定向钻探技术在煤矿防治水中应用

马 鹏 程

（晋能集团有限公司，山西 太原 030000）

0 引 言

探放水施工是煤矿掘进工作面预防水害事故发生的重要技术手段，目前井下掘进工作面主要采用钻探技术手段确定水害位置、水压并进行疏压降水，传统探放水施工时探水钻孔深度不大于200m，超前距不低于30m，巷道每掘进一段距离后进行一次探放水施工，直至巷道掘进完成；但是在实际巷道掘进过程中，传统探放水施工工艺还存在很多问题，主要表现在以下几方面：①钻孔施工数量多，工程量大；②钻孔施工期间对巷道影响较大；③探放水施工效率低，盲目性大等。不仅降低了探放水施工效率，而且严重威胁着巷道安全掘进；所以采取合理有效的探放水施工工艺，对提高煤矿防治水效率及预防水害事故发生具有重要意义。

1 概 述

晋能集团四明山煤业有限公司9104 运输顺槽位于井田南部一采区，由北向南开拓，巷道设计长度1250m，断面净宽4.8m，沿9#煤层顶板向南开拓至井田边界保安煤柱。北为9#煤南翼辅运下山，南为井田边界煤层保护线，东为实体煤层，西为实体煤层。

根据首采区地质报告及已收集井下实见资料分析，9 号煤层顶板的充水来源主要受其顶板砂岩及K5 灰岩裂隙含水层影响，砂岩裂隙含水层水源主要为裂隙含水，属弱富水性含水层，对巷道掘进影响不大；9#煤层上覆45m 为3#煤层采空区，预计含水量为7467m3，积水区主要位于巷道870～1030m 段，巷道掘进期间在应力作用下，采空区积水沿裂隙岩层涌入工作面，对巷道掘进影响较大。9104 运输顺槽采用综合机械化掘进工艺，截止目前巷道已掘进450m。

2 巷道掘进前期探放水施工工艺及问题分析

2.1 前期探放水施工工艺

1）采用ZDY3700B 型钻机并配套中空钻杆进行钻孔施工，钻机功率为50kW，钻机压力为30MPa，转速为72r/min；中空钻杆长度为1.5m，直径为63mm，导向钻孔钻头直径为75mm，扩孔钻头直径为132mm。

2）由于工作面前方水文地质条件简单明确，四邻无采空区及老窑水，工作面前方无需布置迎头钻孔，工作面每排布置5 个顶板钻孔（1#-5#孔），所有钻孔深度为150m，所有钻孔与顶板仰角为20°，钻孔终孔位置位于上覆岩层50m 处；其中5#钻孔水平投影与巷道中线重合，1#、2#钻孔在水平投影上分别左偏20°、40°，3#、4#钻孔在水平投影上分别右偏20°、40°，所有钻孔在空间上成“扇形”布置。

3）待工作面钻机安装完成后进行钻孔施工，当钻孔钻机深度达11m 时停止钻钻进并及时更换扩孔钻头进行扩孔施工，扩孔深度为11m，扩孔后对钻孔内安装4 根PVC 孔口管并采用聚氨酯进行封孔处理。

4）钻孔封孔后对孔口段进行注水耐压试验，注水压力为积水压力的1.5 倍，耐压时间不得低于20min，耐压试验合格后方可继续钻进。

2.2 问题分析

1）钻孔施工工程量大：由于9104 运输顺槽上覆采空区积水主要位于870-94m 段，巷道每次超前钻探长度为150m，允许掘进距离为100m，巷道掘进期间共计需施工8 组探水钻孔（40 个钻孔），钻孔总长度为6000m，钻孔施工周期为27d，钻孔施工工程量大，劳动作业强度高，而且钻孔施工期间巷道被迫停止掘进，影响巷道掘进效率。

2）钻孔无用孔数量多：采用传统超前钻探的方法进行探放水施工时，钻孔施工数量多，且多数钻孔为无用孔，而且在钻孔施工时盲目性，达不到预期探放水效率。

3 定向钻探技术应用分析

3.1 定向钻探技术原理

定向钻探技术主要利用千米钻机进行钻孔施工，在钻进时通过螺杆马达提供钻进动力，同时采用钻进系统中的随钻测量系统对钻孔轨迹、弯角以及方位角进行实时测量并控制螺杆旋转角度，使钻头按指定方位角进行钻进，从而达到预期钻进的目的，定向钻探深度一般在400m 以上，钻进准确度在98%以上。

3.2 定向钻探设备

9104 运输顺槽采用定向钻探施工时钻机型号为ZDY45000 型，钻机配套泥浆泵、二代钻进测量系统，具体技术参数如表1 所示。

表1 ZDY4500 型定向钻机主要技术参数

3.3 定向钻探施工工艺

1）9104 运输顺槽掘进至500m 处时采用定向钻探施工，根据物探以及三维地震探测资料显示，巷道上覆采空区积水主要位于870～1030m 段，与施工巷道垂直距离为45m，与巷道水平投影偏差角度为22°，所以通过研究决定施工四个定向探水钻孔（1#-4# 孔），四个钻孔平均深度为457m，如图1 所示。

2）四个钻孔布置掘进巷道迎头煤壁上，距顶板间距为1.8m，四个钻孔成直线布置，间距为1.5m，所有钻孔在前350m 以6°倾角快速钻进，钻孔方位角偏差控制3°范围内，当钻孔钻进至350m 后逐渐减小倾角，当钻孔钻进至积水区时确保钻孔倾角在2°。

图1 9104 运输顺槽定向钻探轨迹曲线示意图

3）根据地质资料显示，9104 运输顺槽直接顶为炭质泥岩厚度为6.7m，基本顶为粗砂岩厚度为17.6m，钻孔扩孔终孔位置位于坚硬稳定岩层即可，所以钻孔封孔深度为12m，钻孔采用变径的方法进行扩孔施工，扩孔段直径分别为133mm 和153mm，扩孔后对钻孔内安装直径为127mm 孔口管，并采用油井水泥进行封孔处理。如图2 所示。

图2 油井水泥封孔工艺平面示意图

4）钻孔封孔完成后进行注水耐压试验，注水压力为2.4MPa，注水合格后对钻孔依次安装泄压阀、止水阀等，并继续对导向钻孔进行钻进，在钻进期间通过随钻测量系统实时记录钻孔轨迹，并与设计钻孔轨迹进行对比分析，出现偏差时及时进行校正。

3.4 实际应用效果分析

1）缩短了钻孔施工工程量及周期：9104 运输顺槽采用定向钻探技术后，钻孔总施工长度为1828m，与传统探放水施工工艺相比，钻孔施工工程量缩短了4172m，钻孔施工周期缩短了13d，提高了钻孔施工效率，降低了钻孔施工劳动作业强度。

2）保证巷道快速掘进：传统探放水施工工艺每掘进100m 需进行一次钻孔施工，受探放水施工工艺影响，掘进前期巷道平均掘进速度为5.2m/d，采用定向钻探技术后，钻孔施工一次性到位，对巷道掘进影响小，后期巷道掘进平均速度达9.6m/d，保证了巷道安全快速掘进。

3）探放水效率高：采用定向钻探技术后四个定向钻孔全部为湿孔，放水水压为1.2MPa，共计对9104运输顺槽上覆采空区放水量为7442m3，放水量与预计积水量基本相符，巷道后期掘进过采空区积水段时顶板出现局部淋水现象，最大淋水量为0.2m3/h，对巷道掘进影响不大，消除了上覆采空区水患。

4 结束语

晋能集团有限公司地质勘测部针对四明山煤矿9104 运输顺槽掘进前期探放水施工效率差、周期长、劳动强度大等技术难题，提出了定向钻探技术，通过实际应用效果来看，定向钻探技术具有钻孔施工量小、精度高等优点，大大提高了探探放水施工效率，取得了显著应用成效。