井下随钻测量定向钻进技术在方山店坪煤矿应用研究

李晓璐

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司，山西 吕梁 033102）

当前煤矿井下定向钻孔施工过程中，完成钻孔轨迹的实时测量是确保钻具依照设计钻孔轨迹延伸的关键[1-2]。随着我国煤矿综合机械化采煤技术的飞速进步，煤矿安全生产对井下勘探孔等技术的要求也越来越高。随钻测量技术作为一种相对来说比较新型的钻进工艺形式，其能够在钻进的同时完成各种钻井参数的持续实时测量，拥有更高的精度以及更快的钻进速度，是目前煤矿井下钻孔施工中急需的矿井测量技术[3-4]。

方山店坪煤矿位于山西省吕梁市方山县大武镇王家庄村一带，行政区划属方山县大武镇管辖。试验钻场布置在9-2072巷，9-2072巷位于+830m水平南翼二采区右翼，东与+830m水平南翼轨道巷相通，西至井田边界，南为实体煤，北与9-2092巷相邻（帮至帮间隔246m），上部为+900m水平5#煤可采煤层，根据+900m水平5#煤开采情况，9-2072巷工作面上部5#煤层为实体煤，9#煤与5#煤层间距为60～65m。9-2072巷主要担负着9-209工作面回采期间进风，9-207工作面回采时回风、运输、行人，同时在9-207工作面回采期间留巷为9-205工作面回采服务。9-2072巷设计全长1314m，现已施工152m，剩余1162m。9-2072巷现施工位置位于9-2072系统巷B#导线点前99m，以270°方位角沿9#煤顶板施工1162m（中-中）到达切巷位置。

1 随钻测量定向钻进系统的组成

本次定向钻进系统使用山西省煤炭地质勘查研究院研制YHD1-100型矿用随钻测量定向钻进系统，是专门针对山西区域煤矿井下定向钻孔施工状况研发的。系统包含上/下无磁钻杆、测量探管以及孔口监视器等设备，用于满足水平定向钻进的测量及控制。见图1。

图1 随钻测量系统连接示意图

测量探管作为定向钻进历程中测量系统的关键部分，其装配于近钻头的无磁钻杆内以完成实时采集钻具姿态参数的任务，随之经过通讯电缆把获取到的数据传输至孔口监视器，操作人员能够依照得到的测量数据以及钻孔轨迹及时完成工具面向角的调节，进而控制钻孔轨迹[5]。

煤矿井下定向钻孔的施工状况相对于非开挖等地面定向钻进来说有所区别，为了能够相对更好地运用随钻测量定向钻进技术，完成对其运用的工作环境及技术条件的研究，需注意以下内容：

（1）工作环境：一般情况下煤矿井下的温度在0～40℃区间内，为了在很大程度上确保其拥有相对较高的可靠稳定性，择取低功耗工业级芯片，避免电流过大致使温度升高[6-7]。

在钻进历程中，因为排量小以及出口泵压低（≥5MPa），在很大程度上对仪器的抗压及振动能力要求很低，但为了确保仪器在很大程度上拥有相对较高的可靠性，其耐压以及能力分别要≥10MPa以及≥4g(g表示重力加速度)。

（2）测量精度指标：见表1。

表1 测量精度指标

水平钻进是于顶底板间顺着煤层延伸方位完成的，其关键参数是上下偏移，如果水平钻进以及探管测量误差分别是1000m以及0.2°，最大的上下偏移量是1000×sin0.2º=3.5m，兼顾均方差其偏移≤2.5m，完全符合至少有≤10m煤层厚度的状况。

（3）防爆指标：总体运用的设备务必是防爆的，其防爆以及防护等级分别是本质安全型以及高于IP54。

（4）探管结构及性能指标：

① 直径相对较小（≤50mm），能够装配于钻杆空腔内并且留出相对适宜的环状空隙。目前煤矿井下完成定向钻进用的钻杆外径以及通孔直径极大值分别是73mm、55mm，除了能够确保探管顺利通过，在很大程度上要有适宜的过水面积以确保高压水能够顺利经过，综上要求探管的外径要≤50mm。

② 为了确保实时监控探管形态，要非常迅速地完成数据采集，随后迅速把数据传输至孔口监视仪，其输送间隔通常情况下低于2s。

③ 探管是固定于和单弯螺杆相对紧密连接的无磁钻杆内，把调节好探管的工具面向角参数输送至孔口监视仪，经过调节单弯螺杆的工具面向角就能够掌控钻进方向，所以探管的固定务必要坚固可靠，不可转动以及前后窜动。

④ 探管的信号输出务必要做短路保护，以保证即使出现短路也无法损坏探管。另外信号的输出阻抗依着钻杆的连接也会在很大程度上出现改变，所以探管要拥有相对很强的信号输出性能以确保信号的有效输出，同时还要确保信号在很大程度上拥有很强的抗干扰能力。

2 随钻测量定向钻进技术效果分析

本次随钻测量定向钻进共完成顶板水探放钻孔6个，均按照设计深度沿设计轨迹达到预定位置，最大钻孔深度594m，且具备更深的钻进能力。以上定向钻孔均为一次成孔，成孔率高，平均钻进效率大于30m/班，与原技术相比提高30%以上，满足矿井超前高效顶板水探放的需求。完成的6个定向钻孔其靶点处实钻轨迹参数与设计轨迹数据见表2所示。

施工完成的6个井下定向钻孔疏放时间约七个月之内顶板水探放定向钻孔疏放水情况统计如表3所示。随后6个钻孔涌水量迅速下降，其6个钻孔涌水量综合为10m3/h左右。

综合上述分析，根据水文地质情况及钻孔疏放水情况分析，钻孔完成七个月后9-2072巷涌水水源主要为顶板砂岩含水层水，砂岩含水层水主要通过施工锚杆、锚索眼及岩层裂隙导水进入工作面。预计掘进期间工作面正常涌水量为7m3/h，最大涌水量为15m3/h。掘进期间必须严格执行“预测预报、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原则，同时排水系统能力必须达到预测最大涌水量的2倍，生产期间注意加强排水。

表2 9-2072巷定向钻孔实钻轨迹与设计轨迹偏差统计表

表3 9-2072巷顶板水探放定向钻孔疏放水情况统计

3 结论

方山店坪煤矿将随钻测量定向钻进技术引入9-2072巷顶板探放水中和水文地质条件分析中，取得了良好的水害防治效果，对井下顶板含水层内水体超前区域探查和疏放，可推广应用于其他类似矿井。