定向鉆進技術(shù)在礦井頂板探放水中的應(yīng)用研究

祖曉麗

（晉能控股煤業(yè)集團有限公司煤峪口礦，山西 大同 037041）

礦井水害作為常見的煤礦主要災(zāi)害之一，事故嚴(yán)重性僅次于瓦斯和頂板事故，是煤礦開采業(yè)長期致力解決的煤礦災(zāi)害之一。在煤礦水害的治理過程中，針對不同類型的水害，選用不同的技術(shù)手段。目前，在超前治理方面，常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)是最常用的采前治理手段。針對常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)存在軌跡難以控制、缺乏隨鉆測量裝置、鉆孔長度有限、施工中工作量大、效率低等問題，本文提出一種定向鉆進技術(shù)，并分析研究了其在防治煤礦頂板水害中的應(yīng)用[1]。

1 定向鉆進技術(shù)優(yōu)勢

通過分析傳統(tǒng)鉆探技術(shù)在礦井防治水中存在的問題，提出了一種定向鉆進技術(shù)，以對煤礦開采中頂板水進行探測防治。定向鉆進設(shè)備系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 定向鉆進設(shè)備系統(tǒng)示意圖

該定向鉆進設(shè)備系統(tǒng)分為四個主要部分：千米定向鉆機、隨鉆測量儀器、專用定向鉆具、配套鉆進工藝。定向鉆進技術(shù)的工作原理：利用造斜工具使近水平鉆孔軌跡按設(shè)計的軌跡延伸鉆進至目標(biāo)區(qū)域。相較于傳統(tǒng)鉆進技術(shù)，定向鉆進技術(shù)具備下述獨特優(yōu)勢[2]：鉆孔軌跡可被實時監(jiān)測且可控，鉆孔軌跡可根據(jù)需求實現(xiàn)直變彎或者彎變直；鉆孔距離長，有效提高了鉆探效率；鉆孔成孔與設(shè)定孔偏差小，成孔精度高[3]。

定向鉆進技術(shù)因其獨特優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于煤礦開采的有關(guān)工作過程中，如定向探放水及探查治理老空水、工作面底板注漿加固改造以及地質(zhì)異常體探查等。

2 定向鉆進技術(shù)頂板探放水的應(yīng)用

2.1 礦井地質(zhì)概況

某礦井位于我國北部地區(qū)，呈北西—南東條帶狀展布，其南北走向約15 km，東西傾向約5.5 km，總面積大約85 km2。3121工作面主要回采2號煤，對其地質(zhì)特征進行分析勘測可得，該工作面地表地勢走向平坦，為平緩丘陵，地表無水系，地下存在含水層。在開采施工中，工作面老頂?shù)闹饕ν{層為直羅組砂巖裂隙孔隙含水層，水體來源主要為古封存地下水，需對其進行頂板探放水施工。由于傳統(tǒng)鉆探技術(shù)應(yīng)用存在諸多缺陷，于是選擇定向鉆進技術(shù)對礦井頂板水進行探放。

2.2 鉆孔設(shè)計

結(jié)合工作面周邊巷道、排水通道、工作面煤層走向和起伏情況，并考慮物資及排水是否便利，最終將鉆場定在31采區(qū)回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷與3121工作面泄水巷交界處。頂板探放水定向鉆孔按影響半徑50 m布置，共設(shè)計6孔，呈集束型分布。老頂含水層可分上分層和下分層，上、下分層內(nèi)均應(yīng)有定向鉆孔，將1#、3#、5#、6#鉆孔設(shè)于上分層含水層中，2#、4#鉆孔設(shè)于下分層含水層中，總進尺為3 363 m。具體鉆孔參數(shù)設(shè)計如下頁表1所示，定向鉆進施工平面圖如下頁圖2所示。

圖2 定向鉆進平面圖

表1 定向鉆孔參數(shù)表

2.3 施工流程

確定采用定向鉆進技術(shù)進行頂板探放水施工后，開始設(shè)計施工方案，主要施工工藝流程如圖3所示。施工時，首先利用大直徑螺旋鉆桿滿眼回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)和復(fù)合排渣技術(shù)施工套管段先導(dǎo)孔，鉆至特定位置后，提鉆更換較大規(guī)格的擴孔鉆頭鉆具，擴孔鉆進直達(dá)孔底，并按設(shè)計長度和規(guī)格下入套管，之后進行水泥漿注漿固管施工，最后采用隨鉆測量定向鉆具進行定向造斜鉆進和定向穩(wěn)斜鉆進施工，并嚴(yán)格控制鉆孔向目標(biāo)層位長距離鉆進，從而完成探放水施工。

圖3 定向鉆孔探放頂板水施工流程

6個鉆孔嚴(yán)格按照設(shè)計參數(shù)和施工工藝流程進行鉆進施工，其中1#、2#、4#、6#孔未設(shè)計分支孔，3#孔設(shè)計3-1#、3-2#兩個分支孔，5#孔設(shè)計5-1#、5-2#、5-3#共3個分支孔。所有鉆孔均在鉆進一定深度和地層位置時出現(xiàn)了涌水的情況，整個施工過程中，1#孔涌水量由0.5 m3/h增大至90 m3/h，2#孔涌水量由0.3 m3/h增大至129 m3/h，3#孔涌水量由0.5 m3/h增至162 m3/h，4#孔涌水量由0.5 m3/h增至129 m3/h，5#孔涌水量由0.3 m3/h增至120 m3/h，6#孔涌水量由0.5 m3/h增至216 m3/h。

2.4 定向鉆孔探放水結(jié)果

利用定向鉆進技術(shù)共施工6個定向鉆孔，5個分支孔，總進尺達(dá)3 363 m，最大孔深為594 m，最大出水量為216 m3/h，平均出水量133.68 m3/h，實鉆軌跡很好地沿目標(biāo)含水層延伸，邊施工邊疏放，頂板探放水效果顯著。

3 應(yīng)用效果分析

本次定向鉆進技術(shù)在應(yīng)用過程中，鉆孔軌跡及深度均能按照設(shè)計要求準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置，且都能一次成孔，有較高的成孔率；根據(jù)不同含水層控壓需要，完成的6個頂板探放水鉆孔均下入Φ127 mm的孔口套管，最大下放深度達(dá)42 m，且所有套管均能成功下放，施工時間短，保障了后期的安全鉆進和出水控壓；5個分支孔的施工采用的是低速磨削分支法，成孔順利、成功率高，擴大了定向鉆孔的疏放水覆蓋范圍，提高了定向鉆孔在復(fù)雜地層的穿過能力；鉆孔軌跡偏差不超過5‰，其中最大上下偏差控制在1.25‰內(nèi)，最大左右偏差控制在4.62‰內(nèi)，精度高，全面覆蓋無盲區(qū)，最終取得了很好的頂板探放水效果。此外，該方案施工周期短、精度高、效果顯著，大大提高了施工安全性，取得了良好的經(jīng)濟效益[4]。