定向钻机在探放水方面的技术应用

张武龙

（山西晋能控股煤业集团古书院矿，山西 晋城 048000）

1 矿井概况

山西晋煤集团翼城晟泰青洼煤业有限公司，批准开采2-9#煤层，生产规模0.60 Mt/a，井田面积3.909 6 km2，批采标高+1 119.98～+829.97 m。全井田设置两个水平，一水平设在2 号煤层，水平标高+1 085 m，开采2、3 号煤层；二水平设在9 号煤层，水平标高+985 m，开采9 号煤层。根据开拓布置情况，一水平2 号煤层划分为三个采区。3 号煤层划分为两个采区。二水平9 号煤层划分为两个采区，9 号煤层大巷北部划分为一采区，南部划分为二采区。3 号煤与2 号煤层间距为9.11 m；采用下行式开采顺序，先采2 号煤上分层，然后开采2 号煤下分层，最后开采3 号煤层。2206 综放工作面位于井田一水平二采区，总体呈一单斜构造，煤层倾角3°～7°，平均5°左右。22061 巷道设计长度413 m，宽5.2 m，高2.9 m，巷道沿顶板掘进，采用一次成巷，锚网、钢带联合支护，并进行锚索补强的支护方式。工作面22061 巷末端处较高，底板标高为+1 000.7 m；开口处较低，底板标高为+972 m，高差28.7 m 左右。该面涌水主要来源于K8砂岩裂隙含水层。K8砂岩含水层距2 号煤顶板约16 m。根据水文孔抽水试验及矿井已采面情况，该含水层弱富水，表现以淋水为主，对巷道掘进影响小； 矿井奥灰水水位标高为+891～+894 m，22061 巷最低点标高为+972 m，处于奥灰水不带压区域，水文地质条件较简单。22061 巷掘进时正常涌水量约5～10 m3/h，最大涌水量约20 m3/h左右。但22061 巷西北部为被整合的原青洼煤业一采区采空区，整合后在主要轨道运输巷施工了探测原采空区钻孔，未出水；22061 巷东部为工作面内部；22061 巷北为二采区胶带巷（已掘）；22061巷南部为2207 工作面。

结合现有水文地质资料分析，原青洼煤业一采区采空区呈现南高北低态势，最北侧2105 工作面回采前已向采空区方向施工放水钻孔，水量较小。目前21051 巷密闭为一采区东翼最低点，该密闭无水涌出，且主要轨道巷前期在距底板1 m 左右施工探采空区钻孔，也未不出水。分析原青洼煤业一采区采空区无大面积积水，但在其低洼处可能存在少量积水，施工期间最大单孔出水量为30 m3/h。

2 设计及施工情况

2.1 项目设计

（1）探测位置及钻孔参数

为探清采空区范围，采用ZDY6000LD 全液压钻机向采空区进行打孔探测。

钻场位于22061 巷回风联络巷距开口处2.6 m，开孔倾角为+4°，开孔方位240°，目标方位228°。钻孔分为1 个主孔，2 个分支孔，主孔长438 m（以见采空区为准）。在主孔孔深168 m 附近预留开分支节点开一号分支，长度192 m（以见采空区为准）； 在主孔孔深24 m 附近预留开分支节点开二号分支，长度228 m（以见采空区为准）。预计总进尺858 m，如表1、图1 所示。

（2）钻孔工艺

定向钻孔开孔高度距巷道底板1.5 m，在2 号煤层内开孔，采用φ193 mm 开孔钻头钻进至10.5 m后，下设10 m 的φ160 mm 孔口管护孔，随后水泥浆固管，钻孔结构如图2 所示。

图2 钻孔结构(单位/mm)

综合考虑《煤矿防治水细则》相关规定，止水套管长度10 m，止水套管外径φ160 mm，内径φ150 mm，使用注浆泵注浆加固注浆后凝固24h，然后扫孔进行耐压试验，试验压力1.5 MPa，持续时间不少于30 min，注浆及试压使用钻机水泵进行作业。在钻场附近10 m 范围内施工沉淀池。

2.2 钻探设备及材料

主要钻探设备:ZYL-6000LD 全液压定向钻机主要用于煤矿井下瓦斯抽（排）放、注浆防灭火、煤层注水、防突卸压、地质勘探等各类工程定向钻孔的施工。适用于岩石坚固性系数f≤10 的各种煤层、岩层及矿井巷道定向钻孔施工。钻机可独立行走，原地转弯，要求巷道或钻场高度大于3 m，宽度大于3.5 m，断面大于10.5 m2。也可用于金属、非金属固体矿床勘探的金刚石小口径钻进，工民建筑、公路、铁道、桥梁、水坝、国防建设等工程地质勘察以及水文油气田的勘探和堤坝注浆等工程。该钻机采用新型全方位机架结构，集成水平方位旋转、上下提升、倾角调整和纵向横向锚固，调斜角度范围为-30°～+90°，方位角可调角度范围0°～360°，可以快速调节开孔高度和倾角。采用机架纵向、横向复合锚固机构，在进行深孔钻进时，钻机的稳定性高。该钻机主要配套产品有孔底马达、矿用随钻测量装置、定向钻杆等。

材料：φ160 m×5 mm×1 000 mm 止水套管，配套孔口闸阀及孔口压力表，水泥及速凝剂。

钻具组合： 开孔：φ193 mm 钻头+φ73 mm 通缆钻杆+φ73 mm 水尾。钻进：φ94 mm 钻头+φ76 mm螺杆钻杆，下无磁钻杆+φ76 mm 测量短节+φ76 mm，上无磁钻杆+φ73 mm 通缆钻杆+φ73 mm 水尾。

钻孔结构：井下定向探测钻孔在煤层内开孔，采用φ193 mm 开孔钻头钻进10.5 m 后，下设10 m φ160 mm 止水套管护孔，随后水泥浆固管。

2.3 22061 巷探测临近采空区钻孔

设计要求，从2022 年3 月2 日开始施工22061巷探测临近采空区钻孔，具体情况如表2 所示。

表2 22061 巷探测临近采空区钻孔参数明细

（1）严格执行审定的设计、措施、技术要求和操作规范；

（2）开孔深度及孔径必须符合设计规定，封孔质量要满足设计要求；

（3）钻孔终孔必须见空，若未见空则继续施工，直到钻孔见空为止；

（4）接近采空区时放慢钻进速度，注意观察返水情况，区分煤岩性；

（5）钻场附近要配备足够的堵水材料，一旦钻孔出水，排水系统无法满足排水需求，要及时用堵水材料对钻孔进行封堵，避免水淹巷道，造成设备损毁；

（6）钻孔出水后，第一时间对出水进行水质化验，为判断出水水源提供依据；

（7）钻孔施工完毕退杆后采用注浆的方式将钻孔进行全孔封堵，防止有毒有害气体涌出。

2.4 钻孔施工情况

（1）2022 年3 月2 日～3 月17 日，成功施工1#钻场1#主孔，终孔435 m。其中0～291 m 钻孔沿煤层施工，292～435 m 钻孔在煤岩交界线附近顶板岩层内施工，终孔见空、少量出水，终孔定向系统测量垂深35.3 m。

（2）2022 年3 月18 日～3 月20 日，成功施工1#主孔180 m 一级分支孔，终孔375 m，180～279 m钻孔沿煤层施工，280～333 m 钻孔在煤岩交界线附近顶板岩层内施工。334～375 m 钻孔沿煤层施工，终孔见空、未出水，终孔定向系统测量垂深22.67 m。

（3）2022 年3 月20 日～3 月21 日，成功施工1#主孔45 m 一级分支孔，终孔225 m。其中45～141 m 钻孔沿煤层施工，142～225 m 钻孔在煤岩交界线附近顶板岩层内施工。终孔见空、未出水，终孔定向系统测量垂深14.76 m。

（4）钻孔具体施工情况如表2、图3 所示。

图3 22061 巷探测临近采空区工程钻孔施工平面

3 22061 巷钻孔探测临近采空区工程成果

本次定向钻探工程共施工一个主孔，两个分支孔，三个钻孔均在煤层和煤层交界线附近区域内施工，三个钻孔终孔均见空，除1#主孔终孔少量出水外，1#分支孔和2#分支孔均未出水。

通过钻孔综合资料分析，采空区边界线确定为沿1#主孔435 m （见空）-1#分支孔375 m （见空）-2#分支孔225 m（见空）的一条不规则曲线，基本确定采空区范围。同时排除了采空区内大面积积水的可能，确定一采区采空区积水对2206 综放工作面采掘无影响。

通过本次22061 巷钻孔探测临近采空区工程及相邻巷道地质资料综合分析，推断1#主孔292 m-1#分支孔280 m -2#主孔分支孔142 m 区域内为上盘断煤交线，1#主孔探至终孔435 m 处，1#分支孔探至终孔225 m 处都还位于岩层中，因此无法确定断层下盘断煤交线。但依然可判定断层位于此区域之间，和相邻F5断层为同一条断层，走向为北东- 西南走向，落差5～12 m，倾角75°左右。预计该断层延伸至22061 巷，巷道掘进过程中应注意断层对生产衔接的影响。

本次施工圆满完成了探测采空区边界及积水的任务，达到了探测目的。

4 结语

本次采用全液压定向钻机施工探测钻孔，施工了3 个定向钻孔，对22061 巷探测临近采空区的边界进行了有效圈定，排除了采空区存在大量积水的可能。由于该区域地层起伏且断层较发育，定向钻孔施工轨迹均是抛物线型，同时探测了一条断层。在22061 巷掘进过程中需严格执行“有掘必探”，以确保采掘安全。由于在22061 巷附近有一条断层，可能影响巷道掘进，巷道掘进到300 m左右时，应提前采取相应措施，确保巷道安全掘进。

通过对22061 巷临近采空区的探测，达到了预期的效果，缓解了掘进接替和生产被动的紧张局面，对整合矿井的采空区探测有较好的参考意义。