定向鉆孔在礦井地質(zhì)方面的技術(shù)應(yīng)用

孫建維

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 胡底煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048200）

1 概 況

煤礦水害、地質(zhì)構(gòu)造是煤礦生產(chǎn)過程中遇到的主要隱蔽災(zāi)害，探測(cè)并掌握富水區(qū)范圍、積水量及地質(zhì)構(gòu)造的性質(zhì)、范圍是保證安全采掘的地質(zhì)基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)大多數(shù)礦井采用常規(guī)鉆孔進(jìn)行探測(cè)，但在實(shí)際施工過程中存在以下問題：鉆探工作量大，施工所需鉆孔數(shù)量多，施工周期長，布置分散；鉆孔軌跡不可控，不能精確探測(cè)地質(zhì)體異常位置，易出現(xiàn)探測(cè)盲區(qū)；鉆孔深度淺，鉆孔利用率較低。

定向鉆進(jìn)技術(shù)近些年越來越成熟，該技術(shù)具有鉆孔深度大、鉆孔軌跡可控、施工目標(biāo)精確控制等優(yōu)勢(shì)，在礦井地質(zhì)領(lǐng)域也進(jìn)行了應(yīng)用，如定向鉆孔長距離探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造、富水區(qū)及煤層趨勢(shì)等，減少了鉆探工作量，增加了探測(cè)準(zhǔn)確性，為礦井安全生產(chǎn)提供了準(zhǔn)確的地質(zhì)基礎(chǔ)。

2 定向鉆孔在水害防治方面的應(yīng)用

2.1 實(shí)施案例

按照山西省整體要求，為進(jìn)一步加強(qiáng)煤礦防治水管理工作，堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有掘必探、有采必探、先探后掘、先探后采”的原則，巷道在掘進(jìn)過程中要嚴(yán)格執(zhí)行有掘必探，為提高探測(cè)精確度、巷道掘進(jìn)效率，決定采用定向鉆機(jī)實(shí)施。

以晉能控股煤業(yè)集團(tuán)胡底煤業(yè)1309 底抽巷、大巷水害探測(cè)為例。

（1） 1309 底抽巷每200 m 施工1 個(gè)千米鉆場用于施工“有掘必探”鉆孔，每次探測(cè)距離330 m，允許掘進(jìn)距離300 m，同時(shí)預(yù)留100 m 巷道掘進(jìn)的平行作業(yè)時(shí)間。設(shè)計(jì)分支分為225 m 和330 m兩組分支鉆孔，組與組之間24 m 超前距，如圖1所示。

圖1 1309 底抽巷“有掘必探”鉆孔平面圖Fig.1 Drilling hole plane of'excavation with exploration'in No.1309 floor gas extraction roadway

主孔施工到位后，鉆孔由內(nèi)向外逐步開分支分別覆蓋左右?guī)图跋锏赖装?，底板分支鉆孔終孔位置與巷道底板距離為10 m；左右?guī)头种с@孔終孔位置與巷道左右?guī)烷g距為20 m。

（2） 2018 年9 月1 日起，執(zhí)行《煤礦防治水細(xì)則》，細(xì)則第三十九條規(guī)定：有條件的礦井，鉆探可采用定向鉆機(jī)，開展長距離、大規(guī)模探放水。針對(duì)此項(xiàng)要求，胡底煤業(yè)結(jié)合礦井生產(chǎn)銜接情況，組織開展長距離、大規(guī)模探放水作業(yè)，以保障生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

胡底煤業(yè)1102、1103、1104 巷自進(jìn)風(fēng)11 號(hào)橫川至設(shè)計(jì)停頭位置的長度為430 m，巷道間距30 m，北部、南部均為尚未進(jìn)行采掘活動(dòng)的區(qū)域，西部為已掘進(jìn)的5 條大巷，東部至礦界。在11 號(hào)橫川布置2 個(gè)探放水鉆場，定向鉆孔以開分支形式，覆蓋大巷南北向超過設(shè)計(jì)巷道20 m 范圍、東向超過設(shè)計(jì)巷道30 m 范圍。

通過本次長距離、大規(guī)模定向鉆孔施工，可保證大巷掘進(jìn)430 m 范圍，不在重復(fù)進(jìn)行探放水作業(yè)，不僅提高探測(cè)精確度，也提高了巷道掘進(jìn)效率。

圖2 大巷長距離、大規(guī)?！坝芯虮靥健便@孔平面圖Fig.2 Drilling hole plane of'excavation with exploration'in long distance and large scale of main roadway

2.2 實(shí)施結(jié)果

與常規(guī)普鉆鉆孔相比較，定向鉆孔具有鉆孔軌跡可視、鉆孔分布均勻全面、探測(cè)距離長、探測(cè)頻次少的優(yōu)勢(shì)，滿足《煤礦防治水細(xì)則》工作要求，解決了“有掘必探”鉆孔施工與巷道掘進(jìn)的制約關(guān)系。

3 定向鉆孔在探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造方面的應(yīng)用

3.1 實(shí)施案例

以晉能控股煤業(yè)集團(tuán)胡底煤業(yè)探測(cè)X8 陷落柱為例，三維地震勘探發(fā)現(xiàn)礦區(qū)大巷掘進(jìn)前方發(fā)育一X8 陷落柱，其長軸呈NE 向，長軸238 m、短軸220 m，面積38 711 m2，在平面上呈近圓狀，在剖面上呈反漏斗狀，該陷落柱為控制可靠陷落柱。

為掌握X8 陷落柱發(fā)育，采用定向鉆機(jī)探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造。探測(cè)區(qū)域位于奧灰水承壓區(qū)，3 號(hào)煤層底板標(biāo)高最低處為+126 m 左右，奧灰水位標(biāo)高為+578 m 左右，屬于帶壓開采，探測(cè)區(qū)域又處于陷落柱發(fā)育地帶和向斜軸部，因此具有底板突水威脅。

探測(cè)前在鉆場附近配備2 臺(tái)排水量不小于60 m3/h 的排水設(shè)備，揚(yáng)程不小于120 m，排水管路能滿足排水需要，直接排至中央水倉。靠幫挖好排水溝與水窩，水窩尺寸長×寬×高=6 m×2 m×1.5 m。加強(qiáng)鉆孔附近的巷道支護(hù)，在距離巷道頂?shù)装甯? m 位置補(bǔ)打2 條W 鋼帶（W 鋼帶長度略小于巷道尺寸），防止巖壁突然鼓出。對(duì)鉆探地點(diǎn)巷道幫部進(jìn)行注漿處理（水泥強(qiáng)度不低于42.5，水泥漿質(zhì)量比為1∶1，注完后待凝固24 h 可以進(jìn)行掃孔），填充裂隙，使巖層成為整體。鉆孔孔口處安裝止水套管，保證安全探放水，施工前預(yù)先固結(jié)孔口套管，套管間用絲扣鏈接，套管口安裝閘閥。

定向鉆孔全覆蓋X8 陷落柱內(nèi)二盤區(qū)集中回風(fēng)巷、二盤區(qū)輔助運(yùn)輸巷、二盤區(qū)主運(yùn)輸巷、二盤區(qū)輔助進(jìn)風(fēng)巷和二盤區(qū)輔助回風(fēng)巷巷道區(qū)域，如圖3所示。鉆孔開孔后，進(jìn)入到3 號(hào)煤層，沿3 號(hào)煤層鉆進(jìn)，若探測(cè)過程中出現(xiàn)塌孔、壓力大等異常情況時(shí)，則沿3 號(hào)煤層頂板鉆進(jìn)。探測(cè)每30 m 穿過煤層頂、底板不少于10 m。

圖3 定向鉆孔探測(cè)X8 陷落柱平面圖Fig.3 No.X8 collapse column plane detected by directional drilling hole

3.2 實(shí)施結(jié)果

根據(jù)千米鉆孔資料分析X8 陷落柱范圍內(nèi)3 號(hào)煤層賦存情況，探測(cè)所覆蓋區(qū)域3 號(hào)煤層整體連續(xù)，煤層有變薄的現(xiàn)象，該區(qū)域不存在陷落柱。

此次探測(cè)結(jié)果表明，與常規(guī)鉆孔相比，定向鉆孔具有探測(cè)距離長、探測(cè)準(zhǔn)確度高、軌跡可視的優(yōu)勢(shì)，能夠保證探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造的準(zhǔn)確性。

4 定向鉆孔在探測(cè)煤層發(fā)育方面的應(yīng)用

4.1 實(shí)施案例

地面三維地震勘探廣泛用于探測(cè)煤礦地質(zhì)構(gòu)造、煤層賦存等方面，具有探測(cè)精度高、探測(cè)范圍廣的優(yōu)勢(shì)。但地面三維地震勘探易受外部工作環(huán)境影響，地震資料解釋過程中存在多樣性，致使三維地震資料與實(shí)際情況存在一定的偏差，故需在生產(chǎn)過程中需進(jìn)一步鉆探驗(yàn)證。

以晉能控股煤業(yè)集團(tuán)胡底煤業(yè)為例，胡底煤業(yè)為煤與瓦斯突出礦井，使用定向鉆機(jī)進(jìn)行區(qū)域遞進(jìn)式模塊抽采降量，在采掘活動(dòng)前，定向鉆孔已超前覆蓋采掘區(qū)域，如圖4 所示。由于定向鉆機(jī)具有測(cè)定鉆孔軌跡可視化的優(yōu)勢(shì)，能夠計(jì)算出探測(cè)區(qū)域煤層頂、底板標(biāo)高。

胡底煤業(yè)13072、13091 巷巷道掘進(jìn)前，定向鉆孔已覆蓋巷道掘進(jìn)區(qū)域，通過計(jì)算鉆孔探測(cè)煤層頂、底板的標(biāo)高，可預(yù)測(cè)巷道沿煤層掘進(jìn)的角度。在三維地震煤層底板等高線的基礎(chǔ)上，根據(jù)定向鉆孔探測(cè)的煤層頂?shù)装鍢?biāo)高繪制的巷道剖面，更加準(zhǔn)確直觀地展現(xiàn)巷道掘進(jìn)區(qū)域煤層賦存情況、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況。

圖4 定向鉆孔分布平面圖Fig.4 Plane of directional drilling hole distribution

4.2 實(shí)施結(jié)果

13072、13091 巷道施工結(jié)束后，通過實(shí)測(cè)巷道剖面、三維地震解釋的煤層趨勢(shì)剖面以及根據(jù)定向鉆孔修訂的煤層趨勢(shì)剖面，三者對(duì)比可以較為直觀的看出，三維地震解釋的煤層趨勢(shì)具有較大誤差，尤其是在煤層傾角變化區(qū)域，而定向鉆孔修訂的煤層趨勢(shì)與實(shí)測(cè)的巷道剖面基本一致。

圖5 定向鉆孔探測(cè)煤層發(fā)育剖面圖Fig.5 Coal seam development profile detected by directional drilling hole

5 結(jié) 語

綜合上述研究可知，定向鉆孔具有探測(cè)距離長、軌跡可視、精確度高的優(yōu)點(diǎn)，不僅局限于瓦斯抽采方面，其在水害防治、構(gòu)造探測(cè)、煤層探測(cè)等礦井地質(zhì)領(lǐng)域同樣具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。隨著定向鉆進(jìn)技術(shù)的成熟，其在礦井地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍、方式也會(huì)越來越廣泛。