千米定向鉆高效超前探測井田邊界采空區(qū)技術(shù)與實(shí)踐

冉星仕， 白成杰， 孫萬明

(1.神木縣隆德礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719316；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

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千米定向鉆高效超前探測井田邊界采空區(qū)技術(shù)與實(shí)踐

冉星仕1， 白成杰1， 孫萬明2

(1.神木縣隆德礦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 神木 719316；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

隆德煤礦為超前探測井田邊界采空區(qū)、解決巷道掘進(jìn)安全及接續(xù)緊張問題，對(duì)比不同探測方法后，采用千米定向鉆探技術(shù)確定了206和202工作面巷道及切眼的合理位置，實(shí)現(xiàn)了超前探測與巷道掘進(jìn)的同步作業(yè)，保證了礦井安全高效生產(chǎn)，并進(jìn)一步提高了資源采出率。千米定向鉆探技術(shù)具有單孔成孔距離長、鉆探軌跡可控、鉆進(jìn)效率高、安全性好、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，是解決煤礦老空區(qū)探測的有效技術(shù)手段。

千米定向鉆；超前探測；井田邊界；采空區(qū)

High Efficient Advanced Exploration Technology and Practical of Mine Border Goaf with Kilometer Directional Drill

神木縣隆德煤礦206和202工作面位于井田東翼，202工作面北部為井田邊界，206工作面南部為208工作面采空區(qū)，兩個(gè)工作面切眼均靠近井田東部邊界，與某民營煤礦相鄰。該民營煤礦在隆德煤礦東部邊界形成了較大范圍的老空區(qū)，相鄰邊界采掘技術(shù)資料不清，老空區(qū)范圍不明，老空區(qū)積水量情況也無準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。這對(duì)隆德煤礦在東部井田邊界采掘作業(yè)尤其是206和202工作面切眼位置的確定構(gòu)成嚴(yán)重的安全威脅和影響。因此，進(jìn)行超前探測工作，確保掘進(jìn)和回采安全，就顯得尤為關(guān)鍵。

1 方法的選擇及原理

1.1 方法選擇

常用的超前探測工作主要有地面鉆探、地面物探和井下定向鉆探。

(1)地面鉆探 雖能直觀地揭露井下煤層及采空區(qū)分布情況，但是單個(gè)鉆孔揭露范圍太小，且受小煤窯開采工藝影響，以鉆孔探測采空區(qū)的可能性較低。加大鉆孔密集雖可更準(zhǔn)確地探測采空區(qū)范圍，但工程費(fèi)用高昂，且根據(jù)以往地面鉆探施工情況，大面積施工鉆孔的占地協(xié)商將是一大難題。

(2)地面物探 受地域局限，影響因素較多，解釋多樣不定，準(zhǔn)確率較低，費(fèi)用也較高。且在地面開展物探工作，需大面積動(dòng)工，同樣面臨占地協(xié)調(diào)難題，工程將難以進(jìn)行，工期過長。

(3)井下定向鉆探 采用現(xiàn)代化千米鉆機(jī)超前探測技術(shù)，將定向鉆機(jī)置于掘進(jìn)頭側(cè)后方硐室內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)探水作業(yè)與掘進(jìn)作業(yè)同步進(jìn)行，互不干擾，有利于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的生產(chǎn)能力[1-3]。

1.2 定向鉆探原理

在地質(zhì)勘探中定向鉆探是指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律或采用人工造斜工具使鉆孔按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行延伸鉆到預(yù)定目標(biāo)的一種鉆進(jìn)方法。

千米定向技術(shù)是利用鉆機(jī)的定向造斜糾偏功能，通過測量系統(tǒng)的精確測量和自動(dòng)分析，及時(shí)控制和處理鉆頭方向，進(jìn)而控制鉆進(jìn)軌跡。

定向鉆機(jī)施工時(shí)，鉆桿將高壓水輸送至孔內(nèi)馬達(dá)，高壓水促使馬達(dá)內(nèi)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而通過前端軸承帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)。鉆孔軌跡主要靠孔內(nèi)馬達(dá)的彎接頭控制，彎頭與鉆桿之間的夾角決定了鉆進(jìn)的方向和最終的軌跡。配套的測量系統(tǒng)主要測量方位角、傾角和彎接頭方向，依此計(jì)算出測點(diǎn)坐標(biāo)。通過所有測點(diǎn)坐標(biāo)將描繪出當(dāng)前的鉆進(jìn)位置，通過對(duì)比預(yù)設(shè)軌跡計(jì)算出軌跡偏差，以此及時(shí)調(diào)整彎接頭方向，最大限度地保證鉆進(jìn)軌跡與設(shè)計(jì)的一致性。

1.3 定向鉆探的優(yōu)勢

定向鉆探技術(shù)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)單孔成孔距離長、探測范圍大、勞動(dòng)強(qiáng)度低[4]常用的礦井鉆機(jī)一般探測深度在70～100m，超前距30m，有效距離只剩40～70m，每掘進(jìn)40～70m便要重新搬運(yùn)鉆機(jī)，重新布孔和固管，正常鉆探前準(zhǔn)備時(shí)間較長；且鉆機(jī)較重，搬家極為不便，在使用大型機(jī)械搬運(yùn)鉆機(jī)時(shí)存在很大的安全隱患，頻繁的搬遷也使勞動(dòng)強(qiáng)度過大，工作效率也隨之降低。千米定向鉆孔一般施工500～800m，平均以700m計(jì)算，每700m常規(guī)鉆機(jī)則需搬家10～17次，而定向鉆機(jī)是履帶式鉆機(jī)，接電即可行走，大大減少了搬運(yùn)次數(shù)，增加了工作效率。

(2)鉆探作業(yè)與掘進(jìn)作業(yè)同步進(jìn)行[1]采用常規(guī)鉆探進(jìn)行采空區(qū)探測需將鉆機(jī)穩(wěn)固在掘進(jìn)工作面，在鉆探作業(yè)期間，無法進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。千米定向鉆施工地點(diǎn)可布置在掘進(jìn)工作面?zhèn)群蠓?，通過控制鉆探軌跡使鉆頭繞過掘進(jìn)工作面之后進(jìn)行超前探測，從而實(shí)現(xiàn)了鉆探作業(yè)與掘進(jìn)作業(yè)同步進(jìn)行。

(3)鉆探軌跡可控 常規(guī)鉆機(jī)的鉆頭角度一般不可調(diào)且易跑偏，鉆孔軌跡難以實(shí)現(xiàn)較精確地控制，甚至有導(dǎo)通含水層的可能。而千米定向鉆機(jī)具有可調(diào)鉆頭和精確測量系統(tǒng)，可較為精確地控制鉆頭方向和鉆進(jìn)軌跡。

(4)補(bǔ)充精確的地質(zhì)資料[4]千米鉆探技術(shù)鉆探軌跡上的每一個(gè)測點(diǎn)的坐標(biāo)都可以精確測出，可以此用于地質(zhì)情況的揭露和準(zhǔn)確描述，并作為地質(zhì)資料的補(bǔ)充。

(5)提高鉆探作業(yè)安全性 定向鉆探時(shí)夾持器始終保持夾緊狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生突然退鉆等傷人事故；而常規(guī)鉆探時(shí)若發(fā)生孔底壓力，則易造成突然退鉆，容易造成安全事故。

(6)減少材料消耗[5]常規(guī)鉆探每次施工前須施工孔口管，各種管材、注漿固管材料消耗較多，搬家、固管次數(shù)多，不利于快速高效掘進(jìn)。千米定向鉆探在施工鉆孔時(shí)，套管、固管、耐壓試驗(yàn)、閘閥一次安裝，節(jié)約了材料消耗，且提高了生產(chǎn)效率。

2 實(shí)例分析

2.1 布置依據(jù)

隆德煤礦206工作面、202工作面巷道先后要掘進(jìn)至井田東北邊界，為了確定2個(gè)工作面的切眼位置必須先探明井田邊界附近是否存在采空區(qū)，為此，以南部已回采的208工作面輔運(yùn)巷(即206回風(fēng)巷)正對(duì)切眼的位置為起點(diǎn)，根據(jù)巷道掘進(jìn)順序和接續(xù)需要，分別向北、向東沿巷道和切眼的設(shè)計(jì)位置和方向依次布置超前鉆孔，探查井田范圍內(nèi)是否有采空區(qū)，并確定2個(gè)工作面的切眼位置。

2.2 技術(shù)方案

選用ZDY3500L(A)履帶式液壓千米定向鉆機(jī)，結(jié)合隆德煤礦206和202工作面的實(shí)際條件，在保證正常掘進(jìn)作業(yè)的前提下制定了鉆探施工方案[6]。如圖1所示。

圖1 鉆孔布置

該施工方案共包括6個(gè)定向鉆孔，具體情況如下：

(1)T1定向鉆孔 在208輔運(yùn)巷(即206回風(fēng)巷)正對(duì)208切眼位置，垂直208輔運(yùn)巷向煤柱施工T1鉆孔。鉆孔設(shè)計(jì)長度420m，穿過206輔運(yùn)巷50m，初步探測臨近煤礦采空區(qū)范圍是否進(jìn)入206工作面。

(2)T2定向鉆孔 在206輔運(yùn)巷1900m處硐室(圖1中T2線起點(diǎn))內(nèi)沿巷道延伸方向的外側(cè)施工T2定向鉆孔，設(shè)計(jì)深度780m，與T1呈包圍之勢，探測包圍圈內(nèi)有無越界采空區(qū)，確保206膠輔巷道可安全掘進(jìn)。

(3)T3定向鉆孔 在206輔運(yùn)巷2630m處硐室(圖1中T3線起點(diǎn))內(nèi)繼續(xù)沿巷道延伸方向的外側(cè)施工T3定向鉆孔。鉆孔設(shè)計(jì)深度382m，探測巷道前方及外側(cè)有無越界采空區(qū)，確保206膠輔巷道可安全掘進(jìn)。

(4)T4定向鉆孔 在206膠運(yùn)迎頭鉆機(jī)硐室內(nèi)沿206切眼方向施工T4定向鉆孔。鉆孔設(shè)計(jì)深度378m，探測前方有無越界采空區(qū)，確保206切眼可安全掘進(jìn)。

(5)T5定向鉆孔 206工作面形成后，在206輔運(yùn)巷迎頭聯(lián)巷內(nèi)沿保護(hù)煤柱向202工作面范圍施工T5定向鉆孔，設(shè)計(jì)深度682m，探測井田邊界有無越界采空區(qū)，確保202探巷可安全掘進(jìn)，圈定202可采邊界。

(6)T6定向鉆孔 202探巷形成后，在202探巷迎頭硐室內(nèi)沿保護(hù)煤柱方向施工T6定向鉆孔。鉆孔設(shè)計(jì)深度700m，探測井田邊界有無越界采空區(qū)，確定202巷道開口位置及202膠輔巷道的安全掘進(jìn)，待202巷道掘完之后定向鉆探與常規(guī)鉆探相結(jié)合，確定202切眼位置。

2.3 定向鉆探技術(shù)應(yīng)用效果

千米定向鉆探技術(shù)實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)探測與巷道掘進(jìn)的同步作業(yè)，有效緩解掘進(jìn)安全與接續(xù)緊張的矛盾；為工作面巷道及切眼的掘進(jìn)和定位提供了安全保障；將206工作面切眼位置向前移進(jìn)了131m；將202工作面切眼向前移進(jìn)了39m，減少了煤炭損失，提高了礦井采出率；為202工作面探巷的安全掘進(jìn)提供了首要條件，并可將邊角煤直接作為可采資源，進(jìn)一步提高了礦井采出率。

3 結(jié) 論

隆德煤礦采用千米定向鉆實(shí)現(xiàn)了高效超前探測井田邊界采空區(qū)的目的，為206和202工作面的巷道掘進(jìn)和定位提供了安全保障，有效預(yù)防了老空區(qū)水害；實(shí)現(xiàn)了探測與掘進(jìn)的同步作業(yè)，極大提高了生產(chǎn)效率，解決了生產(chǎn)接續(xù)緊張的困局；同時(shí)，在保證安全的前提下進(jìn)一步增加了可采資源儲(chǔ)量，提高了礦井資源采出率，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

千米定向鉆探具有探測范圍大、定向精確、效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐表明，采用千米定向鉆機(jī)超前探測井田邊界采空區(qū)的技術(shù)是解決煤礦老空區(qū)探測問題的有效技術(shù)手段，為煤礦生產(chǎn)提供了一個(gè)采空區(qū)及水害探測及防治的新方法，具有非常廣闊的推廣應(yīng)用前景。

[1]石 磊.千米定向鉆機(jī)在煤礦水害治理方面的技術(shù)應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2013(12)：108-109，132.

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

2016-03-17

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.006

冉星仕(1964-)，男，四川南江人，工程師，神木縣隆德礦業(yè)有限責(zé)任公司總工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)與管理工作。

冉星仕，白成杰，孫萬明.千米定向鉆高效超前探測井田邊界采空區(qū)技術(shù)與實(shí)踐[J].煤礦開采，2016，21(6)：20-21，5.

TD166

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1006-6225(2016)06-0020-02