定向鉆探在礦井水害防治中的應(yīng)用

項(xiàng)樹龍

（晉能控股集團(tuán)山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036600）

探放水工作是確保礦井生產(chǎn)安全的重要技術(shù)措施，現(xiàn)階段井下回采巷道掘進(jìn)過程中通常采用鉆探技術(shù)對(duì)掘進(jìn)工作面前方煤體、頂?shù)装鍍?nèi)水位高度、含水量等進(jìn)行探測(cè)，但是探測(cè)深度一般在200 m 以內(nèi)[1-2]。探放水鉆孔施工過程中存在鉆孔數(shù)量多、工程量大、施工效率低等問題，從而給后續(xù)巷道高效、安全掘進(jìn)帶來一定制約。選用合理的探放水施工技術(shù)工藝對(duì)提高回采巷道掘進(jìn)安全保障能力、巷道掘進(jìn)效率等方面具有顯著的促進(jìn)意義[3-6]。本文以山西某礦6206 運(yùn)輸巷掘進(jìn)為工程背景，提出將定向鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到水害防治中，現(xiàn)場(chǎng)取得較好的應(yīng)用成果。

1 工程概況

6206 運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)長度1 890 m，矩形斷面，凈寬、凈高分別為4.8 m、3.6 m，沿著6#煤層底板掘進(jìn)，采用EBZ-260 綜掘機(jī)掘進(jìn)。根據(jù)已有的地質(zhì)資料，6206 運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中涌水主要來至于頂板砂巖含水層、裂隙水含水層等。巷道掘進(jìn)過程中采用型號(hào)ZDY3700B 鉆機(jī)（功率50 kW、鉆速72 r/min、鉆進(jìn)壓力30 MPa），配合使用中空鉆桿（長度1.5 m、直徑63 mm），配合金剛石鉆頭鉆進(jìn)。在掘進(jìn)迎頭布置5 個(gè)探放水鉆孔，鉆孔深度150 m、傾角20°，終孔位置位于6#煤層頂板上覆50 m 位置。

現(xiàn)階段采用的探放水布置方式雖然可滿足探放水以及疏排水需要，但是現(xiàn)在應(yīng)用過程中也存在鉆孔施工工程量大、鉆進(jìn)時(shí)間長以及鉆孔數(shù)量多等問題。由于6206 運(yùn)輸巷涌水主要來自于頂板裂隙水，探放水深度每次均為150 m，掘進(jìn)過程中預(yù)留50 m保護(hù)距離，即探測(cè)完成后每次允許掘進(jìn)長度為100 m。由于鉆進(jìn)數(shù)量多、工程量大等，探放水鉆孔在施工過程中存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、鉆進(jìn)精度不高、鉆孔鉆進(jìn)制約巷道掘進(jìn)，無法實(shí)現(xiàn)巷道安全高效掘進(jìn)的需要。為此，提出將定向鉆探技術(shù)應(yīng)用到巷道超前探測(cè)中，以便更好地滿足巷道掘進(jìn)以及防治水需要。

2 定向鉆探技術(shù)應(yīng)用分析

定向鉆探技術(shù)主要通過千米定向鉆機(jī)鉆進(jìn)鉆孔，并通過螺旋馬達(dá)為鉆進(jìn)提供動(dòng)力，同時(shí)，在鉆進(jìn)過程中使用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)定鉆孔鉆進(jìn)角度、軌跡、長度、方位角等，從而使得鉆孔按照預(yù)先設(shè)定軌跡鉆進(jìn)?，F(xiàn)階段礦井使用的定向鉆機(jī)鉆進(jìn)深度一般超過500m，鉆進(jìn)精度在95%以上。

現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)使用的千米定向鉆機(jī)型號(hào)為ZDY45000 型，配套有泥漿泵、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)等。

在6206 運(yùn)輸巷掘進(jìn)迎頭兩側(cè)布置鉆場(chǎng)，根據(jù)已有地質(zhì)資料顯示巷道掘進(jìn)前方存在有富水區(qū)域，該富水區(qū)域位于頂板上方45 m 左右，影響巷道掘進(jìn)長度約320 m。通過綜合分析決定布置4 個(gè)定向探測(cè)鉆孔，鉆孔孔深平均457 m，現(xiàn)場(chǎng)布置情況見圖1 所示。

圖1 定向鉆探鉆孔布置示意圖

布置的定向鉆孔開孔位于頂板下方1.8 m 位置、鉆孔開孔間距為1.5 m。

鉆孔在鉆進(jìn)至350 m 之前鉆孔角度設(shè)計(jì)為6°，鉆進(jìn)至350 m 以后將鉆孔傾角設(shè)計(jì)為3°。當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)至富水區(qū)后將鉆孔傾角降低至2°以內(nèi)。

6# 煤層頂板上覆基本頂為厚度6.7 m 炭質(zhì)泥巖、直接頂為厚度17.6 m 粉砂巖（賦存較為穩(wěn)定），鉆孔在穩(wěn)定巖層中鉆進(jìn)即可確保鉆孔穩(wěn)定。在6206運(yùn)輸巷施工的定向鉆孔封孔長度12 m。鉆孔采用變孔方式進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔段鉆孔孔徑分別為133 mm、153 mm，鉆孔擴(kuò)孔完成后轉(zhuǎn)入孔徑127 mm 孔口管，并使用水泥進(jìn)行封孔，具體鉆孔結(jié)構(gòu)見圖2 所示。

圖2 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

待鉆孔鉆進(jìn)完成后進(jìn)行耐水壓試驗(yàn)，水壓為2.4 MPa，耐水壓試驗(yàn)合格后在鉆孔上依次安裝泄壓閥、止水閥等設(shè)施，并繼續(xù)通過導(dǎo)向鉆進(jìn)行鉆孔，在定向鉆孔施工過程中隨時(shí)分析隨鉆測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)與鉆孔設(shè)計(jì)軌跡相比對(duì)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)鉆孔出現(xiàn)偏差后及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

在6206 運(yùn)輸巷采用定向鉆探技術(shù)后，探測(cè)鉆孔施工工程量以及耗時(shí)等均明顯降低。在頂板富水區(qū)域內(nèi)施工的定向鉆孔長度共計(jì)2 360 m，相對(duì)于傳統(tǒng)的探放水鉆孔而言定向鉆孔施工長度縮短3 700 m以上，鉆孔施工周期縮短13 d 以上，利用率大幅提升，有效降低了掘進(jìn)巷道超前探測(cè)作業(yè)強(qiáng)度。

巷道掘進(jìn)速度有所提升。相對(duì)于傳統(tǒng)的探放水工藝而言，巷道掘進(jìn)100 m 即需要施工超前探放水鉆孔，探放水鉆孔會(huì)占用巷道掘進(jìn)時(shí)間，受到超前探測(cè)鉆孔施工影響，巷道掘進(jìn)進(jìn)尺平均為160 m/月；采用定向鉆探技術(shù)后，巷道掘進(jìn)基本不受鉆孔鉆進(jìn)影響，巷道掘進(jìn)進(jìn)尺平均達(dá)到290 m/月，為巷道快速掘進(jìn)創(chuàng)造了良好條件。

探放水效率更高。在6206 運(yùn)輸巷掘進(jìn)迎頭位置施工的4 個(gè)定向探測(cè)鉆孔均為濕孔，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定水壓為0.9 MPa，期間排放水量為8 760 m3。探放水工作與巷道掘進(jìn)工作同步開展，有效提升了探放水效率。在6206 運(yùn)輸巷掘進(jìn)至頂板富水段區(qū)間時(shí)，巷道頂板僅有少量淋水，淋水量最大為0.3 m3/h，頂板淋水不會(huì)給巷道掘進(jìn)帶來影響。

4 結(jié)語

水害是制約礦井生產(chǎn)安全的不利因素之一，超前探測(cè)是降低水害影響的主要措施之一?，F(xiàn)階段礦井普通鉆機(jī)施工的超前探放水鉆孔孔深一般在200 m以內(nèi)，巷道掘進(jìn)過程中需要頻繁地施工探放水鉆孔，存在探放水鉆孔勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率底等問題。

定向鉆探使用定向鉆機(jī)、測(cè)量系統(tǒng)等不僅可提高鉆孔施工進(jìn)尺、鉆進(jìn)效率，而且可實(shí)時(shí)掌握鉆孔位置，從而有效避免鉆探空白區(qū)。在6206 運(yùn)輸巷掘進(jìn)位置布置4 個(gè)定向鉆孔進(jìn)行超前疏排，現(xiàn)場(chǎng)共計(jì)排放8 760 m3頂板積水，同時(shí)探放水鉆孔施工不會(huì)影響巷道掘進(jìn)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，6206 運(yùn)輸巷掘進(jìn)過頂板富水區(qū)域時(shí)頂板淋水量控制在0.3 m3/h，頂板淋水不會(huì)給巷道掘進(jìn)帶來安全威脅。