定向鉆機(jī)在礦井防治水中的應(yīng)用效果研究

管志強(qiáng)，張洪峰

（1.大同煤炭集團(tuán)永定莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037000；2.同煤集團(tuán)安全監(jiān)管五人小組管理部，山西 大同 037000）

引言

煤礦安全生產(chǎn)一直是備受關(guān)注的問題，影響煤礦安全生產(chǎn)的威脅源以瓦斯和水害事故為主。而且，水害事故的嚴(yán)重程度僅次于瓦斯事故。目前，主要以井下物探技術(shù)和大角度上仰常規(guī)鉆孔進(jìn)行頂板含水體的探查和疏放[1]，但這種防治水技術(shù)存在探查精度低、治理效果差的問題。為此，本文以某煤礦為例將定向鉆孔技術(shù)應(yīng)用于礦井的防治水中，并對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

某煤礦共含有煤層數(shù)量27 層，且煤層的平均揭露厚度為331 m。經(jīng)現(xiàn)場勘測可得：該煤礦可全部開采的煤層共有3 層，大部分可開采的煤層有8 層，局部可開采的煤層有8 層，剩余不可開采的煤層有4層。本文主要針對(duì)該煤礦2 號(hào)煤層的開采為研究對(duì)象，2 號(hào)煤層的平均厚度約為4.9 m，煤層面積共有58 m2，可開采面積占總面積的64%。2 號(hào)煤層的頂?shù)装迩闆r如表1 所示：

表1 2 號(hào)煤層頂?shù)装迩闆r

此外，2 號(hào)煤層工作面的水文條件如下：該區(qū)域水層的總靜儲(chǔ)量約為3.78×106m3，當(dāng)實(shí)際開采時(shí)在礦壓的影響下水層的靜儲(chǔ)量約為1.96×106m3。

針對(duì)某煤礦2 號(hào)煤層的地質(zhì)、水文以及頂?shù)装迩闆r，擬將定向鉆孔技術(shù)應(yīng)用于該煤層的防治水工作中。

2 定向鉆孔技術(shù)的應(yīng)用

考慮到工作面的物資的運(yùn)輸及排水的效率，在充分結(jié)合2 號(hào)工作面煤層走向及工作面周邊巷道情況的基礎(chǔ)上，將鉆場設(shè)定在31 采區(qū)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷和3121 工作面泄水巷的交匯處。

2.1 鉆孔的布置

按照定向鉆孔的影響半徑為50 m 計(jì)算，為2 號(hào)煤層工作面頂板布置6 個(gè)鉆孔，且鉆孔的分布形狀為束形。其中，在下分層含水層設(shè)置兩個(gè)鉆孔（編號(hào)為2 號(hào)、4 號(hào)），在上分層含水層設(shè)置四個(gè)鉆孔（編號(hào)1 號(hào)、3 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)），且上述六個(gè)鉆孔的位置及技術(shù)參數(shù)如表2 所示：

表2 鉆孔位置及技術(shù)參數(shù)

根據(jù)2 號(hào)煤層工作面的水文條件，將定向鉆孔穿過煤層后，采用斜鉆井技術(shù)穿過工作面的頂板并最終進(jìn)入含水層[2]。鑒于定向鉆孔防治水具有水壓、水量可控的優(yōu)勢，將鉆孔上套管的直徑設(shè)定為165 mm，該鉆孔穿過不穩(wěn)定巖層1 m 后將斜造段的鉆孔直徑設(shè)定為127 mm，將定向穩(wěn)斜段鉆孔直徑設(shè)定為96 mm。

2.2 定向鉆孔設(shè)備的配置

為滿足定向鉆孔技術(shù)在2 號(hào)煤層工作面的防治水工作，要求所采用的鉆井設(shè)備具有理想的機(jī)身調(diào)整范圍，并具有較高的抗干擾能力，以確保鉆孔工藝實(shí)施的安全性和可靠性。根據(jù)2 號(hào)煤層的地質(zhì)、水文等條件為定向鉆孔的實(shí)施配置如表3 所示的設(shè)備：

表3 定向鉆孔實(shí)施設(shè)備配置

除表3 所示，還為定向鉆孔設(shè)備配置了四種鉆桿，分別為通纜鉆桿、無磁鉆桿、螺旋鉆桿和順孔鉆桿。其中，通纜鉆桿的直徑為Φ73 mm，主要用于對(duì)定向鉆孔的施工；無磁鉆桿主要用于對(duì)鉆孔的探查，具有較強(qiáng)的抗干擾能力；螺旋鉆桿共有Φ120 mm 和Φ130 mm 兩種規(guī)格，主要用于鉆孔套管孔的施工；順孔鉆桿主要用于套管段的施工[3]。

2.3 定向鉆孔工藝的施工

根據(jù)前期鉆孔的位置參數(shù)及技術(shù)參數(shù)的確定，為定向鉆孔的實(shí)施配置了對(duì)應(yīng)的鉆探設(shè)備[4]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要為2 號(hào)工作面頂板的防治水工作鉆6 個(gè)定向孔，5 個(gè)分支孔。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，所鉆孔的總進(jìn)尺量可達(dá)3 363 m，單個(gè)鉆孔最大深度為594 m，對(duì)應(yīng)該鉆孔的最大出水量為216 m3/h。每個(gè)定向鉆孔完成后對(duì)應(yīng)的涌水量分別如下：1 號(hào)鉆孔的涌水量為46 m3/h；2 號(hào)鉆孔的涌水量為129 m3/h；3 號(hào)鉆孔的涌水量為162 m3/h；4 號(hào)鉆孔的涌水量為129 m3/h；5號(hào)鉆孔的涌水量為120 m3/h；6 號(hào)鉆孔的涌水量為216 m3/h。

3 應(yīng)用效果分析

采用定向鉆機(jī)開展對(duì)某煤礦2 號(hào)煤層的防治水工作，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)施可得：定向鉆機(jī)具有成孔率高，與傳統(tǒng)鉆設(shè)備相比其成孔效率可提升30%；整個(gè)鉆孔工藝的實(shí)施過程中套管孔的鉆進(jìn)僅需要2 d 的工期，為后期安全鉆進(jìn)和水壓的控制奠定基礎(chǔ)；經(jīng)隨鉆參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，定向鉆孔的偏差可以控制在0.5%的范圍之內(nèi)，具有精度高的優(yōu)勢[5]。

此外，采用定向鉆孔技術(shù)對(duì)工作面完成鉆孔工藝后，其防治水效果明顯。待定向鉆孔工藝完成后，在應(yīng)用一段時(shí)間內(nèi)，不同鉆孔對(duì)應(yīng)的疏水量如表4所示。

表4 鉆孔疏水量及涌水量變化統(tǒng)計(jì)

如表4 所示，定向鉆孔實(shí)施后2 號(hào)煤層工作面的涌水量明顯降低，說明定向鉆機(jī)在工作面頂板的探放水工作中具有良好的應(yīng)用效果。

4 結(jié)論

1）根據(jù)2 號(hào)煤層的頂?shù)装?、地質(zhì)以及水文等條件為工作面頂板的防治水工作設(shè)計(jì)6 個(gè)定向孔，將鉆場設(shè)定在31 采區(qū)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷和3121 工作面泄水巷的交匯處，以ZDY6000LD 履帶式全液壓定向鉆機(jī)為核心設(shè)備完成定向孔的實(shí)施。

2）根據(jù)設(shè)計(jì)要求及實(shí)施工藝完成鉆孔的施工，試運(yùn)行一段時(shí)間后工作面的涌水量明顯降低，而且在施工過程中發(fā)現(xiàn)采用定向鉆機(jī)具有鉆孔效率高、精度高的優(yōu)勢。