煤礦防治水作業(yè)中定向鉆探技術的應用分析

＊王 躍

（霍州煤電集團汾河焦煤公司三交河煤礦 山西 041600）

引言

基于煤礦在進行掘進時較容易出現(xiàn)發(fā)水災害，所以設置了探放水的手段進行輔助施工，其主要目的是運用鉆探技術方式去探測水害區(qū)域，并疏壓降水。以前每次進行探放水時，只有30多米的超前距，只能鉆不到200米的探水鉆孔，掘進幾步就要探放水幾次，重復至全部掘進完成，在此過程中，會發(fā)生很多阻礙：（1）太過盲目，完成探放水的效率不高；（2）巷道因鉆孔施工的影響很深；（3）太多的鉆孔等待施工，工程繁瑣。巷道掘進環(huán)境不夠安全，探放水效率不高；因此，制定新的探放水工藝，可以更加有效合理降低水害發(fā)生，防治水效率也會相應提高。

1.概述

某礦采區(qū)坐落在井田南部，其運輸順槽選擇的是9104型號，巷道開拓斷面4.8m，自北向南共1250m，頂板順9#煤層往南一直掘進到保安煤柱，屬于井田邊界。

分析井下收集的首采區(qū)實時資料，結合9號煤層實際地質報告，得出裂隙含水是從K5灰?guī)r和頂板砂巖產生的，裂隙水層造成了頂板充水，含水層是弱富水性，不太影響巷道掘進；煤層3#采空區(qū)往下45m是煤層9#，有7467m3的含水量，870m的巷道到1030m左右都是積水區(qū)，掘進時，巷道采空區(qū)會產生應力，導致工作面出現(xiàn)裂隙巖層，產生積水后，就會極大的影響巷道掘進。9104綜合機械化的運輸順槽，可以掘進450m。

2.分析前期巷道掘進時進行探放水的相關問題

(1)探放水的前期工藝

①鉆機型號是ZDY3700B，具有30MPa的壓力和50kW的功率，能獲得72r/min的轉速；鉆孔施工時一定要和中空鉆桿進行配套，鉆桿是63mm寬、1.5m長，能得到132mm的擴孔鉆頭和75mm的鉆孔鉆頭。

②工作面的周圍沒有老窯水和采空區(qū)，水質單一，所以不用單獨設置迎頭鉆孔，只需在每排安裝頂板鉆孔5個，每個150m深，(即1#-5#孔)，上覆巖層下方50m處即是鉆孔位置，頂板和鉆孔保持20°夾角；巷道中線和鉆孔5#投影水平重合，左偏20°鉆孔1#，左偏40°鉆孔2#，右偏20°鉆孔3#，右偏40°鉆孔4#，鉆孔總體呈“扇形”擺放。

③鉆機在工作面完成安裝后開始施工鉆孔，鉆到11m停下，開始更換鉆頭為擴孔，繼續(xù)擴孔施工，達到11m后在鉆孔里安裝PVC4根孔口管，最后的封孔工作用聚氨醋完成。

④注水耐壓一定要在封孔工作結束后，再測試孔口段。1.5倍的積水壓力值，就是所需的注水壓力，耐壓合格要等待測試20min以上，再進行鉆進工作。

(2)問題分析

①鉆孔是一項大工程量的施工：運輸順槽9104的870m至940m位置是積水段，屬于覆采空區(qū)。每組探水鉆孔有5個鉆孔，共需8組，即40個孔，總長6000m。巷道超前150m的鉆探距離，可向前實現(xiàn)100m掘進，鉆孔需要27d的高強度作業(yè)施工周期，是一項大工程量的施工。巷道在鉆孔時不可掘進，降低掘進效率。

②有很多用不上的鉆孔：探放水超前鉆探的傳統(tǒng)施工方式，會產生大量的廢棄孔，盲目性較大，無法滿足探放水的預期效率。

3.分析鉆探定向技術

(1)技術原理

千米鉆機是鉆探定向技術完成鉆孔施工的主要應用，其鉆進動力利用螺桿馬達來實現(xiàn)，鉆進的隨鉆測量系統(tǒng)可以掌握旋轉螺桿的角度和彎角以及鉆孔軌跡和方位角，沿設定的方位角完成鉆進，至少完成400m深的定向鉆探，達到98%的鉆進準確率。

(2)定向鉆探器械裝備

運輸順槽9104用來定向鉆探的設備型號是ZDY45000鉆機，測量系統(tǒng)是二代鉆進和泥漿泵配套鉆機，表1是具體參數(shù)指標。

表1 ZDY4500定向鉆機主要技術參數(shù)情況表

(3)定向鉆探的流程

①運輸順槽9104向前完成500m掘進后，施工改為定向鉆探，地震三維探測和物探的結果可以看到，巷道的870m到1030m處是積水覆采空區(qū)，和水平巷道夾角22°，垂直巷道45m，需要定向探水施工4個457m深度左右的鉆孔，即1#-4#孔，見圖1。

圖1 9104運輸順槽定向鉆探軌跡曲線示意圖

②巷道正對面的煤壁要掘進四個直線位置的鉆孔，1.5m的間距，保持1.8m以上才是頂板，用傾角為6°的鉆孔按照350m速度鉆進，方位角保證3°以內的鉆孔偏差，達到350m后可以降低傾角，最后到積水區(qū)時傾角是在2°左右。

③運輸順槽9104依據(jù)地質資料可知，有6.7m厚的炭質泥巖和17.6m厚的粗砂巖，終孔和擴孔碰到穩(wěn)定巖堅硬層方可停下，即完成12m深的鉆孔封孔，擴孔時用到變徑法，選擇擴孔段是153mm或133mm的直徑，孔口管是直徑127mm的安裝鉆孔，最終的封孔用油井水泥來完成，見圖2。

圖2 油井水泥封孔工藝平面示意圖

④鉆孔進行注水耐壓要在封孔工作以后進行，選擇2.4MPa的注水壓力，泄壓閥的安裝要注水合格才可以進行，下一步是安裝止水閥，然后繼續(xù)鉆進導向鉆孔，并記錄鉆孔的實時軌跡，上傳到測量隨鉆系統(tǒng)，分析對比每一次的鉆孔軌跡，及時校正偏差數(shù)據(jù)。

(4)應用分析實際效果

①降低了鉆孔周期和數(shù)量：運輸順槽9104運用定向鉆探方法以后，可以實現(xiàn)1828m的鉆孔總長，比以前的探放水方式少了4172m的鉆孔工程，降低了13d的鉆孔周期，減少了作業(yè)強度，促進了鉆孔施工速度。

②實現(xiàn)快速掘進巷道：以前的探放水方式，向前100m掘進，就要完成鉆孔施工以此，5.2m/d的掘進速度是根據(jù)探放水的快慢影響。新的定向鉆探方式對掘進巷道的影響不大，9.6m/d的速度可以一次得到完美的鉆孔，巷道掘進可以保證快速性和安全性。

③可以得到高效的探放水：定向鉆探有1.2MPa的放水水壓，保證定向鉆孔4個全是濕孔，覆采空區(qū)的運輸順槽9104可實現(xiàn)7442m3的放水量，基本滿足預期的積水量。后期掘進巷道時，積水段的局部淋水出現(xiàn)在過采空區(qū)，基本不影響巷道掘進，只有0.2m3/h的淋水量時，上覆采空區(qū)不會造成水患。

4.結束語

本文以某礦掘進前期的運輸順槽9104為例，針對探放水時的高強度作業(yè)問題，以及周期長且效率差等難題，設計了定向鉆探方式，經實驗得出定向鉆探的效果顯著，可以達到高精度、小數(shù)量的鉆孔施工，可以明顯提升探放水作業(yè)的工作效率。