恒昇煤业井下定向钻技术对探查矿井边界9+10#煤层赋存情况中的应用

恒昇煤业井下定向钻技术对探查矿井边界9+10#煤层赋存情况中的应用

刘銮奎

安徽省皖北煤电集团临汾天煜恒昇煤业有限责任公司

单位省市：山西省临汾市

单位邮编：041000

摘要：随着我国煤矿产业的快速发展，矿井地质勘探的重要性日益凸显。煤矿井下定向钻进技术在矿井地质勘探中的应用，对于了解矿井内煤炭资源分布、地质构造及水文地质条件具有重要意义。本文以恒昇煤业为例，分析了井下定向钻技术在探查矿井边界9+10#煤层赋存情况中的应用，以期为我国煤矿行业提供有益的借鉴。

关键词：煤矿井下；定向钻进技术；矿井地质勘探

1. 工程概况

恒昇煤业共有四个采区，一、二采区已开采结束，目前生产采区为三采区。历史原因，三采区上覆2#煤层存在多个小窑井口（现已封闭），其北部井田边界相邻山西煤炭运销集团蒲县昊锦塬煤业有限公司。靠近井田边界区域内煤层赋存和水文地质情况不清，对于是否存在越界开采9+10煤层以及小窑水文地质情况未知的情况下，对后续工作面的正常掘进布置存在不确定性。因此，该矿急需探明该区域9+10煤层赋存情况及其水文地质情况，为合理布置该区域工作面提供可靠的地质及水文地质基础资料。

2. 定向钻技术对探查矿井边界9+10#煤层赋存情况中的应用

2.1勘查工作区域

勘查区域主要位于三采区东北部，根据已掌握资料，龙祥煤业开采2号煤层，9+10号煤层未开采，庆祥煤业2号煤层已采完，9+10号煤层布置有巷道，但未开采，故原庆祥煤业可能存在一定量的老硐积水。根据昊锦塬煤业充水性图，紧靠该矿三采区北部存在一处XCKQ-1物探推测采空区（250×800m2），采空区内存在XJSQ-1（面积9247m2）和XJSQ-2（面积5240m2）两处地面物探积水异常区。另外，三采区东北部井田边界外为昊锦塬煤业的缓采区4（500×650m2），该矿与昊锦塬煤业矿界留设了20m的井田保护煤柱。

2.2勘查方法及工程布置

2022年8月7日开始组织钻探设备运输入井，8月20日钻机到位开始安装施工，截止2022年9月24日完成钻孔施工。实际施工工期35天，超前5天完成施工（工期计划40天）。其关键施工主要有以下几方面：

2.2.1定向施工原理

煤矿坑道近水平定向钻进技术是钻探工程领域的一项新技术、新工艺。使用这一技术，螺杆钻具进行造斜时,与随钻测量系统联合使用,可实时监测孔底钻具的造斜情况，通过调节螺杆钻具的姿态，对钻孔倾角和方位角的实时调节实现对钻孔轨迹的精确控制，保证钻孔轨迹在目的层中有效延伸，并可进行多分支钻孔施工，具有钻进效率高、一孔多用、集中抽采等优点，现已成为国内外瓦斯高效抽采的主要技术途径，并广泛应用于地质构造探测和探放水等领域。

为了掌握螺杆钻具造斜钻进的控制方法，需熟悉工具面向角对倾角变化和方位控制的影响。工具面向角对倾角的影响如图所示，当工具面位于Ⅰ、Ⅳ象限时，其效应是增斜的；当工具面位于Ⅱ、Ⅲ象限时，其效应为降斜的。若工具面向角Ω=0°或180°，则其效应是全力造斜上仰或全力降斜。弯接头螺杆钻具组合的工具面向角对钻孔的方位也有着显著影响，如图所示，当工具面位于Ⅰ、Ⅱ象限时，其效应是增方位的；当工具面位于Ⅲ、Ⅳ象限时，其效应为降方位的。若工具面向角Ω=90°，则为全力增方位；若Ω=－90°（即270°），则为全力减方位。当然要准确地控制方位，重要的一点是定量控制工具面向角，但由于停泵才能对工具面向角进行测量，造成反扭角改变，使测量值与实际值出入较大。所以在施钻过程中，每次调节完工具面向角后，反复拉动钻具以释放反扭力，使工具面调节值尽量接近与实际工具面值。减少发扭矩对钻孔轨迹控制的影响。

2.2.2钻孔施工的技术参数

设计2个主孔钻孔，每个主孔设计3-5个分支孔，钻孔深度300--450米，分支孔用于探查煤层顶底板，探明煤层赋存情况。根据钻孔施工情况，对于探明的小窑积水区，可增加分支孔对其疏放水。钻孔设计的具体参数如表1所示。

表1钻孔设计参数表

2.2.3钻孔施工流程及工艺

（1）移机定位

首先，对于钻机所在地点的顶板以及钻机计划移到位的顶板进行敲帮问顶，检查施工地点10m范围内巷道支护情况，有掉渣危险的顶板事先进行处理，确保无安全隐患后方可进行移钻。其次，在钻机行走移动前应确认机体周围无影响本机运行的器械、物件，不会伤害机外的有关作业人员。钻机电缆等电器设备的拆除必须有专业人员进行操作，不允许无关人员私自操作。

钻机在工作面范围内运行时，应控制好运行速度并注意底板凹凸障碍状况，防止设备倾覆损坏或人员伤亡，电缆与本机连接应牢固、可靠。

钻机在工作面位置确定后，应确认设备是否稳定，并将支撑油缸可靠地支撑在巷道顶上。在调整推进机构时应控制好动作速度，要注意推进机构周围是否有其他工作人员或是否会伤及钻机其它构件，推进机构位置调好后，各有关油缸液压锁紧机构固定应确保正常、有效、否则必须停机。多余的电缆必须用电缆勾吊挂整齐，严禁使用铁丝进行吊挂。

（2）开孔和扩孔

移机定位完成后即可进行开孔扩孔操作，ZYL-6000D钻机使用ф94mm打钻钻头和普通钻杆采用旋转钻进方式直接开孔，然后用ф153mm扩孔钻头和普通钻杆旋转扩孔，再用ф203mm扩孔钻头和普通钻杆采用旋转钻进方式直接扩孔，开孔段长度10.5米。

（3）封孔下套管

根据规定封孔长度不小于10m，考虑水头值本次止水套管封入长度为24m。固管时使用水泥标号不低于525#，无变质、结块现象，采用0.5：1水泥浆封闭固结，48小时后进行耐压试验。耐压试验经验收合格后安装好法兰盘、水压表、防水闸阀及反喷装置（抗水压3MPa），做好防突水准备后，改用Φ94mm孔径开始钻进。

（4）钻孔施工

校正弯头方向：a.将孔内马达放入孔内并连接孔底工具钻杆。b.退回钻杆使弯头方向标记露出孔外并将弯头方向设置为360度。c.进行一次检查测量以确认弯头方向为360度。d.加上钻杆直到孔内马达、孔底工具以及铜钻杆全部进入孔内。

开新孔操作：a.将孔内马达送入已扩好孔的孔底，启动水泵，待孔中返出水，确认返渣正常后，用孔内马达钻进至9米处。b.按复位按钮进行检查测量，记录方位角读数。c.按测量进行第一次测量。记录数据。

正常钻进操作：a.每3米进行一次测量，与设计轨迹进行对比，根据位移情况决定弯头方向的调整策略。b.钻进过程中钻机操作人员必须精神集中，严防误操作导致的设备损伤或人员伤亡。c.接钻杆时应保证钻杆内清洁无杂物，丝扣上抹黄油，钻杆的连接弹簧应与母扣端触点对准，严禁使用弯曲、变形及损坏的钻杆。d.钻进过程中如遇垮孔或卡钻、水压突然升高等异常现象，应立即停钻，查明原因，根据情况采取相应的应对措施，必要时应将钻杆及时撤出至安全位置，严防钻杆卡在孔内。e.如遇特殊情况无法处理，应将钻杆退至安全位置后及时和有关部门联系，共同协商解决、处理办法，保证钻机正常工作。f.当钻场瓦斯浓度达到0.8%时或涌水异常，必须停止钻进，进行处理或注浆。j.每班工作结束将数据存入拇指U盘携带上井，交项目部保存。

（5）完孔

当钻孔施工至设计深度后，应进行一次洗孔，以确保退钻顺利和通道畅通，完孔后应及时对终孔参数进行处理后及时输入数据库，将钻孔轨迹及时填绘在相关图纸。

（6）撤钻

钻孔施工完毕后将钻杆全部退出，卸下孔底马达。断开地锚与钻机之间的联接。退出钻杆后，如果钻孔出水，连接高压软管引入排水系统，如果钻孔无水，用U型管封堵。

结 语：

综上所述，本文主要介绍了钻孔施工的设计、流程及工艺，重点探讨了钻孔轨迹控制的影响。通过合理的设计和精细的施工，可以有效地探明煤层赋存情况，为煤矿安全开采提供数据支持。

参考文献：

[1]王耀民.煤矿井下定向钻进减阻技术研究与应用[D].北京:煤炭科学研究总院,2022.

[2]钟明.霄雲煤矿井下突水定向井钻孔堵水施工技术及注浆方法[J].山东国土资源,2022,38(3):53-58.