精确疏放唐家会矿煤层顶板砂岩水技术

赵祥龙

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710077）

0 引 言

顶板砂岩水害是西部煤矿水害的主要种类之一，对煤矿生产安全构成严重威胁[1-2]，采前施工探放水工程是进行顶板水害防治的主要手段。常规回转钻进探放水距离有限，且钻进终孔位置与设计目的位置偏差较大，为保证良好的疏放效果不得不采用多孔设计，但多孔施工又使得施工周期变长、探放水效率低下[3-5]。随着煤矿开采的不断智能化，对地质条件探查精度的要求越来越高，普通钻进方式已无法满足现代化矿井建设要求。定向钻技术精度高、效率高，通过控制钻进轨迹实现长距离精确靶中目的区域，在煤矿巷道形成之前完成超前探放，大大缩短了煤矿工作面的准备时间[6-8]。

1 工作面概况

62103 工作面为唐家会煤矿二盘区西翼第3 个工作面，工作面走向平均长1 000 m，倾向均宽240 m。煤层倾角0°～8°，平均2°，煤层厚22.4～24.27 m，平均23.34 m，煤层结构复杂，含3～15 层夹矸，夹矸厚1.3～6.47 m，矸石岩性为泥岩，局部含粉砂，全区稳定，煤质为长焰煤。工作面地质储量为1 269 万t，可采储量1 079 万t，采用综采放顶煤方法开采，机采底部4 m，之上为放顶煤。

地面对应位置位于工广以南1.7 km，隶属于邦郎色太村，地面对应有何家圪旦村庄，其余为第四纪黄土，局部第三纪及白垩系地层出露，发育有冲沟，没有其他构筑物。地面标高+1 235.0～+1 322.2 m。

2 水文地质条件

6 号煤顶板砂岩含水层，岩性以中粒砂岩、细粒砂岩为主，厚0.30～14.50 m，平均4.36 m。单孔涌水量一般为3～10 m3/h，最大20 m3/h，该含水层单位涌水量q=0.060 L/s.m。

此前对61101、61103、61201 三个工作面进行过钻孔疏放水施工，顶板砂岩水水量较大，单孔最大涌水量为100 m3/h，累计疏放顶板砂岩水52.5 万m3。可结合以往工作面顶板砂岩水的富水性，对62103 工作面顶板砂岩水进行疏放来解决回采期间水害的治理问题[9]。

3 疏放水工程设计

3.1 钻孔轨迹设计

煤矿井下近水平定向长钻孔轨道设计可近似为曲线与直线的组合，以“直线- 曲线- 直线”的形式为主。实际上由于井下定向钻孔全孔均采用螺杆钻具施工，钻孔实际轨迹为螺旋型曲线，但在直线段施工时，其倾角及方位变化小，钻孔基本围绕直线延伸，钻孔轨迹可近似为直线。

为了实现快速覆盖62103 工作面范围内顶板含水层且达到疏放水的目的，依据水文地质资料，结合煤矿防治水规定要求[9-10]，以及工作面形成周期，决定在62103 工作面6 煤顶板布设2 个钻场，3 个定向长钻孔6-1、6-2、6-3 孔。钻孔平面图如图1 所示，剖面图如图2 所示，设计参数见表1。

图1 6 煤层顶板疏放水定向钻孔轨道设计平面图

图2 6 煤顶板疏放水定向钻孔设计轨道剖面示意图

表1 62103 工作面煤层顶板疏放水定向钻孔工程量

3.2 钻孔结构设计

定向钻孔的主孔均采用二级钻孔结构：即第一级采用φ153 mm PDC 钻至6 煤顶板，下入φ127 mm 孔口管至6 煤顶板，用水泥浆液封孔；第二级采用φ98 mm PDC 钻头定向钻进至终孔，见图3。

图3 6 煤顶板疏放水定向钻孔结构示意图

3.3 精确钻进技术及装备

此次定向钻进技术使用YHD3-1500 型泥浆脉冲随钻测量系统，其特点是效率高、精准度高，可以利用此系统精确靶中疏放区域。此系统主要由防爆计算机、防爆键盘、防爆数据存储器、防爆测量探管和防爆压力变送器等5 部分组成[11-13]。往常需要更换中心式通缆钻杆来进行数据的测量，节省了来回更换钻具时间，增加了钻进效率。

根据钻孔深度及倾角决定钻机使用ZDY-6000LD，泥浆泵从原来的3NB-BW320 更新至BW600/10，增加了泵压与流量，为更好的处理钻孔事故提供了保障，同时也加快了钻进效率。

4 疏放水工程施工

62103 工作面共设计3 个顶板砂岩水疏放孔，总进尺为2 535 m，其中最大孔深为966 m（6-2 孔），探测区域覆盖62103 整个工作面范围内顶板目标含水层，单孔最大水量为130 m3/h。钻孔施工顺利，钻孔施工实际轨迹满足设计要求。实钻轨迹图如图4所示，钻孔施工情况统计见表2。

图4 6 煤顶板疏放水实钻轨迹图

表2 钻孔施工情况统计

5 疏放水效果分析

对6-1、6-2 及6-3 钻孔进行无钻测量涌水量，其动态特征曲线如图5、图6、图7 所示，从3 个定向钻孔初始涌水量情况可看出，6 号煤层顶板砂岩含水层具有出水量较大、出水持续时间较长的特征，特别是6-1 号钻孔，从6 月份初始出水至9 月底出水结束，最大出水量为130 m3/h，持续出水3 个月，共放水约13 万m3。说明6 煤层顶板砂岩含水层区域富水性性强，单一钻孔疏放煤层顶板砂岩水效果较好。此外，在钻孔施工完成后，存在钻孔出水均伴随有出沙现象，说明6 煤顶板砂岩含水层岩性胶结程度差，在水流冲刷作用下易崩解。

图5 6-1 号钻孔流量历时曲线图

图6 6-2 号钻孔流量历时曲线图

图7 6-3 号钻孔流量历时曲线图

6 结论与建议

1）采用水平定向钻孔精确地对62103 工作面顶板砂岩水进行了疏放，单孔最大涌水量达130m3/h，累计疏放水量达13 万m3，消除了工作面采前顶板水害隐患，为后续巷道掘进、工作面回采的安全进行提供了保障。

2）采用了更为先进的泥浆脉冲随钻测量系统及泥浆泵，增加了钻进效率，使水平定向钻进技术更为高效精确，大大缩短了煤矿工作面的准备时间。

3）通过分析钻孔成孔周期内涌水量变化情况，发现钻孔出水量与钻进速率成正比，说明钻孔出水可加快钻孔岩屑的排出，有助于钻进速率的提高。