井下定向钻探技术在陕北侏罗纪煤田顶板疏放水工程中的应用

井下定向钻探技术在陕北侏罗纪煤田顶板疏放水工程中的应用

刘浪,许聪,张扬,邓博

陕西省煤层气开发利用有限公司  陕西西安  710000

摘要：柠条塔煤矿位于我国西北侏罗系裂隙水害区域，矿井受顶板水害威胁严重，对工作面安全回采构成一定威胁。目前陕北侏罗纪煤田矿井主要采用井下传统的普通钻进技术进行顶板水害预防治理，但传统的顶板疏放水施工工艺还存在钻场数量多工人劳动强度大，作业时间长对巷道影响较大，施工盲目性大疏放水效率低等问题。采用定向钻探技术施工顶板探放水钻孔，能够立体疏放顶板直罗祖含水层水，提高探查精度，钻探工程量减少，增加泄水通道，提高泄水效果。通过S1210工作面顶板水的立体疏放，疏放效果明显，确保了S1210工作面的安全回采。

关键词：顶板水；定向钻探 ；工作面

0引言

柠条塔煤矿在工作面回采过程中，导水裂隙带将沟通延安组含水层及直罗组含水层，侏罗系中统直罗组承压含水层砂岩水、延安组碎屑岩类裂隙承压水将通过导水裂隙可直接进入工作面，增大工作面涌水量，对工作面安全回采构成一定威胁。

传统的顶板疏放水施工工艺还存在钻场数量多工人劳动强度大，作业时间长对巷道影响较大，施工盲目性大疏放水效率低等问题。采用井下长距离定向钻探代替传统工艺来治理矿井顶板水害。与传统的顶板疏放水工艺相比，井下定向钻探能够降低钻场数量，提高钻孔探查精度，并准确计算出含水层的空间位置，减少劳动强度，实现高效的疏放水效果，为矿井提供安全、可靠的生产环境。与传统的顶板疏放水工艺相比，采用井下定向钻探可以降低成本，具有一定的技术和经济优势。

1工作面概况

柠条塔矿区属于属于神府矿区南区的一部分，是国家在神府矿区南区总体规划的四个井田之一，S1210工作面位于矿井一水平西南部，工作面回采长度为5900m，宽度为300m,工作面回采范围内2-2煤煤层平均厚度为4.32m，在工作面回采过程中侏罗系中统直罗组承压含水层砂岩水、延安组碎屑岩类裂隙承压水将通过导水裂隙可直接进入工作面，增大工作面涌水量，对工作面安全回采构成一定威胁。

2 水文地质条件

导水裂隙带内含水层有直罗组风化基岩裂隙承压含水层及延安组砂岩承压含水层共二层含水层。

（1）直罗组风化基岩裂隙承压含水层厚度14.7~49m，平均厚26m。 其岩性由一套黄绿色、灰绿色中粗粒砂岩、砂质泥岩及粉细砂岩组成。含水层底部为中粗粒含砾长石砂岩，厚层状，泥质胶结，底部偶有0.50~1.0m砾岩，结构疏松，孔隙度增大，岩石透水性增强，裂隙较发育。直罗组风化基岩含水层富水性及连通性极不均匀，富水性弱~中等。

（2）2-2煤层上覆延安组层段含水层，厚度21.75～114.13m，平均66.5m。本组地层为一套灰白色中细粒砂岩，青灰色粉砂岩及砂质泥岩为主。本含水层富水性弱，渗透性差，为一极弱含水层。

3工作面顶板疏放水工程定向钻孔设计

3.1定向钻孔轨迹设计

S1210工作面形成后，先对工作面顶板进行了井下物探工作，以查清工作面顶板砂岩含水层富水异常区的分布范围、特征及相对强弱。针对物探异常区域，确定定向钻孔终孔位置。用定向钻探查明S1210工作面导水裂隙带范围内直罗组及延安组的富水状况，并对其进行预疏放，降低工作面涌水强度。

定向钻孔平面设计轨迹示意图如图1所示，钻孔设计参数如表1所示。

图1钻孔设计平面示意图

表1S1210工作面探放水钻孔设计参数

根据《煤矿防治水细则》第四十八条规定，在岩层中探放水预计水压小于1Mpa时，钻孔止水套管长度应大于5m。结合施工区域地质资料分析，预计钻孔静水压力小于1Mpa，止水套管长度取7.5m。

探放水钻孔为二级结构，即一开Φ152mm钻头开孔，下入Φ133mm×7.5m止水套管，二开为Φ94mm钻头钻进，直接钻进至钻孔终孔。钻孔结构示意图如图2所示。

                          图2 钻孔结构示意图

4定向钻探设备及工艺

  4.1定向钻进设备

本次定向钻探设备选用山东九商工程机械有限公司ZYL-6000D 型煤矿用履带式 全液压定向钻机，钻孔钻进系统是由矿用履带式全液压定向钻机、专业测量仪器及定向钻具组成。装备参数如表3所示。

表3 定向钻探设备参数

钻探用钻具组合 ：一开用Φ94 mmPDC 钻头+Φ73 mm 普通钻杆，然后扩孔 用Φ152 mmPDC 钻头+Φ73 mm 普通钻杆。二开用Φ94 mmPDC 定向钻头+1.5°螺杆马达+无磁钻杆+测量仪器+无磁钻杆+Φ73 mm通缆定向钻杆。钻具组合连接方式如下图3。

图 3钻具组合图

4.2钻进工艺流程

采用的钻进工艺为传统的滑动定向钻进，滑动定向钻进过程中，钻头回转碎岩动力仅由泥浆泵提供，钻头和螺杆马达转子转动，定向钻机仅向钻具施加钻压，钻具其他部分只产生轴向滑动，螺杆马达工具面可保持一个稳定的方向，从而实现钻孔轨迹连续人工控制。同时采用随钻测量装置对钻孔轨迹参数进行实时测量，从而掌握钻孔实时轨迹，通过调整螺杆马达工具面，保持钻孔轨迹与设计轨迹一致。

5施工情况

施工时首先施工切眼附近的探放水钻孔，确保工作面初采初放期间的安全；然后对异常区的探放水钻孔进行施工，以验证并疏放物探圈定的富水异常区；最后，根据钻孔出水情况，对顶板水钻孔进行调整优化，以查明并探放工作面上覆各含水层的富水状况。

共完成钻孔6个，总工程量5140m，最小出水量40m³/h，最大出水量80m³/h，总出水量352m³/h。具体钻孔情况见以下表格：

表4顶板水探放工程成果表

根据已施工的6个钻孔疏放水初期钻孔水量，截止2022年11月2日S1210工作面疏放水情况如表5所示。

表5柠条塔煤矿S1210工作面探放水工程钻孔涌水量一览表

从2022年10月07日开始进行切眼处疏放水工作开始，截止2022年11月02日，所有钻孔累计涌水量为352m3/h，截至2021年11月02日累计疏放水量78464.4m3。从钻孔涌水量变化情况来看，基本大幅衰减，水量明显变化。

通过本次工程对老顶初次垮落范围内的顶板砂岩及直罗组含水层水进行提前疏放，以减轻垮落区范围内顶板静储量水对工作面的威胁，同时，各钻孔继续疏放能够对进入工作面的顶板水量起到“削峰平谷”的作用，以防顶板水瞬间大量涌入工作面，并减轻矿井排水系统负担。

6结语

（1）通过采用定向钻孔立体疏放煤层顶板砂岩水，降低钻场数量，提高钻孔探查精度，并准确计算出含水层的空间位置，减少劳动强度，实现高效的疏放水效果。

（2）工作面回采期间的主要充水水源为煤层顶板导水裂缝带范围内两层含水层，放水试验结果表明，上述二层含水层可疏性较强，具备疏放条件，通过疏放水钻孔对其静储量进行有效疏放，实现“消峰平谷”，使采后涌水平稳泄出，是工作面防治水的科学之路。

（3）定向顶板钻孔累计疏放水量78464.4m3,钻孔涌水量大幅衰减,水量明显变化,含水层基本疏干，疏放效果显著，确保了工作面的安全回采。

参考文献：

[1]邢佳佳.定向钻探技术在煤矿探放水施工中的应用[J].机械管理开发,2022,37(09).

[2]王斌.煤矿防治水定向钻探技术应用分析[J].能源与节能,2021,(08):204-205.

[3]向军文.定向钻探技术应用现状及发展趋势[J].矿床地质,2012,31(S1):1097-1098.

[4]邵红旗,王建文,徐拴海,谷拴成.侏罗纪煤田顶板疏放水钻探设计方法探讨[J].矿业工程,2014,12(06):59-61.

[5]段会军.东胜—神府矿区煤层顶板水害预测及防治[J].能源与环保,2018,40(04):22-26.

[6]刘卫卫.工作面顶板水立体疏放长短钻孔钻进技术[J].煤炭技术,2020,39(12):106-109.