定向鉆探技術在煤礦探放水施工中的應用

邢佳佳

（山西焦煤山煤國際韓家洼煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100）

1 22403回風順槽概況

山西焦煤山煤國際韓家洼煤業(yè)有限公司22403回風順槽位于井田三水平西盤區(qū)，巷道東部為西盤區(qū)回風巷，西部為未開采區(qū)域，北部、南部為2008年12月兼并重組前遺留的舊巷。

22403回風順槽主要擔負著工作面回風任務，巷道設計長度為790 m，巷道掘進斷面規(guī)格為寬×高=4.5 m×3.5 m，巷道掘進煤層為22號煤層，煤層特性情況如表1所示。

表1 22號煤層特性情況

22403回風順槽采用綜合機械化掘進工藝，截止目前巷道已掘進210 m，通過地面物探以及鉆探發(fā)現(xiàn)，在22403回風順槽上覆50 m范圍內(nèi)存在積水異常區(qū)，經(jīng)查明為裂隙含水層，預計總積水量為3 587 m3，積水區(qū)主要集中在620～740 m段，巷道掘進前期主要采用超前鉆探方式水害排查，但是通過實際應用來看，達不到預期防治水效果[1]。

2 巷道掘進前期探放水工藝及問題分析

2.1 掘進前期探放水工藝

1）工作面掘進前期主要采用布置超前鉆孔進行探放水施工，工作面布置5個鉆孔，鉆孔開口位置布置在距頂板1.5 m處煤壁上，鉆孔深度為100 m，仰角為45°，鉆孔布置間距為1.0 m。

2）鉆孔擴孔深度為11 m，擴孔段鉆孔直徑為130 mm，鉆孔擴孔后對孔口段安裝孔口管，并采用膨脹水泥進行封孔處理，鉆孔封孔完成后再繼續(xù)對鉆孔進行施工。

3）當鉆孔鉆進至積水區(qū)時及時在孔口管外端安裝控制閥門、壓力表以及防水管路，鉆孔放水完成后及時對鉆孔進行封堵。

2.2 問題分析

1）鉆孔施工工程量大：傳統(tǒng)傳統(tǒng)超前鉆探時，每個鉆場內(nèi)布置5個鉆孔，每個鉆孔深度為100 m，鉆孔總施工長度為500 m，巷道每掘進70 m需布置一個鉆場，共計10個鉆場，鉆孔總數(shù)量為50個，鉆孔總施工長度為5 000 m，鉆孔施工工程量大、周期長，且施工時成本費用高。

2）探放水效果差：傳統(tǒng)鉆水鉆孔施工時，鉆孔無法根據(jù)要求進行拐彎，對局部積水區(qū)，超前鉆孔無法實現(xiàn)探放，鉆孔放水效果差，而且傳統(tǒng)鉆孔主要采用膨脹水泥進行封孔施工，對于積水量小、水壓小的積水區(qū)膨脹水泥可滿足放水需求，但是對于積水量大且水壓大的區(qū)域放水時，膨脹水泥固結(jié)效果差，在水壓作用下，孔口管很容易出現(xiàn)射管現(xiàn)象。

3）對巷道掘進影響大：在進行探放水施工時巷道必須停產(chǎn)，通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，每個鉆孔施工時長為3 h，鉆孔施工總時長為15 h，每次進行探放水施工影響巷道掘進時間為24 h，進行10次探放水施工影響巷道總時長為10 d，嚴重制約著巷道安全快速掘進。

3 定向鉆探技術應用

3.1 定向鉆探技術原理

定向鉆探技術主要指采用千米專用鉆機進行積水區(qū)鉆孔定向施工，鉆孔在施工過程中利用鉆機螺桿馬達提供動力，控制螺旋桿旋轉(zhuǎn)，在鉆探期間可通過旋轉(zhuǎn)螺旋桿彎角實現(xiàn)鉆孔拐彎施工，同時在鉆孔施工期間利用鉆機隨鉆的測量系統(tǒng)對鉆孔施工進度、軌跡、方位角進行實時測量，從而保證鉆孔按指定方向進行鉆進[2-3]。

3.2 鉆探設備選取

22403回風順槽定向鉆孔施工時鉆進型號為ZDY4000LD，千米鉆機配套設備主要包括泥漿泵、通纜鉆桿、弧形鉆頭、隨鉆測量系統(tǒng)等，其中泥漿泵型號為FMC260型，鉆桿直徑為89 mm，鉆頭直徑為98 mm，隨鉆測量系統(tǒng)型號為YHD2-1000，具體參數(shù)見表2。

表2 定向鉆機主要技術參數(shù)

3.3 鉆孔布置參數(shù)

1）根據(jù)22403回風順槽鉆探資料顯示，上覆積水區(qū)與巷道垂高在40～50 m范圍內(nèi)，巷道直接頂主要以炭質(zhì)泥巖為主，基本頂主要以砂質(zhì)泥巖為主，巖體裂隙發(fā)育，為了防止巷道掘進期間出現(xiàn)頂板透水事故，決定在巷道210 m處布置鉆場，鉆場內(nèi)布置4個鉆孔，鉆孔編號為1號、2號、3號、4號，鉆孔設計深度為350 m，如圖1所示。

圖1 定向鉆孔軌跡示意圖

2）鉆孔開口位置距頂板間距為1.2 m，鉆孔間距為1.5 m，鉆孔前200 m以6°仰角進行施工，當鉆孔鉆進200 m后逐漸降低鉆孔角度，當鉆孔鉆至積水區(qū)時鉆孔仰角變?yōu)?°，鉆孔鉆進期間利用隨鉆系統(tǒng)隨時觀察鉆孔鉆進情況，發(fā)現(xiàn)鉆孔偏離設計軌跡時及時調(diào)整鉆孔方位角[4-5]。

3）22403回風順槽施工的定向鉆孔采用變徑的方式進行封孔施工，鉆孔擴孔深度為18 m，首先采用導向鉆頭進行施工，施工深度達18 m后采用擴孔鉆頭進行施工，擴孔段直徑分別為133 mm和153 mm，鉆孔變徑擴孔到位后對擴孔段安裝直徑為127 mm孔口管，每節(jié)孔口管長度為3.0 m，共計安裝6根，孔口管安裝到位后采用油井水泥進行封孔處理，同時對封孔段采用注水耐壓試驗，如圖2所示。

圖2 鉆孔變徑法封孔平面示意圖

4）采用定向鉆探技術必須注意以下事項：鉆孔施工前必須對鉆場間加固，當鉆孔壁圍巖破碎嚴重時需煤壁采取注漿加固，在鉆場附近必須施工臨時水倉并安裝配套設施；鉆孔施工時必須由防治水專業(yè)技術人員現(xiàn)場指導，鉆孔開口位置、鉆孔深度、傾角等參數(shù)必須符合設計要求；鉆孔施工過程中應準確測量鉆孔鉆進深度以及煤巖性，施工期間若發(fā)現(xiàn)頂鉆現(xiàn)象時應立即停止鉆機，但不得拔出鉆桿。

4 結(jié)論

通過對22403回風順槽傳統(tǒng)探放水施工設計進行優(yōu)化，采取定向鉆探技術后，實際應用效果來看，取得了以下顯著成效：

1）減少了鉆孔施工工程量：22406回風順槽采用定向鉆探技術后，整條巷道僅需施工4個鉆孔即可，鉆孔總長度為1 400 m，與傳統(tǒng)超前鉆探相比，鉆孔施工工程量減少了3 000 m，由原來的10個鉆場減少為1個鉆場，鉆孔施工周期縮短了5 d，降低了鉆孔施工時勞動作業(yè)強度，以及鉆孔施工成本費用。

2）加快了巷道掘進速度：采用傳統(tǒng)超前鉆探時，每次鉆孔施工影響巷道掘進時間達24 h，巷道平均掘進速度不足6 m/d，而采用定向鉆探技術后，只需進行一次鉆探即可，而且鉆孔施工數(shù)量少，從而降低了對巷道掘進影響，巷道掘進速度提高至8.5 m/d。

3）探放水效果好：22403回風順槽采用定向鉆探技術后，4個鉆孔共計放水量為3 566 m3，于預計積水量基本相符，巷道在后期掘進過程中局部出現(xiàn)頂板淋水現(xiàn)象，但最大淋水量不足0.5 m3/h，對巷道掘進影響不大，基本消除上覆含水層水害影響，保證巷道安全掘進。