無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)在煤礦底板水害防治中的應(yīng)用

王林杰 劉衛(wèi)衛(wèi)

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司）

唐家會(huì)煤礦水文地質(zhì)情況較為復(fù)雜，主采煤層6#煤的主要水害來自頂板砂巖水、底板奧灰水、斷層裂隙水及導(dǎo)水陷落柱［1-2］。目前頂板砂巖水通過頂板鉆孔疏放，已得到有效治理，但下伏奧灰水嚴(yán)重制約煤礦安全高效運(yùn)行。6#煤底板巖性主要為淺灰色石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，易受地下水侵蝕，發(fā)育有裂隙、溶孔和溶洞，富水性為中等—強(qiáng)，鉆孔揭露深度內(nèi)出現(xiàn)多層裂隙破碎段和測(cè)井揭示含水層出水段，各種發(fā)育裂隙、斷層極易成為奧灰水導(dǎo)水通道。為進(jìn)一步驗(yàn)證物探成果，保障61102 工作面安全回采，決定在61102 工作面使用定向長(zhǎng)鉆孔對(duì)6#煤底板下35～40 m段的裂隙構(gòu)造及水文情況進(jìn)行探查，并對(duì)其進(jìn)行注漿加固，以解決導(dǎo)水通道對(duì)工作面回采造成的影響。

煤礦井下定向鉆孔常用的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)按數(shù)據(jù)傳輸方式，一般可分為有線式和無線式［3-5］。有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)一般只用于滑動(dòng)定向鉆進(jìn)，且用于信息傳輸?shù)耐阢@桿具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抗干擾性差、易損壞、鉆進(jìn)效率低等缺點(diǎn)，無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)則可以較好地解決上述問題［6-7］。

1 無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的組成

YHD3-1500 型泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)時(shí)對(duì)鉆孔幾何參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，可以在孔口計(jì)算并即時(shí)顯示鉆孔參數(shù)、軌跡等信息，使作業(yè)人員隨時(shí)了解鉆孔情況，對(duì)當(dāng)前施工軌跡進(jìn)行判斷和分析。若軌跡偏離設(shè)計(jì)，及時(shí)調(diào)整相應(yīng)工藝參數(shù)，使其盡可能貼近設(shè)計(jì)軌跡延伸。該套裝置既可用于定向鉆進(jìn)，又可用于回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，還可用于鉆孔軌跡復(fù)測(cè)。無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)由礦用隔爆兼本安型計(jì)算機(jī)、礦用本安型鍵盤、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、礦用本安型壓力變送器和YHD3-1500 型礦用隔爆兼本安型泥漿脈沖隨鉆測(cè)量裝置探管組成（圖1、圖2）。

測(cè)量短節(jié)和驅(qū)動(dòng)裝置由電池筒進(jìn)行供電。測(cè)量短節(jié)將所測(cè)量到的鉆孔參數(shù)編碼后發(fā)送至驅(qū)動(dòng)裝置。驅(qū)動(dòng)裝置收到信號(hào)后，通過控制泥漿脈沖發(fā)生器關(guān)閉或者打開閥門，產(chǎn)生泥漿壓力正脈沖并傳遞至孔口。安裝在孔口的壓力傳感器檢測(cè)到來自孔內(nèi)的壓力脈沖信號(hào)后，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理和顯示。當(dāng)完成數(shù)據(jù)傳輸后，測(cè)量短節(jié)停止工作，脈沖發(fā)生器恢復(fù)原位，泵壓正常，開始定向鉆進(jìn)。

2 鉆孔設(shè)計(jì)及工藝

2.1 鉆孔布置

本組底板探查及注漿加固定向長(zhǎng)鉆孔選擇在61102 工作面運(yùn)輸順槽調(diào)車硐室內(nèi)施工，盡可能地減少開拓鉆場(chǎng)及搬運(yùn)鉆場(chǎng)工作量，并滿足定向鉆孔對(duì)鉆場(chǎng)的要求，鉆場(chǎng)沿開孔方向深度為6 m，寬度為8 m，高度為3 m，鉆場(chǎng)底部起底200 mm，對(duì)鉆場(chǎng)底板進(jìn)行硬化加固（混凝土≥200 mm）。

定向鉆進(jìn)對(duì)場(chǎng)地要求：鉆場(chǎng)地面水平，供水能力達(dá)到12 m3/h，配備660 V 電壓，隨鉆測(cè)量系統(tǒng)工作電壓127 V，功率≥130 kW。同時(shí)在鉆場(chǎng)內(nèi)修砌容量大于2 m3的沉渣池，配備相應(yīng)排水能力的水泵。

2.2 鉆孔設(shè)計(jì)

本次施工的定向鉆孔設(shè)計(jì)為三級(jí)孔身結(jié)構(gòu)：一級(jí)采用φ193 mm 鉆頭，下入φ168 mm 套管，并在安裝孔口三通防噴防突裝置；二級(jí)采用φ153 mm 鉆頭，下入φ127 mm 套管，封隔泥巖、煤層等易水化、易坍塌地層，保證后續(xù)施工安全；三級(jí)采用φ98 mm 鉆頭，通過定向鉆進(jìn)使鉆孔沿著設(shè)定軌跡在目標(biāo)垂深中延伸，詳見表1。

2.3 鉆進(jìn)工藝

定向鉆進(jìn)技術(shù)是指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律或采用專用工具使鉆孔軌跡按設(shè)計(jì)要求延伸至預(yù)定目標(biāo)的一種鉆探方法。由于巷道地層傾角存在一定變化，為確保實(shí)鉆軌跡精準(zhǔn)，采用泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)對(duì)軌跡實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過井下動(dòng)力鉆具定向技術(shù)控制軌跡，確保實(shí)鉆滿足設(shè)計(jì)，沿目標(biāo)層位精準(zhǔn)延伸，驗(yàn)證無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。其工藝流程如圖3所示。

鉆孔在一開鉆進(jìn)后下設(shè)孔口管并進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。正式施工前需安裝孔口安全閘閥，以控制放水，安全閘閥的抗壓能力應(yīng)大于最大水壓。下完套管并固孔候凝24 h 后，進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。使用泥漿泵打壓至9.0 MPa，保持30 min，觀察孔壁及孔口管附近是否存在滲漏現(xiàn)象，憋壓過程中壓降≤0.5 MPa，則說明固孔合格。出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，則需繼續(xù)向孔內(nèi)注漿。

2.4 注意事項(xiàng)

總結(jié)前期唐家會(huì)煤礦其他工作面底板定向長(zhǎng)鉆孔施工經(jīng)驗(yàn)，可知以下特點(diǎn)：①受奧灰水影響，鉆孔涌水量大，但水壓較小，通常小于0.5 MPa；②底板導(dǎo)水通道發(fā)育、水質(zhì)情況多變，但水溫變化不大；③底板地層構(gòu)造復(fù)雜，地質(zhì)異常體發(fā)育，部分鉆孔注漿量較大；④底板包含2 層薄煤層和數(shù)層泥巖，鉆孔施工過程中存在風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)上述特點(diǎn)，在施工過程中要時(shí)刻關(guān)注鉆孔涌水量變化，并通過相應(yīng)手段進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量水量、水溫，并詳細(xì)記錄，每班取水樣并及時(shí)送檢；卡準(zhǔn)涌水量變化明顯的孔深位置，遇到鉆孔涌水量異常增大時(shí)，應(yīng)采取停鉆注漿等手段予以控制；收集鉆孔的水質(zhì)、水量、水溫等相關(guān)水文資料以及鉆孔巖性資料，歸納鉆孔的水文地質(zhì)特征，準(zhǔn)確指導(dǎo)臨近鉆孔施工。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 工作面概況

61102 工作面位于唐家會(huì)礦井一盤區(qū)東翼，西自一盤區(qū)6 煤輔運(yùn)大巷，東至DF11 斷層組。工作面西側(cè)3 條盤區(qū)系統(tǒng)大巷已施工完畢，無其它采掘活動(dòng)。主采煤層為6#煤，厚12.5～21.7 m，全區(qū)煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含3～5層夾矸。底板巖性主要為泥巖、砂泥巖、細(xì)砂巖等。

3.2 試驗(yàn)裝備

本次鉆孔施工利用YHD3-1500型泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)對(duì)軌跡進(jìn)行控制，配套設(shè)備主要為中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司生產(chǎn)的ZDY6000LD型鉆機(jī)及BLY260 型往復(fù)式泥漿泵，以及φ73 mm 常規(guī)鉆桿。

3.3 鉆孔設(shè)計(jì)與施工

試驗(yàn)布置1 個(gè)鉆場(chǎng)共3 個(gè)鉆孔，各鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)見表2。

現(xiàn)場(chǎng)自2018 年2 月27 日起施工，4 月12 日結(jié)束，歷時(shí)44 d。共計(jì)完成鉆孔3 個(gè)，孔深分別為618，609，600 m，總進(jìn)尺1 827 m，實(shí)鉆軌跡如圖4 所示，施工情況見表3。本次鉆孔施工泥漿泵排量控制在195 L/min，泵壓為4～7 MPa，采用定向及復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)，隨鉆測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)傳輸穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，方位、傾角測(cè)量誤差均在允許范圍內(nèi)。

在無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用前，底板鉆孔均采用中心通纜式有線測(cè)量系統(tǒng)，如D1、D2、D3、D4 孔。通過對(duì)比分析，該套系統(tǒng)的應(yīng)用可顯著提高平均鉆速，如圖5 所示。同時(shí)，避免了頻發(fā)檢查通纜鉆桿信號(hào)，輔助時(shí)間減少，勞動(dòng)強(qiáng)度降低。

4 結(jié)論

（1）通過本次現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，驗(yàn)證了無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的可靠性，鉆孔軌跡控制較為精確，可滿足煤礦井下底板水害防治的要求。

（2）較傳統(tǒng)的有線測(cè)量系統(tǒng)，無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)可明顯提高鉆速，提升鉆進(jìn)效率。同時(shí)，無需對(duì)通纜鉆桿進(jìn)行維護(hù)和測(cè)試，勞動(dòng)強(qiáng)度降低。