的情況下，鉆孔的軸線主要是根據(jù)鉆孔自然彎曲特性規(guī)律進(jìn)行設(shè)計的；主要是通過變換鉆孔的位置和方位角，然后運(yùn)用傳統(tǒng)的技術(shù)工藝；在必要時，用增減斜的一般措施對孔斜控制理論進(jìn)行補(bǔ)充，以便基本上按照設(shè)計的鉆孔軸線對目標(biāo)層進(jìn)行鉆進(jìn)，自然彎曲定向鉆進(jìn)也稱為主定向孔。

人工彎曲定向孔：通過采用人工的手段運(yùn)用相應(yīng)的工具和方法對鉆孔進(jìn)行人工彎曲，這種方式不受鉆孔自然彎曲對鉆孔方向和位置等因素的影響。同時，也可利用自然彎曲規(guī)律與人工彎曲工具相結(jié)合的方法，使鉆孔按照設(shè)計的軌跡到達(dá)目標(biāo)位置，又稱可控制定向孔。

1.2 按設(shè)計井眼軸線形狀分類

兩維平面定向孔：是指井眼軸線軌跡只在某個鉛垂平面(水平平面)上變化的定向孔，孔斜角是變化的，而方位角是不變的。

三維定向孔：是指鉆孔軸線在三維空間中變化的定向孔。鉆孔軸線可以是任意三維空間，也可以是三維空間中的斜面上。其中既有鉆孔的傾角的變化，還有孔的方位角變化。鉆孔跡線有折線、直線和曲線多種組合。

1.3 按設(shè)計最大孔斜角分類

低斜度定向孔：一般低斜度的定向鉆孔角度不超過15°，由于這類定向孔的孔斜角一般較小，鉆進(jìn)時鉆孔的方位控制的難度較大，同時增加了鉆孔鉆進(jìn)的難度。

中斜度定向孔：一般中斜度的孔斜角設(shè)計范圍在15°～45°，在鉆進(jìn)的過程中，孔斜和方位比較好控制，同時鉆進(jìn)難度非常小，是應(yīng)用最為廣泛的一種。

大斜度定向孔：最大孔斜角設(shè)計的范圍在46°～85°之間，由于其鉆孔斜度大，大大增加了水平位移的距離，提高了鉆孔鉆進(jìn)的難度和成本。

1.4 按鉆孔孔底結(jié)構(gòu)分類

單底定向孔：在鉆孔過程中只有一個主干孔眼的定向孔。

多底定向孔：指在主干孔在鉆進(jìn)過程后，再從主干孔內(nèi)進(jìn)行其他分支孔的定向孔。它又分單級和多級分支定向孔。

2 礦區(qū)地質(zhì)概況

新景礦井田位于陽泉礦區(qū)太行山脈北段西側(cè)，廟梁及綠巖腦分水嶺以南，地勢北部、西北部高，南部桃河低，全區(qū)山高坡陡、河谷深切，形成復(fù)雜的高山地貌。煤層賦存總體呈現(xiàn)東北部高而西南部低，傾角一般6°～10°，本區(qū)開采石炭系上統(tǒng)太原組及二迭系下統(tǒng)山西組煤系地層。礦區(qū)主要采煤層為3#煤層，頂板主要以灰黑色砂質(zhì)泥巖和灰色中-粗粒砂巖為主，厚度平均8.10 m，底板以灰黑色砂質(zhì)泥巖和細(xì)粒砂巖為主，平均厚度為14.3 m，均具有不同程度的透水性和含水性，透水性比較強(qiáng)。

7211工作面屬于+525水平佛洼3#煤采區(qū)，煤層傾角為2°～10°，煤層厚度平均2.53 m，工作面設(shè)計走向長度1 429 m，傾斜長度為200 m，工作面標(biāo)高為460～500 m。由于相鄰東部采區(qū)7209工作面已經(jīng)回采完畢，但采空區(qū)內(nèi)的積水嚴(yán)重影響7211工作面軌道巷的安全生產(chǎn)，為保證正常工作，必須對7209工作面采空區(qū)內(nèi)的水進(jìn)行施工鉆孔疏放水。由于常規(guī)的鉆孔工藝無法滿足鉆孔隨軌跡測量裝置進(jìn)行到設(shè)計區(qū)域，因此，為滿足這一需求采用定向鉆孔技術(shù)在7211工作面軌道巷350 m處向采空區(qū)實(shí)施長距離定向鉆孔疏水工作。

3 定向鉆孔疏放水方案設(shè)計與現(xiàn)場測定

3.1 定向鉆孔疏水設(shè)計的原則

定向鉆孔、鉆孔布置應(yīng)該與工作面巷道工程圍巖環(huán)境、構(gòu)造條件、采掘現(xiàn)狀、排水通道、鉆機(jī)能力相適應(yīng)。定向鉆孔試驗(yàn)工程盡可能以鉆孔成孔性、提高疏放水量為目的，鉆孔位置盡量布置在試驗(yàn)區(qū)域的低洼處，始終保持施工仰角鉆孔。根據(jù)工作面的含水層特點(diǎn)分上下2個含水層，并分別布置鉆孔進(jìn)行頂板水的疏放。根據(jù)井下定向探放水鉆機(jī)能力，結(jié)合工作面情況，合理布置鉆孔長度，同時合理布置鉆孔間距。

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計

本次井下定下疏水鉆孔使用1#、2#鉆孔套管進(jìn)行鉆孔設(shè)計。使用直徑為153 mm的鉆頭進(jìn)行開孔，鉆孔鉆進(jìn)的長度以過煤層垂距6 m為標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，滿足條件方可使用。然后用直徑為146 mm的套管進(jìn)行放置，使用煤礦井下專用注漿泵，采用1∶1.5的水灰質(zhì)量比進(jìn)行水泥漿注漿固定套管，以孔壁周圍不漏水為標(biāo)準(zhǔn)，否則應(yīng)該重新固定套管。進(jìn)入定向鉆孔階段后，主要采用具有監(jiān)測系統(tǒng)的定向鉆孔技術(shù)工藝，進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控施工，鉆孔直徑為98 mm，在用巷道布置3個定向鉆孔點(diǎn)，定向鉆孔設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 定向鉆孔設(shè)計參數(shù)

3.3 施工設(shè)備

7211工作面軌道巷鉆孔選用鉆機(jī)的型號為ZDY6000 LD型履帶式全液壓鉆機(jī)，該鉆孔機(jī)的最大扭矩為6 000 N·m，給進(jìn)壓力為180 kN。固定套管所用的水泥漿泵選擇3NB-320/8-30型煤礦用活塞泵，最大排量為320 L/min。鉆孔采用中心通纜式鉆桿，其中通纜鉆桿是進(jìn)行定向鉆孔實(shí)施的主要工具。測量軌跡系統(tǒng)是由YDH2-1000J礦用隔爆兼本安型計算機(jī)、信號中繼器、礦用本安型存儲器和隨鉆測量探管等組成。本系統(tǒng)可對鉆孔的位置、傾角、方位角和距離等參數(shù)做到實(shí)時測量。

3.4 定向鉆孔疏放水現(xiàn)場測定

為了使工作面能夠達(dá)到良好的疏放水效果，根據(jù)試驗(yàn)區(qū)周邊巷道及現(xiàn)有排水通道情況，采空區(qū)內(nèi)的疏放水定向鉆孔全軌跡高程必須低于靶點(diǎn)高程，應(yīng)嚴(yán)格控制鉆孔的軌跡，從而保證鉆孔達(dá)到最佳疏放水探測的效果，定向鉆孔軌跡平面如圖1所示。

圖1 定向鉆孔軌跡平面

7211工作面軌道巷定向鉆孔工藝嚴(yán)格按照設(shè)計方案進(jìn)行，并精確控制鉆孔軌跡，使其孔向按照設(shè)計方案進(jìn)行鉆進(jìn)，最終成功的到達(dá)指定靶心點(diǎn)對采空區(qū)內(nèi)積水進(jìn)行疏放。現(xiàn)場實(shí)測1#孔的出水量在36 m3/h左右，2#孔的出水量在31 m3/h左右，3#孔的出水量在28 m3/h左右，兩孔的出水量差異較小且較為穩(wěn)定，日疏放水量在1 600 m3，滿足煤礦安全規(guī)程的規(guī)定要求。同時定向鉆孔具有精度高、可控性高、鉆孔速度快等特點(diǎn)，可保障工作面的安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

(1)針對礦井采空區(qū)含水量較大的情況，采用定向鉆孔技術(shù)可有效探測采空區(qū)的水害情況，能夠?qū)崿F(xiàn)開采突水的有效預(yù)防與監(jiān)測監(jiān)控。

(2)對定向鉆孔技術(shù)在新景煤礦的應(yīng)用，有效地預(yù)測了該礦井7211工作面附近采空區(qū)的含水量情況，能夠有效的保證礦井的安全生產(chǎn)。