長距離定向鉆探技術在礦井老空水探查中的應用

李子豪

（神華烏海能源有限責任公司利民煤焦有限責任公司，內蒙古自治區(qū)烏海市，016000）

神華烏海能源有限責任公司所屬礦井中既有生產(chǎn)歷史悠久的老礦井，也有正在新建的基建礦井，均不同程度地存在老空水害威脅，老空水害已成為其最大的安全隱患之一。

從根本上消除老空水害的主要途徑是探放老空積水，由于老空積水具有分散、孤立和隱蔽的特點，其空間分布形態(tài) （積水區(qū)邊緣、積水區(qū)形狀）、賦存分布規(guī)律非常復雜不易掌握，探查難度較大。按 《煤礦防治水規(guī)定》，探放老空水鉆孔終孔位置需滿足平距3 m 的要求，以往普通鉆機采用密集短鉆孔也很難達到規(guī)程要求，且探放水工作量大，還容易產(chǎn)生盲區(qū)。因此，推廣長距離定向鉆探技術在神華烏海能源有限責任公司礦井老空水探查中的應用具有重要意義。

1 定向鉆機在礦井老空水探查中的優(yōu)勢

（1）普通鉆機鉆進深度一般在幾十米至200m之間，在采掘過程中需要不斷地布置探放水鉆孔，探放水工程循環(huán)次數(shù)多、循環(huán)時間短、工序繁雜，嚴重影響工作面采掘效率。定向鉆機在國內已陸續(xù)推廣應用，鉆進深度超千米以上，如2003年山西亞美大寧能源有限公司完成主孔深1002m 的鉆孔一個，2006年晉城寺河礦完成主孔深1005m 的鉆孔一個，2007年寧煤集團完成主孔深1023m 的鉆孔一個，2012年晉中大佛寺礦完成主孔深1200m的鉆孔一個。

（2）普通鉆機實際軌跡與預設軌跡偏差較大，且在鄰近區(qū)域多次探水施工過程中容易造成串孔。定向鉆機利用定向造斜糾偏功能，鉆孔軌跡上任一點的坐標均可測定，能夠保證終孔位置準確。

（3）普通鉆機多采用扇形布孔方式，探放老空水時不能形成一定范圍的閉環(huán)，無法完全消除盲區(qū)。定向鉆機利用受控造斜糾偏功能，可將鄰近方位探放區(qū)域設計成一條鉆進曲線，形成閉環(huán)，實現(xiàn)一孔多方位探測。

（4）普通鉆機由于是大傾角鉆孔，穿層進入含水區(qū)域，存在較大比例無效進尺。定向鉆機由于長深特點，鉆孔軌跡可穿越和覆蓋大范圍含水區(qū)域；若鉆孔軌跡未遇見出水點，可在原有鉆孔中進行分支定向鉆孔；定向鉆孔的穿層段所占比例較小，無效進尺少。

2 利用定向鉆探探查小煤礦邊界

由于歷史原因大多數(shù)井田煤層淺部露頭區(qū)被小煤礦開采，這些礦井大多無準確圖紙資料且存在越界開采現(xiàn)象，采空區(qū)積水給鄰近深部礦井開采帶來了極大安全隱患。此種條件下，當?shù)V井采掘活動接近小煤礦采空區(qū)時可利用井下巷道條件采用井下長距離定向鉆探圈定安全邊界；當不具備井下施工條件時，但礦井規(guī)劃設計又需要查明小煤礦邊界時，可采用地面長距離定向鉆探進行安全邊界圈定。以下結合神華烏海能源公司駱駝山礦及利民礦的具體實例闡述以上兩種探查方案。

2.1 地面定向鉆探探查小煤礦邊界

駱駝山煤礦東部露頭區(qū)曾有多個小煤礦，由于小煤礦采用房柱式開采，無規(guī)律可循，小煤礦采掘邊界及積水范圍不明，使正在基建階段的礦井整體布局設計難以確定。以首采區(qū)為例，該采區(qū)東部為煤層露頭區(qū)，南北兩側以F64、F61兩條落差大于50 m 的區(qū)域斷層為界，因礦井不具備井下探查條件，設計通過地面定向鉆探對采空區(qū)邊界進行探查。地面定向鉆孔探查駱駝山煤礦老空區(qū)邊界情況見圖1。在靠近地面三維地震及瞬變電磁異常區(qū)邊界以西施工地面定向鉆孔ZK1、ZK2，查明兩鉆孔連線以西9＃煤層是否存在采空區(qū)，待井下施工條件成熟后，再在井下合適位置對物探所圈出的采空區(qū)進行探放水工作。

圖1 地面定向鉆孔探查駱駝山煤礦老空區(qū)邊界平面示意圖

ZK1、ZK2 探查孔使用G-55型定向鉆機施工，兩鉆孔南北向沿地層走向布置，根據(jù)開孔標高及等高線資料，設計造斜段曲率半徑為180m，相應兩鉆孔地面開孔間距360 m，水平段沿9＃煤層延伸。地面定向鉆孔結構見圖2。

根據(jù)地面定向鉆探探查結果查明ZK1、ZK2水平著陸點及終點形成的連線上未發(fā)現(xiàn)9＃煤層采空區(qū)，因此可判定該連線以西沒有9＃煤層采空區(qū)，確保首采區(qū)可布設不少于2個工作面，為礦井設計提供了依據(jù)，減少了投資風險。

2.2 井下定向鉆探探查小煤礦邊界

利民煤礦東北部露頭區(qū)與多個小煤礦相鄰，小煤礦均已關停較長時間，采空區(qū)積水對利民礦西北邊界905工作面開采造成威脅。為確保巷道掘進安全同時保證掘進速度，設計采用井下長距離定向鉆探對邊界老空水進行探查。在靠近井田邊界905工作面原設計回風巷道內對平行于巷道外20 m、50m及70m3條線進行探查，探查這3條線上是否存在小煤礦越界現(xiàn)象。井下定向鉆孔探查利民煤礦905工作面外老空區(qū)邊界情況見圖3。

圖2 駱駝山煤礦老空區(qū)邊界探查地面定向鉆孔結構圖

探查采用ZDY6000LD 坑道定向鉆機施工，為保證探放水垂向上無盲區(qū)，2＃鉆孔及2-1＃鉆孔分別沿煤層底、頂板布設，距煤層底、頂板間距為0.5m。探查結果表明905工作面回風巷道外70m外無小煤礦采空區(qū)，解除了小煤礦老空水對905工作面的威脅，礦井邊界防水煤柱由原來的70m 降為50m，增加了工作面可采量，避免了資源浪費。

圖3 井下定向鉆孔探查利民煤礦905工作面外老空區(qū)邊界平面示意圖

3 利用定向鉆探探查煤層上部采空區(qū)積水

有些多煤層開采的井田由于歷史原因，現(xiàn)礦井開采中、下層煤時，其上部煤層已存在較早的本礦采空區(qū)或小煤礦采空區(qū)，上層采空區(qū)水嚴重制約了下層煤工作面掘進和安全生產(chǎn)，且由于上部煤層采掘大多無規(guī)律、無準確圖紙，常規(guī)探放難度及工作量較大。由于小煤礦巷道均為沿煤層傾向從高向低采掘，這種情況下可利用井下坑道定向鉆機對上部煤層采空區(qū)沿煤層走向按一定間距進行梳狀探查，即可有效探放老空水。

如神華烏海能源公司五虎山礦9＃煤層906工作面，其上部為小煤礦開采的8＃煤層，采空區(qū)充滿積水，巷道掘進接近探水線時設計采用定向鉆探對采空區(qū)積水進行探放，如圖4所示。探查孔自回風巷道及運輸巷道的1＃、2＃鉆場上仰孔起探，在預測積水線前落平至8＃煤層，后鉆孔沿8＃煤層鉆進。設計探查鉆孔6 個，鉆孔間距45 m，鉆孔在8＃煤層內平行于工作面兩條巷道呈梳狀。將塌陷角向上計算的外緣外推30 m 作為鉆孔終孔位置，同時以此安全距離在運輸巷道外側施工探放水鉆孔。通過探放，906工作面共探出8＃煤層老空積水20000m3，工作面最終實現(xiàn)了安全掘進及回采。

圖4 井下定向鉆孔探查五虎山煤礦906工作面上部老空水平面示意圖

4 結論

相對于傳統(tǒng)短距離回轉鉆進，在老空水探放中采用長距離定向鉆探可減少鉆探工作量、縮短工作面的準備時間、降低成本、提高老空水探放精度，技術和經(jīng)濟優(yōu)勢明顯。采用長距離定向鉆進技術進行老空水探放，是消除神華烏海能源有限責任公司礦井老空水害安全隱患、實現(xiàn)高產(chǎn)高效礦井的必然趨勢，具有巨大的推廣應用前景。

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