定向钻孔技术在煤矿水害治理中的应用

2020-12-25何伯稳淮北矿业集团有限责任公司技术中心

安徽科技 2020年9期

文/何伯稳（淮北矿业<集团>有限责任公司技术中心）

近水平定向钻孔技术是指利用钻孔自然弯曲规律或采用专用工具使水平钻孔轨迹按设计要求延伸钻进至预定目标的一种钻探方法[1]。目前随着我国煤矿开采范围、强度及区域的逐年增加，对于工程量、成本、工期等方面的考虑要求应用定向钻技术。多年来各国学者从不同的角度研究解决老空水在矿井生产中的危害，其中最具代表性的成果也是采用定向钻技术。在总结试验结果和比对现场特征的基础上，定向钻孔技术已成功应用于老空水远距离探放钻孔、煤层底板灰岩水疏放钻孔、精准对穿巷道疏放水钻孔等领域，革新了传统方式，创造了巨大的经济与安全效益。

一、定向钻技术理论

定向长钻孔主要采用随钻测量定向钻进技术完成，即利用具有大机身调角范围和主轴抱紧功能的定向钻机夹紧由螺杆马达、下无磁钻杆、孔内随钻测量仪器、上无磁钻杆和中心通缆式钻杆等组成的孔内定向钻具，通过正转孔口钻具（钻杆柱）来调整螺杆钻具上造斜件的工具面向角，使其朝向预定方向，然后泥浆泵提供的高压水通过送水器、中心通缆钻杆进入孔底马达内驱动马达旋转，带动钻头旋转切削煤岩层。钻进过程中整个钻杆柱不旋转，仅孔底马达带动钻头回转碎岩钻进[2]。

而钻孔轨迹控制主要通过改变孔底马达弯角的方向（即工具面向角）来实现。系统中随钻测量探管将钻孔的倾角、方位角和工具面向角等数据实时传输到孔口计算机内进行处理，形成钻孔实钻轨迹并显示。根据设计轨迹与实钻轨迹偏斜状况，调整工具面向角以达到调整钻孔轨迹的目的，保证钻孔轨迹沿预定方向延伸[3]。

二、定向钻技术的应用

1.杨柳煤矿103 采区总回风巷顺灰岩定向探放水钻孔

由于杨柳煤矿103 采区太灰和奥灰存在水力联系，疏降底板太灰水进一步拉动奥灰含水层水位，所以需进一步查明、治理该区域太灰、奥灰水力联系通道。

103 采区总回风巷顺灰岩定向探放水钻孔施工2 个钻孔，目标层位是距10 煤底板72～80m 的三灰层位中，1 号钻孔以-7°开孔，距巷道底板1.2m，2 号钻孔以-5°开孔，距巷道底板1.4m。

施工钻孔主要经过层厚分别为26m 的砂岩、7m 的泥岩、1.9m 的一灰、2.5m 的泥岩、2.9m 的二灰、4.6m 的砂岩进入层厚7.3m 的三灰，顺三灰岩层施工至终孔。1 号钻孔施工期间出现断层情况，钻孔在410m 处断层，导致无法准确跟层，为防止误穿4 灰，决定提钻，此时钻孔出水量约30m3/h。2 号孔施工时，由于有了1#钻孔施工经验以及断层的大致走向，钻孔施工了656m，钻孔在550m处出水量约30m3/h，此时2 个钻孔的出水量已达到矿方设计要求，最终钻孔施工至656m，钻孔出水量32m3/h。

2. 杨庄煤矿Ⅲ610 工作面底板灰岩水远距离定向疏放钻孔

杨庄矿Ⅲ610 工作面为采区煤柱工作面，受底板灰岩水危害巨大。为确保工作面安全回采，需要在收作线以外施工一个超长放水钻孔对回采范围的一灰水进行疏放。钻孔施工难度大，工艺复杂，需要穿过采空区底板破碎带及两层煤线，必须严格控制钻孔轨迹施工至灰岩富水区，设计护壁管和止水管超长。工作面虽已施工21 个放水孔，但是Ⅲ610 工作面太灰补给充分，水位恢复速度快，给疏干开采带来困难。采用定向钻孔技术，在Ⅲ610风巷工作面收作线以外施工了一个长度264m 的定向钻孔，该孔顺一灰10m，终孔位置与设计相比，左右偏差0.3m，上下偏差0.2m，精确施工到设计靶点，单孔出水量40m3/h，彻底消除了Ⅲ610 工作面底板一灰水害。