定向鉆探技術(shù)在煤礦防治水中的應(yīng)用分析

＊范天升

（山西凱嘉能源集團(tuán)有限公司 山西 032000）

引言

雖然我國能源結(jié)構(gòu)整體在不斷優(yōu)化，各種類型的清潔能源大量被使用，但是隨著煤炭行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，特別是煤炭資源仍舊是我國的戰(zhàn)略性安全能源，煤炭行業(yè)在我國的地位仍舊非常關(guān)鍵。但是從我國煤炭行業(yè)的發(fā)展來看，進(jìn)入到深部開采階段已經(jīng)成為必然，在煤礦深部開采的過程中，面臨的礦井水害問題非常突出。從當(dāng)前煤礦防治水來看，關(guān)鍵的措施之一就是進(jìn)行鉆探，而采取定向鉆探技術(shù)較好提升了煤礦防治水的效果。因此，對定向鉆探技術(shù)在煤礦防治水中的應(yīng)用進(jìn)行分析有著較為重要的意義。

1.工程概況

XX煤礦xx工作面開采的煤層屬于4#煤層，從地質(zhì)測量來看，煤層的傾角在3°到9°之間，平均的厚度為2.3m，工作面傾斜長度為250m，走向長度為1500m，相鄰的工作面已經(jīng)開采完畢，但是在煤礦采空區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的積水問題，對該工作面生產(chǎn)的安全性帶來了較大的影響。為了提升工作面生產(chǎn)的安全性，需要對xx工作面采空區(qū)內(nèi)的水施工鉆孔，實(shí)現(xiàn)對積水的有效疏放。從現(xiàn)場測算表明，選擇使用傳統(tǒng)的鉆孔工藝，不能達(dá)到鉆孔隨軌跡測量裝置進(jìn)行到該區(qū)域。所以，為了達(dá)到既定的目標(biāo)，本次設(shè)計(jì)定向鉆孔技術(shù)，在xx工作面軌道巷350m的位置，向采空區(qū)實(shí)施了長距離的定向鉆孔開展疏水作業(yè)。

2.定向鉆探技術(shù)在煤礦防治水中的應(yīng)用原理及類型

(1)定向鉆探技術(shù)在煤礦防治水中的應(yīng)用原理

定向鉆探技術(shù)主要以地質(zhì)勘探為基礎(chǔ)，將基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)作為基礎(chǔ)，對鉆孔出現(xiàn)的自然彎曲的特點(diǎn)進(jìn)行全面的使用，同時(shí)需要使用人工傾斜工具，保證鉆孔達(dá)到既定的位置。在具體操作時(shí)，還可采用實(shí)時(shí)監(jiān)測的方式，及時(shí)掌握整個(gè)鉆孔出現(xiàn)的變化情況，推動(dòng)鉆孔能夠鉆探到既定的位置，可以將造斜工具的方向確定出來。從當(dāng)前的大量實(shí)踐表明，選擇使用定向鉆探技術(shù)，整體的控制精度相對較高，鉆進(jìn)的距離相對較長，軌跡的可控性也相對較高，施工效率相對于傳統(tǒng)的施工工藝也相對較好，因此，在井下地下水的防治工作中，可結(jié)合井下實(shí)際地質(zhì)情況，科學(xué)使用定向鉆探技術(shù)。

(2)定向鉆探技術(shù)在煤礦防治水中的應(yīng)用分類

首先，按照施工技術(shù)方法的不同，可分為自然彎曲定向孔和人工彎曲定向孔。對于自然彎曲定向孔，鉆孔的軸線主要是以鉆孔自然彎曲的特點(diǎn)規(guī)律為基礎(chǔ)，通過對鉆孔的方位角、位置等進(jìn)行變換的方式，使用傳統(tǒng)技術(shù)條件，也可以采取增減斜的方法措施，對孔斜進(jìn)行針對性的控制，在上述措施實(shí)施后，通常情況下，可按照設(shè)計(jì)的鉆孔軸線進(jìn)行鉆進(jìn)，自然彎曲定向鉆孔，也可稱作為主定向孔。對于人工彎曲定向孔，主要采取人工的方式，對鉆孔進(jìn)行控制，從該種方法的施工情況來看，鉆孔最終的方向、位置受到的影響相對較小。在這個(gè)過程中，對自然彎曲與人工彎曲可采取相互結(jié)合的模式，讓鉆孔根據(jù)設(shè)計(jì)軌跡達(dá)到指定的位置，因此，從這種操控的方式來看，屬于可以控制的定向孔。

其次，可按照井眼軸線形狀的不同進(jìn)行不同類型的區(qū)分。具體主要分為三維與兩維定向孔。前者是指在三維空間范圍內(nèi)，定向孔有變動(dòng)，特別是鉆孔的軸線，既有方位角的變化，也有傾角出現(xiàn)的變化，從最終形成的軌跡線來看，有的可以是折線、有的是曲線，也有的最終成為了直線。從兩維定向孔來看，主要是在一個(gè)水平面上的變化，在具體變化中，傾斜角變化相對較大，由于沒有三維的變化，所以，兩維定向孔方位角不會(huì)有變化。

最后，也可以根據(jù)鉆孔孔底結(jié)構(gòu)存在的差異進(jìn)行分類，整體可分為多底定向孔、單底定向孔。前者主要是指在主干孔鉆進(jìn)時(shí)，還有其他類型的分支孔。后者就只有一個(gè)主干孔。

3.定向鉆探技術(shù)在煤礦防治水中的應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)

(1)本次定向鉆探疏水設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行定向鉆孔的設(shè)計(jì)與布置時(shí)，與周邊巷道工程的實(shí)際情況應(yīng)當(dāng)適應(yīng)，同時(shí)也需要充分考慮礦井當(dāng)前的各種鉆探設(shè)備的實(shí)際工作效果。在定向鉆孔的過程中，應(yīng)當(dāng)盡量提高疏放水的實(shí)際水量，保證鉆孔的成孔性。在設(shè)置鉆孔時(shí)，應(yīng)當(dāng)將鉆孔布置在低洼的位置，鉆孔的角度應(yīng)當(dāng)盡量保持仰角。從本次工作面的實(shí)際特點(diǎn)來看，工作面包含水層有兩層，因此，本次設(shè)計(jì)時(shí)，在鉆孔位置分別布置鉆孔進(jìn)行頂板水的疏放。此外，在具體施工中，對定向探放水鉆機(jī)的實(shí)際工作能力，施工人員也需要全面考慮，科學(xué)布置鉆孔，設(shè)置科學(xué)的鉆孔間距。

(2)設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)

在進(jìn)行本次井下定向疏水鉆孔的設(shè)計(jì)時(shí)，采用了1#、2#鉆孔套管的方式。在開孔時(shí)，鉆頭的直徑設(shè)計(jì)為153mm，鉆孔在鉆進(jìn)的過程中，鉆進(jìn)的長度設(shè)計(jì)為與煤層垂直距離為6m作為具體的標(biāo)準(zhǔn)。在鉆孔成功后，設(shè)計(jì)耐壓試驗(yàn)，在滿足了耐壓試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)后，鉆孔才能夠使用。鉆孔成孔后，將直徑為146mm的套管安裝到其中，這時(shí)選擇使用的注漿泵為井下專用注漿泵，水灰比例設(shè)計(jì)為1.5:1，套管通過水泥漿的作用有效固定，水泥漿使用的標(biāo)準(zhǔn)為孔壁周邊沒有漏水為具體的標(biāo)準(zhǔn)，若出現(xiàn)了漏水的問題，則需要對套管進(jìn)行重新固定。在開始定向鉆孔后，本次選擇使用具備監(jiān)測功能的定向鉆孔工藝，對整個(gè)施工的過程進(jìn)行全面實(shí)時(shí)的監(jiān)控，鉆孔直徑設(shè)計(jì)為98mm，在巷道內(nèi)設(shè)置三個(gè)定向鉆孔點(diǎn)，表1為定向鉆孔點(diǎn)的設(shè)置情況表。

表1 定向鉆孔設(shè)置情況表

(3)本次施工所用裝備

為了提升本次施工的效果，本次設(shè)計(jì)采用了全液壓鉆機(jī)，鉆機(jī)扭矩可達(dá)到6000N·m，在鉆探的過程中，給進(jìn)的壓力可以到200kN，在固定套管時(shí)，選擇使用的水泥泵為煤礦使用的活塞泵，該泵的排量每分鐘可以達(dá)到350L。鉆孔設(shè)計(jì)采用的是中心通纜式鉆桿，在進(jìn)行定向鉆孔的過程中，通纜鉆桿是主要的施工工具。在測量的過程中，測量軌跡系統(tǒng)選擇使用礦用的隔爆性的計(jì)算機(jī)，對整個(gè)鉆孔的距離、角度、位置等參數(shù)可以做到實(shí)時(shí)的監(jiān)測。

(4)定向鉆孔疏放水

為了提升工作面疏放水的效果，結(jié)合周邊巷道情況及當(dāng)前的排水通道情況，在采空區(qū)內(nèi)實(shí)施的疏放水定向鉆孔的高程應(yīng)當(dāng)相對于靶點(diǎn)高程較低，對鉆孔的軌跡應(yīng)當(dāng)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，這對于提升鉆孔的疏放水的效果較為有利。圖1為定向鉆孔軌跡平面圖。

圖1 定向鉆孔軌跡平面圖

本次嚴(yán)格的按照施工設(shè)計(jì)的方案對定向鉆孔進(jìn)行了施工，特別是對鉆孔的軌跡進(jìn)行了精確的控制，確保鉆孔嚴(yán)格的按照設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行鉆進(jìn)，最終達(dá)到了指定的靶心點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對采空區(qū)內(nèi)積水的有效疏放。從現(xiàn)場的測量表明，1#鉆孔的出水量在每小時(shí)36m3左右，2#鉆孔的出水量超過了每小時(shí)30m3，3#鉆孔的出水量，超過了每小時(shí)28m3，三個(gè)孔之間的出水量之間的差異相對較小，且整體較為穩(wěn)定，每天的疏放水量超過了1600m3，較好滿足了煤礦井下開采的需要。此外，從本次的施工情況來看，定向鉆孔在疏放水方面有著較高的精度要求，整個(gè)過程也可以實(shí)現(xiàn)較好的控制，鉆孔的速度也相對較快，可以有效的保證工作面生產(chǎn)的安全性。

4.結(jié)束語

綜上分析，全面做好煤礦防治水工作是當(dāng)前眾多煤礦面臨的共性問題，但是從當(dāng)前煤礦所開展的防治水方式方法和取得的效果來看，在很多方面還有著較大的提升空間，因此，這就需要煤礦企業(yè)全面認(rèn)識(shí)到做好防治水工作的重要性，切實(shí)從企業(yè)面臨的井下防治水工作實(shí)際出發(fā)，科學(xué)應(yīng)用定向鉆探技術(shù)，更好提升防治水工作實(shí)際效果。