定向钻进技术在煤矿地质防治水工作中的应用

定向钻进技术在煤矿地质防治水工作中的应用

葛延皓 陈德洪

运河煤矿 山东 济宁， 272155

摘要:水害是制约矿井生产安全的不利因素之一，井下出现突水严重时会造成严重的人员伤亡及财产损失，因此根据矿井实际情况针对性开展防治水措施对确保矿井生产安全具有重要意义。现阶段矿井水害治理措施主要有疏、堵两种类型，疏主要为钻孔排放水;堵主要为注浆封孔，存在成本高问题。在井下疏排水钻孔或封堵钻孔施工过程中采用的普通回转钻机，存在施工精度低、钻进距离短等问题。近些年来，以螺杆马达结合随钻测量技术的精准定向钻进技术在矿井瓦斯治理、地质勘探中应用逐渐增加。本文主要对精准定向钻进技术及使用的机械设备、施工要点及在矿井水害防治中的应用效果进行阐述，以期能为其他矿井水害防治工作开展提供一定借鉴。

关键词:煤矿水害;定向钻进;疏排水钻孔;泄水巷

1工程概况

某矿开采的6号煤层水文地质条件复杂，水害是制约矿井开采的不利因素。受到煤层瓦斯治理以及水害治理因素影响，矿井采掘接替局面十分紧张。现阶段矿井正在5608综采工作面切眼布置综采设备，但是由于泄水巷仍有180m的专用泄水巷未掘进完成，一旦工作面采面回采过程中出现涌水，势必会给矿井带来显著的人员及财产损失。若等泄水巷掘进完成后再进行采面回采则需要耗时接近2个月，期间矿井无煤可采。因此，为了解决上述问题，矿井决定在泄水巷端头布置4个精准定位钻孔代替泄水巷进行疏排水。针对5608综采工作面泄水巷施工进度难以满足采面需要问题，采用精准定向钻孔代替泄水巷来对采面水害进行治理。并详细对精准定向钻孔施工设备、施工要点及流程等进行阐述。现场应用后，精准定向钻孔显著降低了采面水害治理耗时，提升了施工效率。精准定向钻孔钻进技术在井下水害防治中具有显著的优势。

2精准定向钻进施工技术

2.1 钻进机械设备

该技术是通过螺杆马达结合随钻测量系统对钻孔钻进轨迹进行调整，钻孔每钻进3m即发送一次钻孔方向角、倾角及工具面向角(螺杆马达弯角)，通过计算得到钻孔空间轨迹。在钻进过程中通过调整螺杆马达弯角来达到调整钻进轨迹的目的。现阶段矿井井下定向钻孔施工采用的钻机型号主要为ZDY4000LD/ ZDY6000LD(F)/ ZDY12000LD等，配套采用YHD2－1000随钻测量系统、Φ73mm/89mm钻杆、FMC260/390/460泥浆泵以及Φ98mm/120mm钻头。

2.2 钻孔设计及施工技术要点

相对于普通钻孔而言，精准定向钻孔具有转进深度大、覆盖范围广、轨迹可调等优点。为了便于钻进过程中排渣钻孔在设计时应设计成具有一定仰角的近水钻孔;调整钻孔钻进角快速进入到钻进目标岩层，并尽量在目标岩层中钻进从而提升钻遇率;采用水平分支开孔提升钻孔覆盖范围。采用精准定向钻进技术可降低井下钻场施工量以及钻孔施工工程量，并大幅度提升钻孔有效探测范围。在钻孔钻进开孔后应按照探放水钻孔施工要求在孔口布置止水套管，止水管下放至稳定岩层内15m以上。钻孔每钻进3m测量一次钻孔轨迹，若出现偏差即通过螺杆马达调整钻孔钻进方向。

2.3 钻孔施工流程

具体精准定向钻孔施工流程见图1，根据设计的开孔方向角、倾角固定钻机。当设计的精准定向钻孔孔深超过500m时应布置地锚索固定钻机。采用钻机施工73mm钻孔钻进至稳定岩层15m后，将钻孔扩孔至153mm;在钻孔内下方孔径127mm套管，注浆封孔48h后进行耐压测试;耐压测试合格后在孔口位置安装止水阀、防喷器、泄压排水三通等装置;在钻孔内放入螺旋钻具并安装逆止阀后开始钻孔定向钻进;在钻进过程中应分析比对钻孔设计轨迹与实际轨迹间偏差，并进行动态纠偏;钻孔钻进至目标岩层后认真观察，记录钻孔返水情况，一旦钻孔返水量过大则应按照预先制定的方案进行排水工作，并结合已钻进深度判定停钻或继续钻进。

图1精准定向钻孔施工流程

3现场应用分析

对矿山资源进行建设和开发期间，由局部地下水位比较充足的地方对其进行建设开发，需要对充足地下水位开展抽取排除操作，以便达到矿山开采的要求。然而很多地下水位的抽取排除就会导致这个地区的地下水位下降，很大程度上会使地下水系统受到损坏，甚至严重情况会由于缺少地下水支撑，导致地质环境受到不均衡影响而造成地表塌陷情况，同时也会出现地面缺水干枯等现象另外，矿山建设和开发过程中，也存在矿山矿井和地下暗河等相互连通的问题，导致地下水资源流入到巷道内，对于矿山开采的工作造成不利影响。其次，地下水并不是纯净水，在这些地下水当中掺杂着非常多的泥、沙等杂质，其会随着地下水资源流入到井内或者巷道内的缝隙和设备当中，导致巷道出现堵塞，影响设备正常使用的情况。

施工的精准定向钻孔全程下套管护孔。根据已经水文地质可知靶点巷道端头(4.0m×3.6m)中心点与精准定向钻孔开孔点间垂距为33m，右侧偏移距为26m，靶点与开孔位置相距170.6m。钻孔钻进需要穿越的岩层以细砂岩、泥岩为主，岩层赋存相对稳定。为了达到预先设定的排水能力，设计4个孔深分别为174.2、175.6、175.3、213.9m精准定位钻孔，其中1号～3号钻孔均钻进至巷道迎头位置，4号钻孔钻进至巷帮，钻孔孔径均为153mm。在井下采用的钻机型号为ZDY6000LD、泥浆泵型号为FMC460、Φ73mm螺杆马达(调节角1.25°)、Φ73mm钻杆以及配套的随钻测量系统。1号～4号钻孔均按照12°仰角布置，各钻孔方向角相差3°，钻孔开孔后按照预先设定倾角快速爬升，钻孔钻进深度达到100m后缓慢降低仰角。待与预先设定的靶点对穿前将钻孔倾角降低至1°～3°。在钻孔钻进过程中每隔3m测量一次钻孔钻进方位角、倾角等参数，出现偏差后及时进行调整。最终1号～3号钻孔均顺利穿过巷道迎头，具体设计对穿点与实际对穿点偏差分别为0.95、0.37、0.31m;4号钻孔顺利对穿巷道侧帮。待钻进完成后，依次扩孔至133mm、153mm，采用回拖方式在钻孔全程套管(孔径127mm)。相对于掘进泄水巷，精准定向钻孔可降低大量的巷道掘进时间及投入，可降低泄水对采面回采影响，确保5608综采工作面可按照预先设计时间回采。在5608综采工作面回采期间，布置的4个精准定向钻孔排水量可达26m3/h，排水能力可满足采面生产需要。

4结语

精准定向钻孔由于施工精度高在矿井水害防治、瓦斯治理以及地质勘探中应用逐渐广泛。文中就对精准定向钻孔施工机械设备、施工技术要点以及施工流程进行分析基础上，以5608综采工作面泄水巷为工程实例，对精准定向钻孔现场应用进行分析。结果表明，采用精准定向钻孔进行矿井水害防治可显著降低生产成本、提高矿井水害防治效率。

参考文献:

［1］刘明军.长距离定向钻进精准探测断层技术研究［J］.煤炭技术，2020，39(7):73-76.

［2］南建华.定向钻孔探测技术在煤矿防治水的应用［J］.陕西煤炭，2019，38(3):138-140.

［3］郝世俊，彭旭.煤矿井下长距离大垂距定向钻进工艺精准透巷技术研究［J］.煤炭科学技术，2019，47(5):47-52.

［4］孙晓宇，田乐，安许良，等.定向钻探注浆技术在煤矿水害防治中的应用［J］.建井技术，2019，40(2):17-21.

［5］石浩.精准定向钻进技术在煤矿水害治理应用［J］.煤炭工程，2018，50(3):75-78.