定向鉆探技術(shù)在煤礦防治水中應(yīng)用

馬 鵬 程

（晉能集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000）

0 引 言

探放水施工是煤礦掘進(jìn)工作面預(yù)防水害事故發(fā)生的重要技術(shù)手段，目前井下掘進(jìn)工作面主要采用鉆探技術(shù)手段確定水害位置、水壓并進(jìn)行疏壓降水，傳統(tǒng)探放水施工時(shí)探水鉆孔深度不大于200m，超前距不低于30m，巷道每掘進(jìn)一段距離后進(jìn)行一次探放水施工，直至巷道掘進(jìn)完成；但是在實(shí)際巷道掘進(jìn)過程中，傳統(tǒng)探放水施工工藝還存在很多問題，主要表現(xiàn)在以下幾方面：①鉆孔施工數(shù)量多，工程量大；②鉆孔施工期間對巷道影響較大；③探放水施工效率低，盲目性大等。不僅降低了探放水施工效率，而且嚴(yán)重威脅著巷道安全掘進(jìn)；所以采取合理有效的探放水施工工藝，對提高煤礦防治水效率及預(yù)防水害事故發(fā)生具有重要意義。

1 概 述

晉能集團(tuán)四明山煤業(yè)有限公司9104 運(yùn)輸順槽位于井田南部一采區(qū)，由北向南開拓，巷道設(shè)計(jì)長度1250m，斷面凈寬4.8m，沿9#煤層頂板向南開拓至井田邊界保安煤柱。北為9#煤南翼輔運(yùn)下山，南為井田邊界煤層保護(hù)線，東為實(shí)體煤層，西為實(shí)體煤層。

根據(jù)首采區(qū)地質(zhì)報(bào)告及已收集井下實(shí)見資料分析，9 號(hào)煤層頂板的充水來源主要受其頂板砂巖及K5 灰?guī)r裂隙含水層影響，砂巖裂隙含水層水源主要為裂隙含水，屬弱富水性含水層，對巷道掘進(jìn)影響不大；9#煤層上覆45m 為3#煤層采空區(qū)，預(yù)計(jì)含水量為7467m3，積水區(qū)主要位于巷道870～1030m 段，巷道掘進(jìn)期間在應(yīng)力作用下，采空區(qū)積水沿裂隙巖層涌入工作面，對巷道掘進(jìn)影響較大。9104 運(yùn)輸順槽采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝，截止目前巷道已掘進(jìn)450m。

2 巷道掘進(jìn)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

1）采用ZDY3700B 型鉆機(jī)并配套中空鉆桿進(jìn)行鉆孔施工，鉆機(jī)功率為50kW，鉆機(jī)壓力為30MPa，轉(zhuǎn)速為72r/min；中空鉆桿長度為1.5m，直徑為63mm，導(dǎo)向鉆孔鉆頭直徑為75mm，擴(kuò)孔鉆頭直徑為132mm。

2）由于工作面前方水文地質(zhì)條件簡單明確，四鄰無采空區(qū)及老窯水，工作面前方無需布置迎頭鉆孔，工作面每排布置5 個(gè)頂板鉆孔（1#-5#孔），所有鉆孔深度為150m，所有鉆孔與頂板仰角為20°，鉆孔終孔位置位于上覆巖層50m 處；其中5#鉆孔水平投影與巷道中線重合，1#、2#鉆孔在水平投影上分別左偏20°、40°，3#、4#鉆孔在水平投影上分別右偏20°、40°，所有鉆孔在空間上成“扇形”布置。

3）待工作面鉆機(jī)安裝完成后進(jìn)行鉆孔施工，當(dāng)鉆孔鉆機(jī)深度達(dá)11m 時(shí)停止鉆鉆進(jìn)并及時(shí)更換擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔施工，擴(kuò)孔深度為11m，擴(kuò)孔后對鉆孔內(nèi)安裝4 根PVC 孔口管并采用聚氨酯進(jìn)行封孔處理。

4）鉆孔封孔后對孔口段進(jìn)行注水耐壓試驗(yàn)，注水壓力為積水壓力的1.5 倍，耐壓時(shí)間不得低于20min，耐壓試驗(yàn)合格后方可繼續(xù)鉆進(jìn)。

2.2 問題分析

1）鉆孔施工工程量大：由于9104 運(yùn)輸順槽上覆采空區(qū)積水主要位于870-94m 段，巷道每次超前鉆探長度為150m，允許掘進(jìn)距離為100m，巷道掘進(jìn)期間共計(jì)需施工8 組探水鉆孔（40 個(gè)鉆孔），鉆孔總長度為6000m，鉆孔施工周期為27d，鉆孔施工工程量大，勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度高，而且鉆孔施工期間巷道被迫停止掘進(jìn)，影響巷道掘進(jìn)效率。

2）鉆孔無用孔數(shù)量多：采用傳統(tǒng)超前鉆探的方法進(jìn)行探放水施工時(shí)，鉆孔施工數(shù)量多，且多數(shù)鉆孔為無用孔，而且在鉆孔施工時(shí)盲目性，達(dá)不到預(yù)期探放水效率。

3 定向鉆探技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 定向鉆探技術(shù)原理

定向鉆探技術(shù)主要利用千米鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔施工，在鉆進(jìn)時(shí)通過螺桿馬達(dá)提供鉆進(jìn)動(dòng)力，同時(shí)采用鉆進(jìn)系統(tǒng)中的隨鉆測量系統(tǒng)對鉆孔軌跡、彎角以及方位角進(jìn)行實(shí)時(shí)測量并控制螺桿旋轉(zhuǎn)角度，使鉆頭按指定方位角進(jìn)行鉆進(jìn)，從而達(dá)到預(yù)期鉆進(jìn)的目的，定向鉆探深度一般在400m 以上，鉆進(jìn)準(zhǔn)確度在98%以上。

3.2 定向鉆探設(shè)備

9104 運(yùn)輸順槽采用定向鉆探施工時(shí)鉆機(jī)型號(hào)為ZDY45000 型，鉆機(jī)配套泥漿泵、二代鉆進(jìn)測量系統(tǒng)，具體技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 ZDY4500 型定向鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3.3 定向鉆探施工工藝

1）9104 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)至500m 處時(shí)采用定向鉆探施工，根據(jù)物探以及三維地震探測資料顯示，巷道上覆采空區(qū)積水主要位于870～1030m 段，與施工巷道垂直距離為45m，與巷道水平投影偏差角度為22°，所以通過研究決定施工四個(gè)定向探水鉆孔（1#-4# 孔），四個(gè)鉆孔平均深度為457m，如圖1 所示。

2）四個(gè)鉆孔布置掘進(jìn)巷道迎頭煤壁上，距頂板間距為1.8m，四個(gè)鉆孔成直線布置，間距為1.5m，所有鉆孔在前350m 以6°傾角快速鉆進(jìn)，鉆孔方位角偏差控制3°范圍內(nèi)，當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)至350m 后逐漸減小傾角，當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)至積水區(qū)時(shí)確保鉆孔傾角在2°。

圖1 9104 運(yùn)輸順槽定向鉆探軌跡曲線示意圖

3）根據(jù)地質(zhì)資料顯示，9104 運(yùn)輸順槽直接頂為炭質(zhì)泥巖厚度為6.7m，基本頂為粗砂巖厚度為17.6m，鉆孔擴(kuò)孔終孔位置位于堅(jiān)硬穩(wěn)定巖層即可，所以鉆孔封孔深度為12m，鉆孔采用變徑的方法進(jìn)行擴(kuò)孔施工，擴(kuò)孔段直徑分別為133mm 和153mm，擴(kuò)孔后對鉆孔內(nèi)安裝直徑為127mm 孔口管，并采用油井水泥進(jìn)行封孔處理。如圖2 所示。

圖2 油井水泥封孔工藝平面示意圖

4）鉆孔封孔完成后進(jìn)行注水耐壓試驗(yàn)，注水壓力為2.4MPa，注水合格后對鉆孔依次安裝泄壓閥、止水閥等，并繼續(xù)對導(dǎo)向鉆孔進(jìn)行鉆進(jìn)，在鉆進(jìn)期間通過隨鉆測量系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄鉆孔軌跡，并與設(shè)計(jì)鉆孔軌跡進(jìn)行對比分析，出現(xiàn)偏差時(shí)及時(shí)進(jìn)行校正。

3.4 實(shí)際應(yīng)用效果分析

1）縮短了鉆孔施工工程量及周期：9104 運(yùn)輸順槽采用定向鉆探技術(shù)后，鉆孔總施工長度為1828m，與傳統(tǒng)探放水施工工藝相比，鉆孔施工工程量縮短了4172m，鉆孔施工周期縮短了13d，提高了鉆孔施工效率，降低了鉆孔施工勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度。

2）保證巷道快速掘進(jìn)：傳統(tǒng)探放水施工工藝每掘進(jìn)100m 需進(jìn)行一次鉆孔施工，受探放水施工工藝影響，掘進(jìn)前期巷道平均掘進(jìn)速度為5.2m/d，采用定向鉆探技術(shù)后，鉆孔施工一次性到位，對巷道掘進(jìn)影響小，后期巷道掘進(jìn)平均速度達(dá)9.6m/d，保證了巷道安全快速掘進(jìn)。

3）探放水效率高：采用定向鉆探技術(shù)后四個(gè)定向鉆孔全部為濕孔，放水水壓為1.2MPa，共計(jì)對9104運(yùn)輸順槽上覆采空區(qū)放水量為7442m3，放水量與預(yù)計(jì)積水量基本相符，巷道后期掘進(jìn)過采空區(qū)積水段時(shí)頂板出現(xiàn)局部淋水現(xiàn)象，最大淋水量為0.2m3/h，對巷道掘進(jìn)影響不大，消除了上覆采空區(qū)水患。

4 結(jié)束語

晉能集團(tuán)有限公司地質(zhì)勘測部針對四明山煤礦9104 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)前期探放水施工效率差、周期長、勞動(dòng)強(qiáng)度大等技術(shù)難題，提出了定向鉆探技術(shù)，通過實(shí)際應(yīng)用效果來看，定向鉆探技術(shù)具有鉆孔施工量小、精度高等優(yōu)點(diǎn)，大大提高了探探放水施工效率，取得了顯著應(yīng)用成效。