定向鉆孔超前探測底板水技術在陜西某礦的應用

何 穎，金 鑫，郭 輝

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710077）

定向鉆孔超前探測底板水技術在陜西某礦的應用

何 穎，金 鑫，郭 輝

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710077）

隨著定向鉆進技術在煤礦井下防治水工程中的逐步推廣，施工防治水定向鉆孔更有利于煤礦的安全生產。結合陜西某礦地質情況，闡述了定向鉆進技術施工防治水鉆孔的工藝方法。實踐證明，定向鉆孔可以準確地探測出目標區域的含水信息，完全滿足礦區防治水要求，為煤礦安全開采提供了保障。

定向鉆孔；水害；精確探測；定向鉆進

Abstract：As the directional drilling technology in the project of the prevention and control of the coal mine water gradually promotion，the construction of directional drilling for prevention and control of water is more advantageous to the safety production of coal mine.Combined with the geological condition in certain coal mine of Shaanxi，the technological method of preventing and controlling water hole drilling in directional drilling technology is expounded.The practice proves that by means of the directional drilling，water information of target area may be accurately dectected，which meets requirements of water prevention and control in mine and provides security for safety production.

Key words：directional borehole；bursting hazards；accurate detecting；directional drilling

隨著煤礦井下定向鉆進技術的不斷發展，定向鉆進技術已經廣泛應用于煤礦井下瓦斯抽采、地質異常區超前探測、采空區防滅火、煤礦井下防治水等方面，并取得了多項成果[1-2]。近幾年來，國內各大煤礦企業利用定向鉆進技術實時測量控制鉆孔軌跡、精確探查目標區域、施工工程量較小、探查盲區范圍小、鉆場布置較少、施工人員勞動強度低、施工周期短、效果明顯等優點進行礦區區域水害探查。特別是在進行水體儲量較大、水源補給關系復雜、地質資料缺乏的底板水探查中，傳統的常規回轉鉆進技術進行底板水害治理時存在施工工程量大、鉆孔深度較小、施工周期較長等問題，難以實現高效精確探放[3-4]。而施工定向鉆孔提前探查底板水可以解決上述難題，提前治理煤層底板，降低煤礦底板水害威脅，亟待大力推廣應用。

1 礦區地質概況

礦區主采煤層之一的11號煤，其底板主要有石英砂巖、砂巖和鋁土質泥巖組成，厚度為8.73～18m，平均厚度約為13.4m。底板以下為奧陶系灰巖，其中奧灰巖層頂部為峰峰二段含水層。本段巖層為深灰、灰黑色厚層灰巖，致密堅硬且質純，厚度0～44.31m，屬于強含水層段，巖溶裂隙及小溶洞發育，其富水性和透水性相對較強，巷道在采掘過程中存在奧灰突水危險。

桑樹坪煤礦區域含水層劃分為第四系砂礫層孔隙潛水中等含水層組、二疊系砂巖層裂隙承壓弱含水層組、石炭系砂巖（灰巖）裂隙承壓極弱含水層組和奧陶系灰巖巖溶裂隙承壓強含水層組。桑樹坪煤礦在建井歷史上曾發生9次奧灰突水事故，其中2011年“8.7”突水事故最為嚴重，突水量最大達到6 580m3/h，造成礦井淹井，說明桑樹坪礦奧灰巖層的富水性強，突水危害性巨大。

2 定向鉆孔精確探查底板水技術

精確探查底板水需要以成熟的煤礦井下隨鉆測控技術為依托，通過對施工定向鉆孔的軌跡進行隨鉆測量和精度控制，達到精確探測已知含水區或驗證存疑含水區的目的，探測完成的鉆孔可用于探查底板水。

定向鉆孔采用煤礦井下定向鉆機及由螺桿馬達、無線隨鉆鉆具、探管及定向鉆頭等組成的定向鉆具組合進行施工，利用測量探管對鉆孔軌跡和螺桿馬達工具面的實時監控結果，通過調整螺桿馬達的工具面向角，精確控制鉆孔實鉆方位角和傾角，達到精確中靶的目的[5]。

3 底板水定向鉆孔設計要求

1）鉆孔數量涉及合理，盡量覆蓋目標區域，達到探查地層底板含水情況的目的。

2）鉆孔軌跡設計合理，確保精確探測目標層位，并在目標層位中延伸。

3）鉆孔套管設計合理，滿足防治水規范中的耐壓要求，確保施工人員安全。

4 底板水定向鉆孔鉆探裝備

精確探查底板水所需的定向鉆進裝備主要由履帶式全液壓坑道鉆機、泥漿泵、隨鉆測量系統、中心式通纜鉆桿、螺桿鉆具等組成[6]。具體見表1。

表1 定向鉆進裝備

5 底板水定向探查鉆孔鉆探工藝

5.1 定向鉆進工藝技術

定向鉆進工藝流程如圖1所示。

5.2 回轉開孔工藝技術

一開開孔段：Φ98mmPDC鉆頭+Φ73mm普通鉆桿串，鉆進至孔深6m；一級擴孔段：Φ98mm/Φ153mmPDC鉆頭+Φ73mm普通鉆桿串，擴至設計孔深。二級擴孔段：Φ153mm/Φ193mmPDC鉆頭+Φ73mm普通鉆桿串，擴至設計孔深。開孔及擴孔鉆進中，為確保套管順利下入孔內，要求鉆孔軌跡要平直，孔內沉渣少。

5.3 定向鉆進工藝技術

定向造斜及穩斜段鉆具組合形式為：Φ98mm全面鉆頭+Φ73mm螺桿馬達+Φ73mm上無磁鉆桿+Φ73mm隨鉆測量儀器+Φ73mm下無磁鉆桿+Φ73mm通纜鉆桿。考慮到使用的螺桿馬達造斜能力，以及通纜鉆桿彎曲強度，設計1.25°造斜強度為1（°）/3m。通過不斷調整螺桿馬達的彎頭朝向，進而調整鉆孔軌跡，達到精確探測的目的。

圖1 定向鉆進工藝流程

6 工業試驗

采用定向鉆孔超前探查底板水技術，在陜西某礦某工作面進行現場工業性試驗。試驗中在1個工作面及4條巷道設計了10個定向鉆孔，總進尺為4 044m，鉆孔最大出水量為400m3/h。（鉆孔剖面如圖2所示，具體試驗結果見表2）。試驗結果表明，定向鉆孔超前探測底板水技術可以對探查區域進行全面覆蓋，軌跡可控，效果明顯，為礦區11號煤層底板治理提供了保障。

圖2 防治水定向長鉆孔孔身結構設計示意圖

表2 定向鉆孔試驗結果

7 結論

煤礦井下定向鉆孔超前探測底板水技術的應用效果良好，鉆孔最大出水量為400m3/h，為礦區11號煤層開采及巷道掘進提供了可靠信息，該技術在陜西某礦區的成功應用促進了無線隨鉆測量定向鉆進技術的推廣，也為煤礦井下底板水害探查提供了技術支撐。

[1] 姚寧平.我國煤礦井下近水平定向鉆進技術的發展[J].煤田地質與勘探，2008，（4）：78-80.

[2] 石智軍，許超，李泉新，等.隨鉆測量定向鉆進技術在煤礦井下地質勘探中的應用[J].煤礦安全，2014，（12）：137-140.

[3] 白剛，段會軍，王慶.定向鉆進技術在煤礦采空區防滅火工程中的應用[J].煤礦安全，2016，（6）：132-135.

[4] 方俊，曹明，王繼承.定向長鉆孔超前探查頂板水技術在棗泉煤礦的應用[J].煤炭工程，2016，（7）：56-59.

[5] 趙祥龍，金鑫.水平定向孔探放煤層頂板砂巖水技術及其應用[J].煤礦機械，2016，（5）：135-137.

[6] 金鑫，楊忠，馮武宏.煤礦井下硬巖定向鉆進PDC鉆頭選型及試驗分析[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2015，（5）：77-79.

Application of Accurate detecting with Directional Borehole for Floor Water in certain Coal Mine of Shaanxi

He Ying，Jin Xin，Guo Hui

TD745

A

1003–6490（2017）09–0048–02

2017–06–20

何穎（1988—），女，新疆哈密人，助理工程師，主要從事探礦工程及鉆探裝備技術研究及管理工作。