井下隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)在方山店坪煤礦應(yīng)用研究

李曉璐

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司，山西 呂梁 033102）

當(dāng)前煤礦井下定向鉆孔施工過(guò)程中，完成鉆孔軌跡的實(shí)時(shí)測(cè)量是確保鉆具依照設(shè)計(jì)鉆孔軌跡延伸的關(guān)鍵[1-2]。隨著我國(guó)煤礦綜合機(jī)械化采煤技術(shù)的飛速進(jìn)步，煤礦安全生產(chǎn)對(duì)井下勘探孔等技術(shù)的要求也越來(lái)越高。隨鉆測(cè)量技術(shù)作為一種相對(duì)來(lái)說(shuō)比較新型的鉆進(jìn)工藝形式，其能夠在鉆進(jìn)的同時(shí)完成各種鉆井參數(shù)的持續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量，擁有更高的精度以及更快的鉆進(jìn)速度，是目前煤礦井下鉆孔施工中急需的礦井測(cè)量技術(shù)[3-4]。

方山店坪煤礦位于山西省呂梁市方山縣大武鎮(zhèn)王家莊村一帶，行政區(qū)劃屬方山縣大武鎮(zhèn)管轄。試驗(yàn)鉆場(chǎng)布置在9-2072巷，9-2072巷位于+830m水平南翼二采區(qū)右翼，東與+830m水平南翼軌道巷相通，西至井田邊界，南為實(shí)體煤，北與9-2092巷相鄰（幫至幫間隔246m），上部為+900m水平5#煤可采煤層，根據(jù)+900m水平5#煤開采情況，9-2072巷工作面上部5#煤層為實(shí)體煤，9#煤與5#煤層間距為60～65m。9-2072巷主要擔(dān)負(fù)著9-209工作面回采期間進(jìn)風(fēng)，9-207工作面回采時(shí)回風(fēng)、運(yùn)輸、行人，同時(shí)在9-207工作面回采期間留巷為9-205工作面回采服務(wù)。9-2072巷設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1314m，現(xiàn)已施工152m，剩余1162m。9-2072巷現(xiàn)施工位置位于9-2072系統(tǒng)巷B#導(dǎo)線點(diǎn)前99m，以270°方位角沿9#煤頂板施工1162m（中-中）到達(dá)切巷位置。

1 隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)系統(tǒng)的組成

本次定向鉆進(jìn)系統(tǒng)使用山西省煤炭地質(zhì)勘查研究院研制YHD1-100型礦用隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)系統(tǒng)，是專門針對(duì)山西區(qū)域煤礦井下定向鉆孔施工狀況研發(fā)的。系統(tǒng)包含上/下無(wú)磁鉆桿、測(cè)量探管以及孔口監(jiān)視器等設(shè)備，用于滿足水平定向鉆進(jìn)的測(cè)量及控制。見(jiàn)圖1。

圖1 隨鉆測(cè)量系統(tǒng)連接示意圖

測(cè)量探管作為定向鉆進(jìn)歷程中測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其裝配于近鉆頭的無(wú)磁鉆桿內(nèi)以完成實(shí)時(shí)采集鉆具姿態(tài)參數(shù)的任務(wù)，隨之經(jīng)過(guò)通訊電纜把獲取到的數(shù)據(jù)傳輸至孔口監(jiān)視器，操作人員能夠依照得到的測(cè)量數(shù)據(jù)以及鉆孔軌跡及時(shí)完成工具面向角的調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制鉆孔軌跡[5]。

煤礦井下定向鉆孔的施工狀況相對(duì)于非開挖等地面定向鉆進(jìn)來(lái)說(shuō)有所區(qū)別，為了能夠相對(duì)更好地運(yùn)用隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)，完成對(duì)其運(yùn)用的工作環(huán)境及技術(shù)條件的研究，需注意以下內(nèi)容：

（1）工作環(huán)境：一般情況下煤礦井下的溫度在0～40℃區(qū)間內(nèi)，為了在很大程度上確保其擁有相對(duì)較高的可靠穩(wěn)定性，擇取低功耗工業(yè)級(jí)芯片，避免電流過(guò)大致使溫度升高[6-7]。

在鉆進(jìn)歷程中，因?yàn)榕帕啃∫约俺隹诒脡旱停ā?MPa），在很大程度上對(duì)儀器的抗壓及振動(dòng)能力要求很低，但為了確保儀器在很大程度上擁有相對(duì)較高的可靠性，其耐壓以及能力分別要≥10MPa以及≥4g(g表示重力加速度)。

（2）測(cè)量精度指標(biāo)：見(jiàn)表1。

表1 測(cè)量精度指標(biāo)

水平鉆進(jìn)是于頂?shù)装彘g順著煤層延伸方位完成的，其關(guān)鍵參數(shù)是上下偏移，如果水平鉆進(jìn)以及探管測(cè)量誤差分別是1000m以及0.2°，最大的上下偏移量是1000×sin0.2o=3.5m，兼顧均方差其偏移≤2.5m，完全符合至少有≤10m煤層厚度的狀況。

（3）防爆指標(biāo)：總體運(yùn)用的設(shè)備務(wù)必是防爆的，其防爆以及防護(hù)等級(jí)分別是本質(zhì)安全型以及高于IP54。

（4）探管結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo)：

① 直徑相對(duì)較?。ā?0mm），能夠裝配于鉆桿空腔內(nèi)并且留出相對(duì)適宜的環(huán)狀空隙。目前煤礦井下完成定向鉆進(jìn)用的鉆桿外徑以及通孔直徑極大值分別是73mm、55mm，除了能夠確保探管順利通過(guò)，在很大程度上要有適宜的過(guò)水面積以確保高壓水能夠順利經(jīng)過(guò)，綜上要求探管的外徑要≤50mm。

② 為了確保實(shí)時(shí)監(jiān)控探管形態(tài)，要非常迅速地完成數(shù)據(jù)采集，隨后迅速把數(shù)據(jù)傳輸至孔口監(jiān)視儀，其輸送間隔通常情況下低于2s。

③ 探管是固定于和單彎螺桿相對(duì)緊密連接的無(wú)磁鉆桿內(nèi)，把調(diào)節(jié)好探管的工具面向角參數(shù)輸送至孔口監(jiān)視儀，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)單彎螺桿的工具面向角就能夠掌控鉆進(jìn)方向，所以探管的固定務(wù)必要堅(jiān)固可靠，不可轉(zhuǎn)動(dòng)以及前后竄動(dòng)。

④ 探管的信號(hào)輸出務(wù)必要做短路保護(hù)，以保證即使出現(xiàn)短路也無(wú)法損壞探管。另外信號(hào)的輸出阻抗依著鉆桿的連接也會(huì)在很大程度上出現(xiàn)改變，所以探管要擁有相對(duì)很強(qiáng)的信號(hào)輸出性能以確保信號(hào)的有效輸出，同時(shí)還要確保信號(hào)在很大程度上擁有很強(qiáng)的抗干擾能力。

2 隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)效果分析

本次隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)共完成頂板水探放鉆孔6個(gè)，均按照設(shè)計(jì)深度沿設(shè)計(jì)軌跡達(dá)到預(yù)定位置，最大鉆孔深度594m，且具備更深的鉆進(jìn)能力。以上定向鉆孔均為一次成孔，成孔率高，平均鉆進(jìn)效率大于30m/班，與原技術(shù)相比提高30%以上，滿足礦井超前高效頂板水探放的需求。完成的6個(gè)定向鉆孔其靶點(diǎn)處實(shí)鉆軌跡參數(shù)與設(shè)計(jì)軌跡數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所示。

施工完成的6個(gè)井下定向鉆孔疏放時(shí)間約七個(gè)月之內(nèi)頂板水探放定向鉆孔疏放水情況統(tǒng)計(jì)如表3所示。隨后6個(gè)鉆孔涌水量迅速下降，其6個(gè)鉆孔涌水量綜合為10m3/h左右。

綜合上述分析，根據(jù)水文地質(zhì)情況及鉆孔疏放水情況分析，鉆孔完成七個(gè)月后9-2072巷涌水水源主要為頂板砂巖含水層水，砂巖含水層水主要通過(guò)施工錨桿、錨索眼及巖層裂隙導(dǎo)水進(jìn)入工作面。預(yù)計(jì)掘進(jìn)期間工作面正常涌水量為7m3/h，最大涌水量為15m3/h。掘進(jìn)期間必須嚴(yán)格執(zhí)行“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則，同時(shí)排水系統(tǒng)能力必須達(dá)到預(yù)測(cè)最大涌水量的2倍，生產(chǎn)期間注意加強(qiáng)排水。

表2 9-2072巷定向鉆孔實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡偏差統(tǒng)計(jì)表

表3 9-2072巷頂板水探放定向鉆孔疏放水情況統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

方山店坪煤礦將隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)引入9-2072巷頂板探放水中和水文地質(zhì)條件分析中，取得了良好的水害防治效果，對(duì)井下頂板含水層內(nèi)水體超前區(qū)域探查和疏放，可推廣應(yīng)用于其他類似礦井。