定向鉆探技術(shù)在李雅莊煤礦水害防治中的應(yīng)用

王春海

（山西焦煤霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司李雅莊煤礦，山西 霍州 031400）

近年來(lái)隨著各礦區(qū)開采范圍（廣度、深度、難度）的增加，煤礦面臨的水害問(wèn)題日益突出。當(dāng)前各煤礦在礦井水害治理工作中存在的問(wèn)題較多，主要表現(xiàn)在常規(guī)鉆孔精確性差、探查范圍有限。利用定向鉆探技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[1-6]，將其應(yīng)用在煤礦井下底板疏水降壓、底板注漿改造、超前探放水和對(duì)穿放水鉆孔施工中，對(duì)提高煤礦水害防治效果具有重要意義。

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)李雅莊煤礦位于山西省臨汾市霍州市師莊鄉(xiāng)，井田面積30.415 1 km2，核定生產(chǎn)能力為240 萬(wàn)t/a，現(xiàn)開采煤層為1#、2#煤層，平均厚度2.75 m。礦井為斜井開拓，現(xiàn)生產(chǎn)水平為+355 m 水平，瓦斯等級(jí)為高瓦斯。2-603 工作面位于六采區(qū)末端，巷道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為2112 m，主采山西組2#煤，瓦斯放散初速度△p為4～5，煤的堅(jiān)固性系數(shù)f為0.65～0.87，煤的瓦斯壓力為0.47～0.48 MPa。頂板為粉砂巖或泥巖，局部中細(xì)粒砂巖，底板為灰色細(xì)砂巖或粉砂巖，局部為黑色泥巖。

2#煤層頂板充水來(lái)源為其頂板下石盒子組砂巖含水層，主要是K8、K9 砂巖，為弱富水性含水層。2#煤層上覆39 m 為1#煤層采空區(qū)，1#煤層采空區(qū)積水約5356 m3，在采空區(qū)大量積水的水壓和掘進(jìn)期間應(yīng)力作用下，采空區(qū)積水可能通過(guò)導(dǎo)水裂縫帶和巖層裂隙涌入到2-603 工作面，對(duì)2-603 運(yùn)輸巷的掘進(jìn)施工影響較大，會(huì)嚴(yán)重降低掘進(jìn)施工效率。

2 巷道掘進(jìn)前期探放水施工工藝及問(wèn)題分析

2.1 前期探放水施工工藝分析

（1）鉆孔設(shè)備。2-603 運(yùn)輸巷采用超前鉆探設(shè)計(jì)施工方案，采用ZDY3700B 型煤礦用膠輪式全液壓坑道鉆機(jī)+中空鉆桿。鉆機(jī)施工作業(yè)參數(shù)：額定轉(zhuǎn)矩為3500～800 N·m，額定轉(zhuǎn)速為80～300 r/min，主軸傾角-90°～+90°，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1000 N·m，最大給進(jìn)/起拔力為85/85 kN，給進(jìn)/超拔行程1250 mm，電機(jī)功率為75 kW；配套鉆桿長(zhǎng)度1500 mm，直徑73 mm；鉆孔深度500/350 m。

（2）鉆孔布置。2-603 運(yùn)輸巷掘進(jìn)前期，在工作面距頂板1.8 m 位置處共布置有5 個(gè)探測(cè)鉆孔（1#、2#、3#、4#、5#），鉆孔間距1.0 m，鉆孔深度150 m，鉆孔直徑65 mm，鉆孔與頂板仰角為20°，終孔位置位于上覆巖層50 m 處。

（3）封孔工藝。擴(kuò)孔深度設(shè)置為11 m，擴(kuò)孔后孔徑為135 mm，擴(kuò)孔后向鉆孔內(nèi)安裝4 根PVC封口管進(jìn)行封孔處理。

2.2 問(wèn)題分析

2-603 運(yùn)輸巷前期探放水施工工藝存在問(wèn)題：

（1）探放水鉆孔施工數(shù)量多，施工總長(zhǎng)度大，施工周期長(zhǎng)。受采空區(qū)積水的影響，2-603 運(yùn)輸巷超前鉆探施工方案中，共需要10 組50 個(gè)鉆孔，因此造成需要施工的鉆孔總長(zhǎng)度可達(dá)7600 m，施工周期可達(dá)到35 d，鉆孔施工工程量大，勞動(dòng)強(qiáng)度高，嚴(yán)重影響運(yùn)輸巷道掘進(jìn)效率。

（2）鉆孔無(wú)用孔數(shù)量多。在施工的50 個(gè)鉆孔中，近2/3 的鉆孔為無(wú)用鉆孔，沒(méi)有起到放水作用，探放水效率不高，探放水效果不理想，必須進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

3 定向鉆探技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

3.1 定向鉆探技術(shù)原理

定向鉆探技術(shù)是采用現(xiàn)代化千米鉆機(jī)進(jìn)行超前探測(cè)鉆孔施工，泥漿泵提供的高壓水進(jìn)入孔底驅(qū)動(dòng)馬達(dá)提供鉆進(jìn)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)鉆頭旋轉(zhuǎn)切削煤巖層。施工時(shí)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集鉆孔軌跡、彎角、方位角等技術(shù)參數(shù)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示，形成鉆孔實(shí)鉆軌跡，并控制螺桿旋轉(zhuǎn)角度來(lái)調(diào)整鉆孔軌跡。煤礦井下定向鉆探施工關(guān)鍵技術(shù)主要為軌跡控制、開分支、層位控制及復(fù)合鉆進(jìn)等技術(shù)。

3.2 定向鉆探設(shè)備

調(diào)整后，2-603 運(yùn)輸巷定向鉆探施工設(shè)備為ZDY12000LF 松軟煤層超深孔水平定向鉆機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩12 000～30 000 N·m，轉(zhuǎn)速50～150 r·min-1，額定功率132 kW。鉆機(jī)配套泥漿泵和二代鉆進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)。

3.3 配套技術(shù)措施分析

3.3.1 安全防護(hù)措施

在防治水鉆孔施工過(guò)程中鉆遇高壓含水地層時(shí)，容易出現(xiàn)噴孔現(xiàn)象，特別是在長(zhǎng)距離探放水鉆孔施工過(guò)程中，危險(xiǎn)系數(shù)大大增加，孔口安全措施必須做到位，借鑒石油鉆孔防噴技術(shù)，在孔口安裝防噴器，在中心通纜鉆桿中加入防噴逆止閥短接，能夠大幅度提高施工安全性。

3.3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的定向鉆進(jìn)技術(shù)施工鉆孔孔徑主要有96 mm、120 mm 兩種規(guī)格，為保障鉆孔順利施工，并為孔內(nèi)事故處理留有余地，本次定向鉆孔作業(yè)施工采用120 mm 鉆孔孔徑。

3.3.3 高效鉆進(jìn)措施

定向鉆進(jìn)技術(shù)依靠螺桿鉆具帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)切削巖石，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)施工，當(dāng)鉆孔深度超過(guò)600 m，特別是達(dá)到800 m 以上時(shí)，孔口給進(jìn)力難以傳遞至孔底，鉆進(jìn)效率下降。本次鉆孔含水地層為質(zhì)地堅(jiān)硬的砂巖，深孔鉆孔施工效率可能不高，通過(guò)摸索采用大扭矩螺桿馬達(dá)提高鉆進(jìn)效率。

3.4 定向鉆探施工工藝

（1）經(jīng)物探結(jié)果確認(rèn)，在巷道推進(jìn)至840 m位置處應(yīng)用定向鉆探施工工藝。由于2-603 運(yùn)輸巷上覆1#煤層采空區(qū)積水位置主要位于1630～1760 m段，基于采空區(qū)積水位置與2-603 運(yùn)輸巷垂直距離和水平投影偏差角度的影響結(jié)果，設(shè)計(jì)確定施工4個(gè)（1#、2#、3#、4#）定向探水鉆孔，鉆孔平均深度為468 m。定向鉆探軌跡曲線如圖1。

圖1 2-603 運(yùn)輸巷定向鉆探軌跡曲線示意圖

（2）鉆孔布置。1#、2#、3#、4#呈一條直接布置，鉆孔間距1.5 m，與水平投影偏差角度為22°，如圖2 所示。

圖2 定向鉆孔布置示意圖（m）

（3）2-603 運(yùn)輸巷直接頂為6.5 m 的炭質(zhì)泥巖，基本頂為16.9 m 的粗砂巖，因此確定鉆孔封孔深度12 m，采用變徑鉆孔用鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔施工，如圖3。從圖3 中可知，擴(kuò)孔段直徑為133 mm 和153 mm，擴(kuò)孔后在鉆孔內(nèi)安裝127 mm 的孔口管，采用油井水泥封孔處理。

圖3 鉆孔油井水泥封孔工藝示意圖（mm）

（4）封孔完成后必須進(jìn)行注水耐壓試驗(yàn)的測(cè)試，之后再安裝卸壓閥、止水閥、卸壓排水三通，安裝逆止閥并繼續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)施工，同時(shí)對(duì)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和軌跡進(jìn)行記錄，并調(diào)整和校正鉆孔軌跡，防止鉆孔軌跡出現(xiàn)偏差。

3.5 實(shí)際應(yīng)用效果分析

（1）大幅度降低了探放水鉆孔施工數(shù)、施工總長(zhǎng)度、施工周期。從840 m 位置處進(jìn)行定向鉆探施工，僅需施工探放水定向鉆孔4 個(gè)，鉆孔長(zhǎng)度僅為1872 m，定向鉆孔周期為12 d。對(duì)比傳統(tǒng)探放水施工工藝，定向鉆探技術(shù)的鉆孔數(shù)量、施工工程量、施工周期都有了大幅度降低，探放水鉆孔施工效率大幅度提高，勞動(dòng)強(qiáng)度大幅度降低，有效提高巷道掘進(jìn)效率。

（2）探放水效果好。定向鉆探技術(shù)施工的4 個(gè)鉆孔均為濕孔，水壓1.4 MPa，計(jì)放水量5337 m3。該放水量與1#煤層采空區(qū)探測(cè)到的積水量基本相符，探放水工作效率高、效果好，有效消除了1#煤層采空區(qū)的水患。

（3）有效提高了巷道掘進(jìn)效率。定向鉆探技術(shù)采用一次性成孔技術(shù)，對(duì)比以往鉆孔施工周期縮減至12 d，2-603 運(yùn)輸巷道的平均掘進(jìn)速度提高至10.9 m/d，巷道掘進(jìn)效率大幅度提高。

4 結(jié)語(yǔ)

定向鉆探技術(shù)應(yīng)用效果理想，能大幅度縮短鉆孔施工工程量及施工周期，探放水效果好，有效提高巷道掘進(jìn)效率。