定向鉆進技術在礦井探放水孔施工中的應用

李曉東

山西焦煤華晉焦煤金達煤業(yè)有限公司 山西 呂梁 033000

在多種水害類型中，采空區(qū)積水和強含水層出水是最為常見的。傳統(tǒng)模式下，在探放處理過程中，通常借助施工探放水孔來確保積水排出。雖然這種方式在一定程度上能降低水害發(fā)生的概率，但是由于傳統(tǒng)鉆機施工無法控制孔內傾角、方位、鉆孔深度等，在實際應用中仍然存在一定的局限性。因此，有必要引進新型定向鉆進技術來優(yōu)化、改進水害防范措施。

1 工程概況

金達礦位于山西孝義市西南35km驛馬鄉(xiāng)榆樹坪村南，井田面積9.47km2，核定產(chǎn)能為180萬t/a。礦井采用立井開采方式，礦井9#煤層除保安煤柱已基本采空，現(xiàn)主采煤層10#、11#煤層。其中，10#煤層大部分已經(jīng)回采，形成了大面積積水的低洼點?，F(xiàn)場勘探發(fā)現(xiàn)9號煤層采空區(qū)積水9處（DC9-1、DC9-2……DC9-9），總積水面積125270m2，總積水量76758m3，10號煤層采空區(qū)積水3處（DC10-1、DC10-2、DC10-3），總積水面積34475m2，總積水量42193m3；11號煤層采空區(qū)積水2處（DC11-1、DC11-2），總積水面積41675m2，總積水量52900m3，威脅臨近相鄰工作面的安全開采，很容易引發(fā)水害事故。因此，決定采用長距離定向探放水孔施工，將采空區(qū)內的積水排出，以確保巷道掘進和回采安全進行。

2 定向鉆進質量影響因素

鉆進參數(shù)。主要包括鉆壓、轉速、泵量等。在大傾角仰孔鉆進工作中，鉆壓的影響尤為明顯。鉆壓不僅需要滿足常規(guī)鉆頭切削巖石的需求，還需要克服沖洗液自然升舉力、鉆桿自重等問題。只有結合鉆孔孔深遞增情況，對應調整鉆壓參數(shù)，才能確保鉆進效果的優(yōu)化。

開孔方向。開孔方向通常以設計剖面圖資料為準。精確的開孔方向能夠更好地保證探放水孔施工質量。組合鉆具配置方式。組合鉆具的融合能夠極大地提升定向鉆進在不同工程、不同地質條件中的適用性。在實踐中，要做好鉆孔測斜信息的采集更新工作，對應調整組合鉆具方案。常見的組合鉆具方案主要有鉆孔上仰、鉆孔保直、鉆孔下斜等形式。

3 定向鉆進施工方案設計

綜合工程實際情況和定向鉆進質量影響因素分析結果，確定了系統(tǒng)化的施工技術方案（ 工藝流程見圖 1）。在定向鉆進施工開始前，需要嚴格控制開孔位置及孔口裝置安裝精度，根據(jù)探放水孔設計需求確定鉆場位置。該施工鉆場布置在場所東側的地下運輸巷道之中，標高為-700m，并系統(tǒng)檢測巷道圍巖情況，符合安全性、穩(wěn)定性需求。然后將鉆機搬運到指定位置，按照說明書對鉆機進行調試檢測，觀察其是否運行正常，方位角、傾角等參數(shù)均要符合要求，使用鉆機自帶壓車柱對鉆機進行固定和校正。鉆機固定完成后，組織開展孔口管的安裝工作，使用φ150mm 硬質合金取芯鉆頭，在標記點鉆進15.5m，然后停鉆封孔，孔口外部露出部分不大于20cm。管體的密封性能務必達標，可以在四周塞入棉紗，搭配紅膠泥提升密封性能，再用封孔泵注漿封閉。為保證探放水孔結構的穩(wěn)定性，固結結束的72h之后，還應進行掃孔操作，掃孔深度必須符合要求，以超過空口管長度0.5m為宜。按照設計要求裝配三通、水壓表、試驗盤等，采用逐級升壓法進行測試。該耐壓測試共分為4個等級，初次加壓1MPa，穩(wěn)壓5min觀察是否出現(xiàn)滲漏水問題，然后每級遞增加壓 1MPa，直至達到設計值4MPa，穩(wěn)壓30min并觀察探放水孔孔口密封情況。如果試驗孔洞通過耐壓測試，則繼續(xù)安裝螺桿鉆具進行定向鉆進，否則需要重新開孔，避免出現(xiàn)孔洞坍塌等問題。在鉆進環(huán)節(jié)，還需要實時測斜，確保鉆進角度不偏離設計軌跡，直至鉆到設計深度。

圖1 定向鉆進施工流程示意圖

4 定向鉆進技術在礦井探放水孔施工中的應用

4.1 施工準備

該工程采用ZYWL-6000DS型鉆機，該鉆機由主機、泵站、操縱臺和履帶車體四大部分組成，各部分之間用軟管連接，結構緊湊，具有多項優(yōu)點。首先，運輸搬遷方便。設備的主機、泵站以及操縱臺采用集成化布置方式，具有較強的爬坡能力（可達25°）和走行速度（1.5km/h），適用于運輸條件較差的區(qū)域。其次，控制性能良好。設備具有較強的給進、起拔能力，能夠有效降低卡鉆事故。設備還配置了雙泵系統(tǒng)，支持回轉參數(shù)、給進參數(shù)的獨立調節(jié)，靈活性更強。此外，設備還支持鉆孔傾角的自動化調節(jié)，可調范圍為0°～±90°，可適應各種復雜條件下的鉆進需求。最后，通用性較強，設備采用液壓驅動方式，液壓元件均為進口、國產(chǎn)通用元件，維修保養(yǎng)更加便捷。同時，配置了CQ-1A型磁球定向測斜儀，能夠對非磁性鉆孔孔段進行測量，能將誤差控制在±1°以內。選用保直鉆進穩(wěn)定組合鉆具，配置φ63.5mm 外平鉆桿、φ94mm 內凹式復合片鉆頭。

4.2 精準對穿鉆孔技術

精準對穿鉆孔技術主要應用于采空區(qū)積水疏放項目中，按照設計方案需要開設5個巷道精準定向對穿鉆孔，并配置套管護壁結構以提升穩(wěn)定性。施工前需要科學確定開孔方位，以靶點巷道掘進工作面中心點為基準，測量鉆場開孔點的垂高和直線距離。以3#-1孔為例（各探放水孔軌跡剖面圖見圖2），經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)其高度參數(shù)應為32m，向右側偏出22m，直線距離為167.8m。

圖2 探放水孔軌跡剖面圖

探放水孔施工過程中，主要穿越泥巖、細砂巖等巖層，地質結構相對穩(wěn)定，面臨的垮塌風險較小。確定鉆孔位置后，還需要優(yōu)化設計鉆孔的孔深，按照設計孔深優(yōu)化鉆孔工序。以鉆孔起點為基準，每次向下降低10～20m打設一個鉆孔 ，最終降低至設計標高 ，以確保 施工安全性和可靠性。鉆孔傾角在11°～13°之間，方位偏差1°～3°之間，這樣可以有效避免串孔問題。每次開孔之后，均要進行嚴格的封孔打壓試驗，以免出現(xiàn)塌孔事故和風險。

試驗完成后，按照設計傾角持續(xù)、快速爬升，達到100m后逐漸減小傾角，以達到水平對穿的效果。如果按照設計方案施工卻未能達到對穿效果，可以左右調整方位角，使鉆孔軌跡經(jīng)過巷道側幫穿出。鉆機系統(tǒng)配備了高精度磁球測斜儀，實踐環(huán)節(jié)要加強跟蹤監(jiān)測，通常情況下每3m測一次傾角、方位角以及工具面等參數(shù)，根據(jù)檢測結果進行糾偏，以保障探放水孔能夠順利對穿。與巷道掘進施工相比，這種定向鉆進施工的速度更快、成本更低，實測鉆孔終孔排水量達32m3 /h。

4.3 長距離探水孔施工技術

從物探結果來看，10402工作面本身的環(huán)境條件比較復雜，含水層富水性較強，且水位恢復較為迅速，給井下生產(chǎn)工作帶來了較大的威脅。因此，決定布置鉆孔，利用定向鉆進技術對含水層進行超前探放。在施工過程中，先使用φ120mm鉆頭，搭配φ89mm外平鉆桿進行施工。鉆進深度達到50m時，進入泥巖層段，此時提鉆并更換鉆頭，擴大至153mm，下入套管，注漿并進行耐壓測試 。設計壓力為3.5MPa，同樣采用逐級加壓方式維持30min，觀察是否存在密封不嚴、滲水漏水等情況 。完成后回轉掃孔至孔底，使用φ89mm、φ73mm 螺桿馬達及隨鉆測量系統(tǒng)定向鉆具組合定向鉆進，緩慢調整傾角，以確保鉆具順利進入含水層。鉆孔施工至267m時現(xiàn)場出現(xiàn)了涌水增多情況，及時暫停施工。實測涌水量為42m3/h，已達到超前探放目標。長距離定向探水孔施工效果和傳統(tǒng)鉆孔施工效果對比如圖3所示。

圖3 長距離定向探水孔與傳統(tǒng)鉆孔的對比

4.4 小遇層角穿層定向施工技術

軟硬互層是煤礦井下探放水孔施工環(huán)節(jié)中經(jīng)常遇到的地層類型。這類地層的穩(wěn)定性較差，圍壓對于軟層、硬層的膨脹變形約束效果不同，很可能引發(fā)互層巖體剪切破壞等情況。如果遇層角偏小，軟硬巖層的彈性模量、峰值強度、內摩擦角都會發(fā)生改變，進而制約定向鉆進施工的質量和效果。這是因為軟層、硬層結構質地差異較大，鉆頭鉆進時承受的反作用力也存在較大差異，鉆進過程中很容易產(chǎn)生傾倒力矩，進而改變鉆頭設定方向，增加鉆孔彎曲風險。

通常來講，鉆孔彎曲方向 、強度是有規(guī)律可循的，會隨著遇層角大小 、軟硬層硬度差變化而變化。當遇層角δ≤20°時，這種影響就會十分顯著。鉆壓P作用于鉆具和巖層時，會產(chǎn)生向下的滑動力Pcosδ，滑動力持續(xù)上升，并超過鉆具和巖層的摩擦力f，進而導致鉆具下滑，出現(xiàn)“順層跑”的狀況。在此次施工中，3#探放水孔會穿過一處較大的軟硬互層區(qū)域，遇層角僅有16°，鉆孔彎曲的風險較高。因此，在實踐中需要進行專門的方案調整和優(yōu)化。該工程采用了調低鉆壓、減小泵量的方法，以確保鉆孔軌跡與設計方向一致。這種做法的原理較為簡單，當定向鉆鉆壓下降時，產(chǎn)生的向下滑動力Pcosδ也會減小，鉆具下滑強度會明顯減弱。同時，調小泵量會導致巖煤粉顆粒出現(xiàn)堆積情況，其充斥于第一穩(wěn)定器部分和鉆頭部分，回轉過程中鉆具受到的摩擦力上升，迫使鉆具向右上方偏移，進而更加符合設定的鉆進方位軌跡，有助于提高探放水孔施工質量。

5 定向鉆進技術在煤礦井下探放水孔施工中的應用效果

有效距離長。傳統(tǒng)組合鉆具鉆進環(huán)節(jié)，由于無法控制方位角，探放水孔施工精度很難保證，鉆孔深度通常不能超過 200m。而定向鉆機采用自動化作業(yè)方式，操作簡單、定位精準，能夠對深層隱伏構造進行超前探測，進而精確揭露各種地質構造，有效長度可以達到 200m 以上，非常適用于采空區(qū)、富水含水層的超長探放水孔施工工程。

施工安全性高。井下運輸條件差，存在上下坡，傳統(tǒng)模式下依靠人力進行設備的安裝和鉆孔工作的推進，很容易埋下安全隱患。施工期間每層、圍巖結構受到擾動，還可能出現(xiàn)各種孔內事故。而此次使用的 ZYWL-6000DS 鉆機自身爬坡能力極強，行走速度快，搭配凹槽通纜鉆桿，能夠有效提升自動化水平和排渣能力，有助于降低事故的概率，提升施工安全性。

精準命中靶點。定向鉆進技術使用了自動化隨鉆測量系統(tǒng)，靶點定位精度較高。鉆探過程中，依托定向鉆進技術打設探放水孔，實現(xiàn)了采空區(qū)積水和強含水層超前探放目標，單孔出水達到了32m3/h和42m3/h，能夠為煤礦井下生產(chǎn)工作帶來良好的經(jīng)濟、社會效益。

6 結束語

綜上所述，定向鉆進技術具有先進、高效的優(yōu)勢特征，應用于煤礦井下探放水孔施工，能夠顯著提升方位角控制能力，確保施工精度和質量，實踐中務必對其給予充分重視。要結合現(xiàn)場水文地質條件科學確定鉆機的技術參數(shù)，選擇適宜的組合鉆具，對應調整開孔方位、開孔角度。同時，明確精準對穿鉆孔技術、長距離探水孔施工技術差別，深入把握軟硬互穿層地質特征，為煤礦井下施工的順利推進奠定堅實基礎。