長定向鉆探技術(shù)在礦井快速掘進(jìn)工作面導(dǎo)水構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用分析

柴文玉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同忻煤礦，山西 大同 037003）

同忻煤礦8#煤層5104巷與下伏寒武系灰?guī)r承壓含水層頂界面層間距為45～50m，8#煤層底板帶壓，工作面掘進(jìn)過程中受寒灰?guī)核绊?，需提前?duì)掘進(jìn)前方是否存在導(dǎo)水構(gòu)造進(jìn)行探測(cè)[1]。傳統(tǒng)綜掘機(jī)掘進(jìn)巷道使用坑道鉆機(jī)進(jìn)行前探孔施工，5104 巷使用掘錨一體機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，為適應(yīng)其快速掘進(jìn)的特點(diǎn)，使用長定向鉆機(jī)進(jìn)行前探孔施工，用傳統(tǒng)坑道鉆機(jī)相比，長定向鉆機(jī)克服了其鉆進(jìn)距離淺、鉆進(jìn)軌跡不可控的缺點(diǎn)，有效實(shí)現(xiàn)長距離超前定向探測(cè)，探明了5104 巷掘進(jìn)前方的構(gòu)造賦存情況，為煤礦能夠正常高效的生產(chǎn)接續(xù)與建設(shè)提供保障。

1 項(xiàng)目背景

同忻礦正在開拓一盤區(qū)石炭系8#煤層，根據(jù)上覆3#～5#層地質(zhì)孔揭露，一盤區(qū)8#煤層平均煤厚3.5m，煤層賦存穩(wěn)定、構(gòu)造簡(jiǎn)單，8#層5104 巷設(shè)計(jì)長度1840m，傳統(tǒng)“有掘必探”方案為每100m施工一個(gè)探放水硐室，每個(gè)硐室內(nèi)施工3個(gè)“有掘必探”鉆孔，單孔長度150m，根據(jù)以往實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，探放水硐室施工完成后，“有掘必探”鉆孔施工時(shí)間為3～4d[2]。根據(jù)采掘部署方案該巷使用掘錨一體機(jī)掘進(jìn)，掘錨一體機(jī)設(shè)計(jì)單進(jìn)能力為每天20m，若該巷使用傳統(tǒng)方案執(zhí)行“有掘必探”，存在以下兩點(diǎn)問題：

（1）掘錨一體機(jī)受自身結(jié)構(gòu)限制，無法開掘探放水硐室，探放水硐室需要人工掘進(jìn)，耗時(shí)較長。

（2）傳統(tǒng)方案施工時(shí)間長且安全距離較短，巷道掘進(jìn)受安全距離限制，無法發(fā)揮出掘錨一體機(jī)快速掘進(jìn)的能力。

針對(duì)以上存在的兩點(diǎn)問題需要對(duì)該巷道“有掘必探”方案進(jìn)行修改，在保證安全的前提下發(fā)揮出掘錨一體機(jī)快速掘進(jìn)的能力，為此，同忻礦引入千米定向鉆機(jī)施工該巷道“有掘必探”鉆孔[3]。

2 定向鉆探工藝流程及鉆孔施工

長定向鉆探技術(shù)即為鉆探方法，主要使用專門的工具或者是鉆孔非人為彎曲的法則，依據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)鉆孔的軌跡的要求把其伸長到以前確定目標(biāo)，能夠使其軸線在彎與直之間相互轉(zhuǎn)換，以達(dá)到定點(diǎn)透巷的目的。圖1為定向鉆探工藝流程示意圖。

2.1 施工工藝和程序

（1）移機(jī)定位。根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)的要求和鉆機(jī)操作規(guī)程的規(guī)定將鉆機(jī)搬移至開孔位置，按照規(guī)定方位角和傾角固定鉆機(jī)，開孔高度不得小于1.5m，當(dāng)條件不具備無法按照設(shè)計(jì)參數(shù)開孔時(shí)，需經(jīng)過地測(cè)科人員的認(rèn)可后重新修訂設(shè)計(jì)參數(shù)。

（2）開孔和擴(kuò)孔。移機(jī)定位穩(wěn)鉆完成后即可進(jìn)行開孔操作。鉆孔開孔之前，在孔口位置將煤壁網(wǎng)片剪開300mm × 300mm 的 開 口，便 于 下 鉆 開 孔。ZDY12000LD 鉆機(jī)使用?89mm 通纜鉆桿和?120mm四翼平底定向鉆頭。

（3）封孔及套管固定。

①下設(shè)止水套管：止水套管采用?153mm×1m 的鐵制止水套管，連接方式采用絲扣式，根據(jù)此處煤層厚度，止水套管封入長度10m。

②注漿固孔：固管時(shí)使用水泥標(biāo)號(hào)不低于425#，無變質(zhì)、結(jié)塊現(xiàn)象的水泥漿封閉固結(jié)。

③耐壓試驗(yàn)：耐壓試驗(yàn)后漏水試驗(yàn)孔口管管壁及管口四周不漏水為漏水試驗(yàn)合格。否則，重新進(jìn)行注漿，直至合格為止。

④套管固定：在鉆孔開孔四周距離孔口500mm 的位置，預(yù)先打設(shè)4根長度為8m的固定錨桿。止水管全部送入鉆孔后，用鎖具將孔口封孔管法蘭盤與錨索連接固定。

2.2 鉆孔施工

（1）校正彎頭方向。

①將孔內(nèi)馬達(dá)放入孔內(nèi)并連接孔底工具鉆桿。

②退回鉆桿使彎頭方向標(biāo)記露出孔外并將彎頭方向設(shè)置為360°。

③進(jìn)行一次檢查測(cè)量以確認(rèn)彎頭方向?yàn)?60°。

④加上鉆桿直到孔內(nèi)馬達(dá)、孔底工具以及鉆桿全部進(jìn)入孔內(nèi)。

（2）開新孔操作。

①將孔內(nèi)馬達(dá)送入已擴(kuò)好孔的孔底，啟動(dòng)水泵，待孔中返出水，確認(rèn)返渣正常后，用孔內(nèi)馬達(dá)鉆進(jìn)至9m處。

②按復(fù)位按鈕進(jìn)行檢查測(cè)量，記錄方位角讀數(shù)。

③按測(cè)量進(jìn)行第一次測(cè)量。記錄數(shù)據(jù)。

（3）正常鉆進(jìn)操作。

①每3m 進(jìn)行一次測(cè)量，與設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)偏移情況決定彎頭方向的調(diào)整策略。

②鉆進(jìn)過程中鉆機(jī)操作人員必須精神集中，嚴(yán)防誤操作導(dǎo)致的設(shè)備損傷或人員傷亡。

③接鉆桿時(shí)應(yīng)保證鉆桿內(nèi)清潔無雜物，絲扣上抹黃油，鉆桿的連接彈簧應(yīng)與母扣端觸點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，嚴(yán)禁使用彎曲、變形及損壞的鉆桿。

④鉆進(jìn)過程中如遇垮孔或卡鉆、水壓突然升高等異?，F(xiàn)象，應(yīng)立即停鉆，查明原因，根據(jù)情況采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，必要時(shí)應(yīng)將鉆桿及時(shí)撤出至安全位置，嚴(yán)防鉆桿卡在孔內(nèi)。

⑤如遇特殊情況無法處理，應(yīng)將鉆桿退至安全位置后及時(shí)和有關(guān)部門聯(lián)系，共同協(xié)商解決、處理辦法，保證鉆機(jī)正常工作。

⑥當(dāng)鉆場(chǎng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.8%時(shí)，停止作業(yè)并斷電，及時(shí)撤出人員，并向礦調(diào)度室匯報(bào)；當(dāng)遇到涌水異常，必須停止鉆進(jìn)，進(jìn)行處理或注漿，在確認(rèn)沒有問題后方可開鉆。

⑦每班工作結(jié)束將數(shù)據(jù)存入拇指U 盤攜帶上井，交項(xiàng)目部保存。

（4）完孔。當(dāng)鉆孔施工至設(shè)計(jì)深度后，應(yīng)進(jìn)行一次洗孔，以確保退鉆順利和通道暢通，完孔后應(yīng)及時(shí)將井下記錄提交礦方地測(cè)部門，地測(cè)部門對(duì)終孔參數(shù)進(jìn)行處理后及時(shí)輸入數(shù)據(jù)庫，將鉆孔軌跡及時(shí)描繪在礦圖上。

（5）撤鉆。鉆孔施工完畢后將鉆桿全部退出，卸下孔底馬達(dá)。斷開地錨與鉆機(jī)之間的聯(lián)接。

3 在進(jìn)行長定向鉆工作時(shí)需要注意的事項(xiàng)

（1）在施工現(xiàn)場(chǎng)的綜采深度在地下500m，導(dǎo)致地應(yīng)力在地質(zhì)結(jié)構(gòu)和開采深度等條件的影響會(huì)變大，經(jīng)常有卡鉆、堵孔等現(xiàn)象出現(xiàn)在普通的鉆機(jī)在鉆進(jìn)的過程中，導(dǎo)致鉆孔不能使用[4]。所以，施工至煤層內(nèi)，并開孔把套管下好以后，使用帶有定向的鉆頭，使其改變之前的軌跡到煤層下部的穩(wěn)定煤體內(nèi)，為其鉆孔能夠穩(wěn)定性與穩(wěn)固性提供保障，減少了可能出現(xiàn)塌孔的幾率[5]。

（2）在使用定向鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)的時(shí)候，會(huì)有煤粉、巖粉產(chǎn)生，而且這兩種粉塵極易把鉆具給堵住，致使鉆機(jī)長時(shí)間起鉆，對(duì)鉆進(jìn) 的進(jìn)度有很大影響[6]，鉆進(jìn)過程中如遇垮孔或卡鉆、水壓突然升高等異常現(xiàn)象，應(yīng)立即停鉆，查明原因，根據(jù)情況采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，必要時(shí)應(yīng)將鉆桿及時(shí)撤出至安全位置，嚴(yán)防鉆桿卡在孔內(nèi)[7]。

4 評(píng)價(jià)效果

本次“有掘必探”鉆孔在5104開掘正巷前完成了施工，實(shí)際施工鉆孔兩個(gè)，單孔孔深822m，總進(jìn)尺1644m，與傳統(tǒng)方法相比，節(jié)省“有掘必探”進(jìn)尺2000m以上，該巷道后續(xù)掘進(jìn)日進(jìn)尺平均達(dá)到18m，效率為懸臂式掘進(jìn)機(jī)巷道的2 倍以上[8]。表1 為千米定向鉆+掘錨一體機(jī)與坑道鉆機(jī)+懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)進(jìn)尺情況表。圖2為坑道鉆機(jī)與千米定向鉆機(jī)鉆孔每百米“有掘必探”進(jìn)尺對(duì)比圖。

表1 掘進(jìn)進(jìn)尺情況表

5 結(jié)論

（1）與之前固有的探放水工藝相比較，長定向鉆探技術(shù)一次探測(cè)距離遠(yuǎn)，無需多次施工探放水硐室，還具有的特點(diǎn)方是方便操作、高的可控性與準(zhǔn)確度，在開采比較深煤層時(shí)，由于地層所帶來的壓力、出現(xiàn)的塌孔、卡鉆等狀況都能夠克服。

（2）同忻煤礦千米定向鉆機(jī)的使用，同忻煤礦的工作面順槽巷道掘進(jìn)的安全性得以實(shí)現(xiàn)，使接續(xù)不足的狀況得到了解決，帶來了經(jīng)濟(jì)效益與安全性，可以讓相似狀況的探放水進(jìn)行借鑒，可以被廣泛的使用。

（3）長定向鉆探技術(shù)能夠完成在非常遠(yuǎn)的距離進(jìn)行構(gòu)造、老空水探放，只要施工2 個(gè)或者是3 個(gè)鉆孔即可達(dá)到目的，這樣可以預(yù)防在頂水施工所帶來的危險(xiǎn)，還能降低采空區(qū)由于鉆孔之后不能密封其孔口而導(dǎo)致漏風(fēng)的可能，為礦井生產(chǎn)的安全性、高效性提供保障。