定向钻机在远距离探放水施工过程的应用研究

高晓岗

（山西焦煤西山煤电 镇城底矿，山西 太原 030053）

0 引 言

我国煤矿资源储量丰富，但整体覆存不均。随着多年的开采，覆存较为简单的资源大部分已经开采完毕，目前开采的重点逐步向着覆存较为复杂的煤层进行转移。在巷道开挖过程中，常常会出现采空积水问题，严重威胁着矿井的安全高效开采，所以及时探清施工水害问题是保证矿井正常开采的重要手段。定向钻机能够快速、精准的打进采空区内，提前对影响工作面施工安全的采空积水进行探放，消除老空水害威胁；同时定向钻机能够在开掘巷道施工前对巷道进行远距离超前探测，判断隐伏构造，有助于日常生产工作中有计划的揭露各种地质构造，减小现场施工人员的事故风险。本文利用定向钻机对镇城底矿南翼上组探水巷西部义城及宏远煤矿破坏区水文情况进行研究，为矿井后续安全生产提供可靠的地质资料。

1 概 况

镇城底矿位于山西省古交市西北处，矿井田占地面积约16.63 km2，矿井西北走向6.6 km，南北走向平均宽度约为3.6 km，年设计生产能力190万t。镇城底矿南翼上组探水巷位于该矿南三采区，水文地质条件复杂。义城及宏远煤矿破坏区位于南翼上组探水巷西部，义城煤业为2010年批准重组整合煤矿，矿井采用斜井立井联合开拓方式，主要开采煤层为2.3、4、8、9号煤层，其中2.3、4号煤层已大部采空；古交市宏远煤矿位于南翼上组探水巷西南，紧邻镇城底矿南三采区，批准开采2.3号煤层，于2007年被省国土厅关闭。据调查，义城及宏远煤矿破坏区距镇城底矿南翼上组探水巷最近处为120 m，预计破坏区积水面积为90 364 m2，积水量为13 5546 m3，水位标高为828—875 m，积水深度为47 m，最大水头压力为0.47 MPa，对南翼上组探水巷掘进影响较大。

2 定向钻机的应用及优点

普通钻机钻进时无法精确控制其钻进角度及方向，且钻孔深度无法满足镇城底矿要求，为了对义城及宏远煤矿破坏区内采空积水进行精准探放，选用定向钻机进行施工。考虑到镇城底矿井下巷道坡度大、距离远等实际情况，此次施工采用重庆煤科院研发生产的ZYWL-6000DS（分体式多方位）型定向钻机，该钻机爬坡能力强，行走速度快，能有效解决施工人员肩扛手抬的事故风险，减少了施工人员劳动强度，保证了人员安全。

利用定向钻机有效距离长、可分支探测、精度高等特点，此次探测采用1个主孔2个分支的施工方式，缩短了施工工期，节省了施工成本。该钻机自动化程度高，操作简单，正常情况下2人即可完成钻进工作，减少了人员数量，节省了人员成本。

由于施工期间煤层及其围岩的不均质性，加之镇城底矿地质构造变化复杂，施工钻孔过程中极易发生孔内事故。为此，此次钻孔过程中选用凹槽通缆钻杆，增加排渣能力，降低事故几率。

3 探放施工研究

3.1 施工设计

此次采用ZYWL-6000DS定向钻机进行施工，施工共设计3个钻孔，Z1、Z2钻孔用于探放水，Z3钻孔用于探测F215断层走向。钻孔设计参数见表1。

表1 钻孔设计参数Table 1 Drilling hole design parameters

钻孔设计平面如图1所示。

图1 钻孔设计平面图Fig.1 Drilling hole design plane

3.2 钻探过程及成果

镇城底矿于2020年10月10日开始施工各钻孔，施工至11月3日结束，累计施工1个主孔，2个分支孔，累计进尺1 104 m。Z1钻孔施工过程中在煤岩交界面发生塌孔，通过反复洗孔方可通过，共施工501 m；后退至102 m处开分支施工Z2钻孔，在348 m处发生塌孔，洗孔过程中旋转压力达到16 MPa，洗孔一个班无法通过，综合判断施工风险后停止施工Z2钻孔，共施工246 m；后退至78 m处分支施工Z3钻孔，共施工321 m，后因客观原因结束本次施工。Z1、Z2、Z3孔实际轨迹如图2所示，施工过程中煤岩统计情况见表2。

图2 Z1、Z2、Z3孔实际轨迹剖面图Fig.2 Profile of No.Z1,Z2,Z3 hole actual drilling trajectory

表2 钻孔煤岩情况统计Table 2 Statistics of coal and rock condition in drilling hole

续表

（1）根据Z1、Z2、Z3钻孔见煤点的实际标高，发现实际煤层底板等高线和预想煤层底板等高线误差在10 m左右，根据施工情况对2.3号煤层采掘工程平面图煤层底板等高线进行了修正。

（2）探测前，预计义城及宏远煤矿破坏区积水面积为90 364 m2，积水量为135 546 m3，水位标高为828—875 m，积水深度为47 m，最大水头压力为0.47 MPa。通过Z1、Z2、Z3钻孔的实际施工情况分析，各钻孔施工过程中未进入采空区，后以Z1钻孔进入义城及宏远煤矿破坏区2.3号煤层底板标高预计积水区，修改预计水位标高为818—840 m，积水深度为28 m，最大水头压力为0.28 MPa。

（3）根据《山西省煤矿老空水害防治工作规定》中“三线”划分，探测前，因没有资料可查，根据预测的破坏区作为积水线，积水线外推100 m作为探水线，探水线外推80 m作为探水警戒线。定向钻机探测后，探水线未变，修改探水线外推50 m作为探水警戒线。

（4）该钻机施工孔深长，本次施工最大孔深501 m，满足地质超前探的距离。Z1钻孔在积水线实际位置与设计偏差为0.8 m，施工精度高，可满足镇城底矿精细化勘探的需求。

3.3 经济效益分析

对ZYWL-6000DS定向钻机施工过程的经济效益进行分析。

若探放水队利用普通钻机进行超前钻探，因施工巷道为带压开采，根据《山西省煤矿老空水害防治工作规定》中对厚煤层巷道在警戒线内、探水线以外过渡区域钻孔布置要求，每次钻探时钻孔至少要比巷道在警戒线以外区域多布置4个，此次项目施工至少要多耗时2个班。按照每吨煤3 000元计算，2个班生产收益约111万元，扣除耗费探放水钻机、钻杆、钻头的费用，ZYWL-6000DS定向钻机相比普通钻机可节省约109万元。

4 结 语

镇城底矿采用定向钻机对义城及宏远煤矿破坏区内采空积水进行精准探放。根据实际施工情况对2.3号煤层采掘工程平面图煤层底板等高线进行了修正，同时对积水区进行修正，为镇城底矿之后的安全生产提供可靠的地质资料。