定向钻进技术在矿井探放水孔施工中的应用

李晓东

山西焦煤华晋焦煤金达煤业有限公司 山西 吕梁 033000

在多种水害类型中，采空区积水和强含水层出水是最为常见的。传统模式下，在探放处理过程中，通常借助施工探放水孔来确保积水排出。虽然这种方式在一定程度上能降低水害发生的概率，但是由于传统钻机施工无法控制孔内倾角、方位、钻孔深度等，在实际应用中仍然存在一定的局限性。因此，有必要引进新型定向钻进技术来优化、改进水害防范措施。

1 工程概况

金达矿位于山西孝义市西南35km驿马乡榆树坪村南，井田面积9.47km2，核定产能为180万t/a。矿井采用立井开采方式，矿井9#煤层除保安煤柱已基本采空，现主采煤层10#、11#煤层。其中，10#煤层大部分已经回采，形成了大面积积水的低洼点。现场勘探发现9号煤层采空区积水9处（DC9-1、DC9-2……DC9-9），总积水面积125270m2，总积水量76758m3，10号煤层采空区积水3处（DC10-1、DC10-2、DC10-3），总积水面积34475m2，总积水量42193m3；11号煤层采空区积水2处（DC11-1、DC11-2），总积水面积41675m2，总积水量52900m3，威胁临近相邻工作面的安全开采，很容易引发水害事故。因此，决定采用长距离定向探放水孔施工，将采空区内的积水排出，以确保巷道掘进和回采安全进行。

2 定向钻进质量影响因素

钻进参数。主要包括钻压、转速、泵量等。在大倾角仰孔钻进工作中，钻压的影响尤为明显。钻压不仅需要满足常规钻头切削岩石的需求，还需要克服冲洗液自然升举力、钻杆自重等问题。只有结合钻孔孔深递增情况，对应调整钻压参数，才能确保钻进效果的优化。

开孔方向。开孔方向通常以设计剖面图资料为准。精确的开孔方向能够更好地保证探放水孔施工质量。组合钻具配置方式。组合钻具的融合能够极大地提升定向钻进在不同工程、不同地质条件中的适用性。在实践中，要做好钻孔测斜信息的采集更新工作，对应调整组合钻具方案。常见的组合钻具方案主要有钻孔上仰、钻孔保直、钻孔下斜等形式。

3 定向钻进施工方案设计

综合工程实际情况和定向钻进质量影响因素分析结果，确定了系统化的施工技术方案（ 工艺流程见图 1）。在定向钻进施工开始前，需要严格控制开孔位置及孔口装置安装精度，根据探放水孔设计需求确定钻场位置。该施工钻场布置在场所东侧的地下运输巷道之中，标高为-700m，并系统检测巷道围岩情况，符合安全性、稳定性需求。然后将钻机搬运到指定位置，按照说明书对钻机进行调试检测，观察其是否运行正常，方位角、倾角等参数均要符合要求，使用钻机自带压车柱对钻机进行固定和校正。钻机固定完成后，组织开展孔口管的安装工作，使用φ150mm 硬质合金取芯钻头，在标记点钻进15.5m，然后停钻封孔，孔口外部露出部分不大于20cm。管体的密封性能务必达标，可以在四周塞入棉纱，搭配红胶泥提升密封性能，再用封孔泵注浆封闭。为保证探放水孔结构的稳定性，固结结束的72h之后，还应进行扫孔操作，扫孔深度必须符合要求，以超过空口管长度0.5m为宜。按照设计要求装配三通、水压表、试验盘等，采用逐级升压法进行测试。该耐压测试共分为4个等级，初次加压1MPa，稳压5min观察是否出现渗漏水问题，然后每级递增加压 1MPa，直至达到设计值4MPa，稳压30min并观察探放水孔孔口密封情况。如果试验孔洞通过耐压测试，则继续安装螺杆钻具进行定向钻进，否则需要重新开孔，避免出现孔洞坍塌等问题。在钻进环节，还需要实时测斜，确保钻进角度不偏离设计轨迹，直至钻到设计深度。

图1 定向钻进施工流程示意图

4 定向钻进技术在矿井探放水孔施工中的应用

4.1 施工准备

该工程采用ZYWL-6000DS型钻机，该钻机由主机、泵站、操纵台和履带车体四大部分组成，各部分之间用软管连接，结构紧凑，具有多项优点。首先，运输搬迁方便。设备的主机、泵站以及操纵台采用集成化布置方式，具有较强的爬坡能力（可达25°）和走行速度（1.5km/h），适用于运输条件较差的区域。其次，控制性能良好。设备具有较强的给进、起拔能力，能够有效降低卡钻事故。设备还配置了双泵系统，支持回转参数、给进参数的独立调节，灵活性更强。此外，设备还支持钻孔倾角的自动化调节，可调范围为0°～±90°，可适应各种复杂条件下的钻进需求。最后，通用性较强，设备采用液压驱动方式，液压元件均为进口、国产通用元件，维修保养更加便捷。同时，配置了CQ-1A型磁球定向测斜仪，能够对非磁性钻孔孔段进行测量，能将误差控制在±1°以内。选用保直钻进稳定组合钻具，配置φ63.5mm 外平钻杆、φ94mm 内凹式复合片钻头。

4.2 精准对穿钻孔技术

精准对穿钻孔技术主要应用于采空区积水疏放项目中，按照设计方案需要开设5个巷道精准定向对穿钻孔，并配置套管护壁结构以提升稳定性。施工前需要科学确定开孔方位，以靶点巷道掘进工作面中心点为基准，测量钻场开孔点的垂高和直线距离。以3#-1孔为例（各探放水孔轨迹剖面图见图2），经测量发现其高度参数应为32m，向右侧偏出22m，直线距离为167.8m。

图2 探放水孔轨迹剖面图

探放水孔施工过程中，主要穿越泥岩、细砂岩等岩层，地质结构相对稳定，面临的垮塌风险较小。确定钻孔位置后，还需要优化设计钻孔的孔深，按照设计孔深优化钻孔工序。以钻孔起点为基准，每次向下降低10～20m打设一个钻孔 ，最终降低至设计标高 ，以确保 施工安全性和可靠性。钻孔倾角在11°～13°之间，方位偏差1°～3°之间，这样可以有效避免串孔问题。每次开孔之后，均要进行严格的封孔打压试验，以免出现塌孔事故和风险。

试验完成后，按照设计倾角持续、快速爬升，达到100m后逐渐减小倾角，以达到水平对穿的效果。如果按照设计方案施工却未能达到对穿效果，可以左右调整方位角，使钻孔轨迹经过巷道侧帮穿出。钻机系统配备了高精度磁球测斜仪，实践环节要加强跟踪监测，通常情况下每3m测一次倾角、方位角以及工具面等参数，根据检测结果进行纠偏，以保障探放水孔能够顺利对穿。与巷道掘进施工相比，这种定向钻进施工的速度更快、成本更低，实测钻孔终孔排水量达32m3 /h。

4.3 长距离探水孔施工技术

从物探结果来看，10402工作面本身的环境条件比较复杂，含水层富水性较强，且水位恢复较为迅速，给井下生产工作带来了较大的威胁。因此，决定布置钻孔，利用定向钻进技术对含水层进行超前探放。在施工过程中，先使用φ120mm钻头，搭配φ89mm外平钻杆进行施工。钻进深度达到50m时，进入泥岩层段，此时提钻并更换钻头，扩大至153mm，下入套管，注浆并进行耐压测试 。设计压力为3.5MPa，同样采用逐级加压方式维持30min，观察是否存在密封不严、渗水漏水等情况 。完成后回转扫孔至孔底，使用φ89mm、φ73mm 螺杆马达及随钻测量系统定向钻具组合定向钻进，缓慢调整倾角，以确保钻具顺利进入含水层。钻孔施工至267m时现场出现了涌水增多情况，及时暂停施工。实测涌水量为42m3/h，已达到超前探放目标。长距离定向探水孔施工效果和传统钻孔施工效果对比如图3所示。

图3 长距离定向探水孔与传统钻孔的对比

4.4 小遇层角穿层定向施工技术

软硬互层是煤矿井下探放水孔施工环节中经常遇到的地层类型。这类地层的稳定性较差，围压对于软层、硬层的膨胀变形约束效果不同，很可能引发互层岩体剪切破坏等情况。如果遇层角偏小，软硬岩层的弹性模量、峰值强度、内摩擦角都会发生改变，进而制约定向钻进施工的质量和效果。这是因为软层、硬层结构质地差异较大，钻头钻进时承受的反作用力也存在较大差异，钻进过程中很容易产生倾倒力矩，进而改变钻头设定方向，增加钻孔弯曲风险。

通常来讲，钻孔弯曲方向 、强度是有规律可循的，会随着遇层角大小 、软硬层硬度差变化而变化。当遇层角δ≤20°时，这种影响就会十分显著。钻压P作用于钻具和岩层时，会产生向下的滑动力Pcosδ，滑动力持续上升，并超过钻具和岩层的摩擦力f，进而导致钻具下滑，出现“顺层跑”的状况。在此次施工中，3#探放水孔会穿过一处较大的软硬互层区域，遇层角仅有16°，钻孔弯曲的风险较高。因此，在实践中需要进行专门的方案调整和优化。该工程采用了调低钻压、减小泵量的方法，以确保钻孔轨迹与设计方向一致。这种做法的原理较为简单，当定向钻钻压下降时，产生的向下滑动力Pcosδ也会减小，钻具下滑强度会明显减弱。同时，调小泵量会导致岩煤粉颗粒出现堆积情况，其充斥于第一稳定器部分和钻头部分，回转过程中钻具受到的摩擦力上升，迫使钻具向右上方偏移，进而更加符合设定的钻进方位轨迹，有助于提高探放水孔施工质量。

5 定向钻进技术在煤矿井下探放水孔施工中的应用效果

有效距离长。传统组合钻具钻进环节，由于无法控制方位角，探放水孔施工精度很难保证，钻孔深度通常不能超过 200m。而定向钻机采用自动化作业方式，操作简单、定位精准，能够对深层隐伏构造进行超前探测，进而精确揭露各种地质构造，有效长度可以达到 200m 以上，非常适用于采空区、富水含水层的超长探放水孔施工工程。

施工安全性高。井下运输条件差，存在上下坡，传统模式下依靠人力进行设备的安装和钻孔工作的推进，很容易埋下安全隐患。施工期间每层、围岩结构受到扰动，还可能出现各种孔内事故。而此次使用的 ZYWL-6000DS 钻机自身爬坡能力极强，行走速度快，搭配凹槽通缆钻杆，能够有效提升自动化水平和排渣能力，有助于降低事故的概率，提升施工安全性。

精准命中靶点。定向钻进技术使用了自动化随钻测量系统，靶点定位精度较高。钻探过程中，依托定向钻进技术打设探放水孔，实现了采空区积水和强含水层超前探放目标，单孔出水达到了32m3/h和42m3/h，能够为煤矿井下生产工作带来良好的经济、社会效益。

6 结束语

综上所述，定向钻进技术具有先进、高效的优势特征，应用于煤矿井下探放水孔施工，能够显著提升方位角控制能力，确保施工精度和质量，实践中务必对其给予充分重视。要结合现场水文地质条件科学确定钻机的技术参数，选择适宜的组合钻具，对应调整开孔方位、开孔角度。同时，明确精准对穿钻孔技术、长距离探水孔施工技术差别，深入把握软硬互穿层地质特征，为煤矿井下施工的顺利推进奠定坚实基础。