定向钻探技术在李雅庄煤矿水害防治中的应用

王春海

（山西焦煤霍州煤电集团有限责任公司李雅庄煤矿，山西 霍州 031400）

近年来随着各矿区开采范围（广度、深度、难度）的增加，煤矿面临的水害问题日益突出。当前各煤矿在矿井水害治理工作中存在的问题较多，主要表现在常规钻孔精确性差、探查范围有限。利用定向钻探技术的优势[1-6]，将其应用在煤矿井下底板疏水降压、底板注浆改造、超前探放水和对穿放水钻孔施工中，对提高煤矿水害防治效果具有重要意义。

1 工程概况

霍州煤电集团李雅庄煤矿位于山西省临汾市霍州市师庄乡，井田面积30.415 1 km2，核定生产能力为240 万t/a，现开采煤层为1#、2#煤层，平均厚度2.75 m。矿井为斜井开拓，现生产水平为+355 m 水平，瓦斯等级为高瓦斯。2-603 工作面位于六采区末端，巷道设计长度为2112 m，主采山西组2#煤，瓦斯放散初速度△p为4～5，煤的坚固性系数f为0.65～0.87，煤的瓦斯压力为0.47～0.48 MPa。顶板为粉砂岩或泥岩，局部中细粒砂岩，底板为灰色细砂岩或粉砂岩，局部为黑色泥岩。

2#煤层顶板充水来源为其顶板下石盒子组砂岩含水层，主要是K8、K9 砂岩，为弱富水性含水层。2#煤层上覆39 m 为1#煤层采空区，1#煤层采空区积水约5356 m3，在采空区大量积水的水压和掘进期间应力作用下，采空区积水可能通过导水裂缝带和岩层裂隙涌入到2-603 工作面，对2-603 运输巷的掘进施工影响较大，会严重降低掘进施工效率。

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分析

（1）钻孔设备。2-603 运输巷采用超前钻探设计施工方案，采用ZDY3700B 型煤矿用胶轮式全液压坑道钻机+中空钻杆。钻机施工作业参数：额定转矩为3500～800 N·m，额定转速为80～300 r/min，主轴倾角-90°～+90°，制动转矩为1000 N·m，最大给进/起拔力为85/85 kN，给进/超拔行程1250 mm，电机功率为75 kW；配套钻杆长度1500 mm，直径73 mm；钻孔深度500/350 m。

（2）钻孔布置。2-603 运输巷掘进前期，在工作面距顶板1.8 m 位置处共布置有5 个探测钻孔（1#、2#、3#、4#、5#），钻孔间距1.0 m，钻孔深度150 m，钻孔直径65 mm，钻孔与顶板仰角为20°，终孔位置位于上覆岩层50 m 处。

（3）封孔工艺。扩孔深度设置为11 m，扩孔后孔径为135 mm，扩孔后向钻孔内安装4 根PVC封口管进行封孔处理。

2.2 问题分析

2-603 运输巷前期探放水施工工艺存在问题：

（1）探放水钻孔施工数量多，施工总长度大，施工周期长。受采空区积水的影响，2-603 运输巷超前钻探施工方案中，共需要10 组50 个钻孔，因此造成需要施工的钻孔总长度可达7600 m，施工周期可达到35 d，钻孔施工工程量大，劳动强度高，严重影响运输巷道掘进效率。

（2）钻孔无用孔数量多。在施工的50 个钻孔中，近2/3 的钻孔为无用钻孔，没有起到放水作用，探放水效率不高，探放水效果不理想，必须进行优化调整。

3 定向钻探技术的实践应用

3.1 定向钻探技术原理

定向钻探技术是采用现代化千米钻机进行超前探测钻孔施工，泥浆泵提供的高压水进入孔底驱动马达提供钻进动力，实现钻头旋转切削煤岩层。施工时随钻测量系统实时采集钻孔轨迹、弯角、方位角等技术参数，对测量数据进行处理、显示，形成钻孔实钻轨迹，并控制螺杆旋转角度来调整钻孔轨迹。煤矿井下定向钻探施工关键技术主要为轨迹控制、开分支、层位控制及复合钻进等技术。

3.2 定向钻探设备

调整后，2-603 运输巷定向钻探施工设备为ZDY12000LF 松软煤层超深孔水平定向钻机，额定转矩12 000～30 000 N·m，转速50～150 r·min-1，额定功率132 kW。钻机配套泥浆泵和二代钻进测量系统。

3.3 配套技术措施分析

3.3.1 安全防护措施

在防治水钻孔施工过程中钻遇高压含水地层时，容易出现喷孔现象，特别是在长距离探放水钻孔施工过程中，危险系数大大增加，孔口安全措施必须做到位，借鉴石油钻孔防喷技术，在孔口安装防喷器，在中心通缆钻杆中加入防喷逆止阀短接，能够大幅度提高施工安全性。

3.3.2 钻孔结构设计

国内应用较多的定向钻进技术施工钻孔孔径主要有96 mm、120 mm 两种规格，为保障钻孔顺利施工，并为孔内事故处理留有余地，本次定向钻孔作业施工采用120 mm 钻孔孔径。

3.3.3 高效钻进措施

定向钻进技术依靠螺杆钻具带动钻头回转切削岩石，实现钻进施工，当钻孔深度超过600 m，特别是达到800 m 以上时，孔口给进力难以传递至孔底，钻进效率下降。本次钻孔含水地层为质地坚硬的砂岩，深孔钻孔施工效率可能不高，通过摸索采用大扭矩螺杆马达提高钻进效率。

3.4 定向钻探施工工艺

（1）经物探结果确认，在巷道推进至840 m位置处应用定向钻探施工工艺。由于2-603 运输巷上覆1#煤层采空区积水位置主要位于1630～1760 m段，基于采空区积水位置与2-603 运输巷垂直距离和水平投影偏差角度的影响结果，设计确定施工4个（1#、2#、3#、4#）定向探水钻孔，钻孔平均深度为468 m。定向钻探轨迹曲线如图1。

图1 2-603 运输巷定向钻探轨迹曲线示意图

（2）钻孔布置。1#、2#、3#、4#呈一条直接布置，钻孔间距1.5 m，与水平投影偏差角度为22°，如图2 所示。

图2 定向钻孔布置示意图（m）

（3）2-603 运输巷直接顶为6.5 m 的炭质泥岩，基本顶为16.9 m 的粗砂岩，因此确定钻孔封孔深度12 m，采用变径钻孔用钻头进行扩孔施工，如图3。从图3 中可知，扩孔段直径为133 mm 和153 mm，扩孔后在钻孔内安装127 mm 的孔口管，采用油井水泥封孔处理。

图3 钻孔油井水泥封孔工艺示意图（mm）

（4）封孔完成后必须进行注水耐压试验的测试，之后再安装卸压阀、止水阀、卸压排水三通，安装逆止阀并继续进行钻进施工，同时对随钻测量系统采集的实时数据和轨迹进行记录，并调整和校正钻孔轨迹，防止钻孔轨迹出现偏差。

3.5 实际应用效果分析

（1）大幅度降低了探放水钻孔施工数、施工总长度、施工周期。从840 m 位置处进行定向钻探施工，仅需施工探放水定向钻孔4 个，钻孔长度仅为1872 m，定向钻孔周期为12 d。对比传统探放水施工工艺，定向钻探技术的钻孔数量、施工工程量、施工周期都有了大幅度降低，探放水钻孔施工效率大幅度提高，劳动强度大幅度降低，有效提高巷道掘进效率。

（2）探放水效果好。定向钻探技术施工的4 个钻孔均为湿孔，水压1.4 MPa，计放水量5337 m3。该放水量与1#煤层采空区探测到的积水量基本相符，探放水工作效率高、效果好，有效消除了1#煤层采空区的水患。

（3）有效提高了巷道掘进效率。定向钻探技术采用一次性成孔技术，对比以往钻孔施工周期缩减至12 d，2-603 运输巷道的平均掘进速度提高至10.9 m/d，巷道掘进效率大幅度提高。

4 结语

定向钻探技术应用效果理想，能大幅度缩短钻孔施工工程量及施工周期，探放水效果好，有效提高巷道掘进效率。