定向钻探技术在煤矿探放水施工中的应用

邢佳佳

（山西焦煤山煤国际韩家洼煤业有限公司，山西 大同 037100）

1 22403回风顺槽概况

山西焦煤山煤国际韩家洼煤业有限公司22403回风顺槽位于井田三水平西盘区，巷道东部为西盘区回风巷，西部为未开采区域，北部、南部为2008年12月兼并重组前遗留的旧巷。

22403回风顺槽主要担负着工作面回风任务，巷道设计长度为790 m，巷道掘进断面规格为宽×高=4.5 m×3.5 m，巷道掘进煤层为22号煤层，煤层特性情况如表1所示。

表1 22号煤层特性情况

22403回风顺槽采用综合机械化掘进工艺，截止目前巷道已掘进210 m，通过地面物探以及钻探发现，在22403回风顺槽上覆50 m范围内存在积水异常区，经查明为裂隙含水层，预计总积水量为3 587 m3，积水区主要集中在620～740 m段，巷道掘进前期主要采用超前钻探方式水害排查，但是通过实际应用来看，达不到预期防治水效果[1]。

2 巷道掘进前期探放水工艺及问题分析

2.1 掘进前期探放水工艺

1）工作面掘进前期主要采用布置超前钻孔进行探放水施工，工作面布置5个钻孔，钻孔开口位置布置在距顶板1.5 m处煤壁上，钻孔深度为100 m，仰角为45°，钻孔布置间距为1.0 m。

2）钻孔扩孔深度为11 m，扩孔段钻孔直径为130 mm，钻孔扩孔后对孔口段安装孔口管，并采用膨胀水泥进行封孔处理，钻孔封孔完成后再继续对钻孔进行施工。

3）当钻孔钻进至积水区时及时在孔口管外端安装控制阀门、压力表以及防水管路，钻孔放水完成后及时对钻孔进行封堵。

2.2 问题分析

1）钻孔施工工程量大：传统传统超前钻探时，每个钻场内布置5个钻孔，每个钻孔深度为100 m，钻孔总施工长度为500 m，巷道每掘进70 m需布置一个钻场，共计10个钻场，钻孔总数量为50个，钻孔总施工长度为5 000 m，钻孔施工工程量大、周期长，且施工时成本费用高。

2）探放水效果差：传统钻水钻孔施工时，钻孔无法根据要求进行拐弯，对局部积水区，超前钻孔无法实现探放，钻孔放水效果差，而且传统钻孔主要采用膨胀水泥进行封孔施工，对于积水量小、水压小的积水区膨胀水泥可满足放水需求，但是对于积水量大且水压大的区域放水时，膨胀水泥固结效果差，在水压作用下，孔口管很容易出现射管现象。

3）对巷道掘进影响大：在进行探放水施工时巷道必须停产，通过现场观察发现，每个钻孔施工时长为3 h，钻孔施工总时长为15 h，每次进行探放水施工影响巷道掘进时间为24 h，进行10次探放水施工影响巷道总时长为10 d，严重制约着巷道安全快速掘进。

3 定向钻探技术应用

3.1 定向钻探技术原理

定向钻探技术主要指采用千米专用钻机进行积水区钻孔定向施工，钻孔在施工过程中利用钻机螺杆马达提供动力，控制螺旋杆旋转，在钻探期间可通过旋转螺旋杆弯角实现钻孔拐弯施工，同时在钻孔施工期间利用钻机随钻的测量系统对钻孔施工进度、轨迹、方位角进行实时测量，从而保证钻孔按指定方向进行钻进[2-3]。

3.2 钻探设备选取

22403回风顺槽定向钻孔施工时钻进型号为ZDY4000LD，千米钻机配套设备主要包括泥浆泵、通缆钻杆、弧形钻头、随钻测量系统等，其中泥浆泵型号为FMC260型，钻杆直径为89 mm，钻头直径为98 mm，随钻测量系统型号为YHD2-1000，具体参数见表2。

表2 定向钻机主要技术参数

3.3 钻孔布置参数

1）根据22403回风顺槽钻探资料显示，上覆积水区与巷道垂高在40～50 m范围内，巷道直接顶主要以炭质泥岩为主，基本顶主要以砂质泥岩为主，岩体裂隙发育，为了防止巷道掘进期间出现顶板透水事故，决定在巷道210 m处布置钻场，钻场内布置4个钻孔，钻孔编号为1号、2号、3号、4号，钻孔设计深度为350 m，如图1所示。

图1 定向钻孔轨迹示意图

2）钻孔开口位置距顶板间距为1.2 m，钻孔间距为1.5 m，钻孔前200 m以6°仰角进行施工，当钻孔钻进200 m后逐渐降低钻孔角度，当钻孔钻至积水区时钻孔仰角变为2°，钻孔钻进期间利用随钻系统随时观察钻孔钻进情况，发现钻孔偏离设计轨迹时及时调整钻孔方位角[4-5]。

3）22403回风顺槽施工的定向钻孔采用变径的方式进行封孔施工，钻孔扩孔深度为18 m，首先采用导向钻头进行施工，施工深度达18 m后采用扩孔钻头进行施工，扩孔段直径分别为133 mm和153 mm，钻孔变径扩孔到位后对扩孔段安装直径为127 mm孔口管，每节孔口管长度为3.0 m，共计安装6根，孔口管安装到位后采用油井水泥进行封孔处理，同时对封孔段采用注水耐压试验，如图2所示。

图2 钻孔变径法封孔平面示意图

4）采用定向钻探技术必须注意以下事项：钻孔施工前必须对钻场间加固，当钻孔壁围岩破碎严重时需煤壁采取注浆加固，在钻场附近必须施工临时水仓并安装配套设施；钻孔施工时必须由防治水专业技术人员现场指导，钻孔开口位置、钻孔深度、倾角等参数必须符合设计要求；钻孔施工过程中应准确测量钻孔钻进深度以及煤岩性，施工期间若发现顶钻现象时应立即停止钻机，但不得拔出钻杆。

4 结论

通过对22403回风顺槽传统探放水施工设计进行优化，采取定向钻探技术后，实际应用效果来看，取得了以下显著成效：

1）减少了钻孔施工工程量：22406回风顺槽采用定向钻探技术后，整条巷道仅需施工4个钻孔即可，钻孔总长度为1 400 m，与传统超前钻探相比，钻孔施工工程量减少了3 000 m，由原来的10个钻场减少为1个钻场，钻孔施工周期缩短了5 d，降低了钻孔施工时劳动作业强度，以及钻孔施工成本费用。

2）加快了巷道掘进速度：采用传统超前钻探时，每次钻孔施工影响巷道掘进时间达24 h，巷道平均掘进速度不足6 m/d，而采用定向钻探技术后，只需进行一次钻探即可，而且钻孔施工数量少，从而降低了对巷道掘进影响，巷道掘进速度提高至8.5 m/d。

3）探放水效果好：22403回风顺槽采用定向钻探技术后，4个钻孔共计放水量为3 566 m3，于预计积水量基本相符，巷道在后期掘进过程中局部出现顶板淋水现象，但最大淋水量不足0.5 m3/h，对巷道掘进影响不大，基本消除上覆含水层水害影响，保证巷道安全掘进。