井下隨鉆測量定向鉆進技術在方山店坪煤礦應用研究

李曉璐

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司，山西 呂梁 033102）

當前煤礦井下定向鉆孔施工過程中，完成鉆孔軌跡的實時測量是確保鉆具依照設計鉆孔軌跡延伸的關鍵[1-2]。隨著我國煤礦綜合機械化采煤技術的飛速進步，煤礦安全生產對井下勘探孔等技術的要求也越來越高。隨鉆測量技術作為一種相對來說比較新型的鉆進工藝形式，其能夠在鉆進的同時完成各種鉆井參數的持續實時測量，擁有更高的精度以及更快的鉆進速度，是目前煤礦井下鉆孔施工中急需的礦井測量技術[3-4]。

方山店坪煤礦位于山西省呂梁市方山縣大武鎮王家莊村一帶，行政區劃屬方山縣大武鎮管轄。試驗鉆場布置在9-2072巷，9-2072巷位于+830m水平南翼二采區右翼，東與+830m水平南翼軌道巷相通，西至井田邊界，南為實體煤，北與9-2092巷相鄰（幫至幫間隔246m），上部為+900m水平5#煤可采煤層，根據+900m水平5#煤開采情況，9-2072巷工作面上部5#煤層為實體煤，9#煤與5#煤層間距為60～65m。9-2072巷主要擔負著9-209工作面回采期間進風，9-207工作面回采時回風、運輸、行人，同時在9-207工作面回采期間留巷為9-205工作面回采服務。9-2072巷設計全長1314m，現已施工152m，剩余1162m。9-2072巷現施工位置位于9-2072系統巷B#導線點前99m，以270°方位角沿9#煤頂板施工1162m（中-中）到達切巷位置。

1 隨鉆測量定向鉆進系統的組成

本次定向鉆進系統使用山西省煤炭地質勘查研究院研制YHD1-100型礦用隨鉆測量定向鉆進系統，是專門針對山西區域煤礦井下定向鉆孔施工狀況研發的。系統包含上/下無磁鉆桿、測量探管以及孔口監視器等設備，用于滿足水平定向鉆進的測量及控制。見圖1。

圖1 隨鉆測量系統連接示意圖

測量探管作為定向鉆進歷程中測量系統的關鍵部分，其裝配于近鉆頭的無磁鉆桿內以完成實時采集鉆具姿態參數的任務，隨之經過通訊電纜把獲取到的數據傳輸至孔口監視器，操作人員能夠依照得到的測量數據以及鉆孔軌跡及時完成工具面向角的調節，進而控制鉆孔軌跡[5]。

煤礦井下定向鉆孔的施工狀況相對于非開挖等地面定向鉆進來說有所區別，為了能夠相對更好地運用隨鉆測量定向鉆進技術，完成對其運用的工作環境及技術條件的研究，需注意以下內容：

（1）工作環境：一般情況下煤礦井下的溫度在0～40℃區間內，為了在很大程度上確保其擁有相對較高的可靠穩定性，擇取低功耗工業級芯片，避免電流過大致使溫度升高[6-7]。

在鉆進歷程中，因為排量小以及出口泵壓低（≥5MPa），在很大程度上對儀器的抗壓及振動能力要求很低，但為了確保儀器在很大程度上擁有相對較高的可靠性，其耐壓以及能力分別要≥10MPa以及≥4g(g表示重力加速度)。

（2）測量精度指標：見表1。

表1 測量精度指標

水平鉆進是于頂底板間順著煤層延伸方位完成的，其關鍵參數是上下偏移，如果水平鉆進以及探管測量誤差分別是1000m以及0.2°，最大的上下偏移量是1000×sin0.2o=3.5m，兼顧均方差其偏移≤2.5m，完全符合至少有≤10m煤層厚度的狀況。

（3）防爆指標：總體運用的設備務必是防爆的，其防爆以及防護等級分別是本質安全型以及高于IP54。

（4）探管結構及性能指標：

① 直徑相對較小（≤50mm），能夠裝配于鉆桿空腔內并且留出相對適宜的環狀空隙。目前煤礦井下完成定向鉆進用的鉆桿外徑以及通孔直徑極大值分別是73mm、55mm，除了能夠確保探管順利通過，在很大程度上要有適宜的過水面積以確保高壓水能夠順利經過，綜上要求探管的外徑要≤50mm。

② 為了確保實時監控探管形態，要非常迅速地完成數據采集，隨后迅速把數據傳輸至孔口監視儀，其輸送間隔通常情況下低于2s。

③ 探管是固定于和單彎螺桿相對緊密連接的無磁鉆桿內，把調節好探管的工具面向角參數輸送至孔口監視儀，經過調節單彎螺桿的工具面向角就能夠掌控鉆進方向，所以探管的固定務必要堅固可靠，不可轉動以及前后竄動。

④ 探管的信號輸出務必要做短路保護，以保證即使出現短路也無法損壞探管。另外信號的輸出阻抗依著鉆桿的連接也會在很大程度上出現改變，所以探管要擁有相對很強的信號輸出性能以確保信號的有效輸出，同時還要確保信號在很大程度上擁有很強的抗干擾能力。

2 隨鉆測量定向鉆進技術效果分析

本次隨鉆測量定向鉆進共完成頂板水探放鉆孔6個，均按照設計深度沿設計軌跡達到預定位置，最大鉆孔深度594m，且具備更深的鉆進能力。以上定向鉆孔均為一次成孔，成孔率高，平均鉆進效率大于30m/班，與原技術相比提高30%以上，滿足礦井超前高效頂板水探放的需求。完成的6個定向鉆孔其靶點處實鉆軌跡參數與設計軌跡數據見表2所示。

施工完成的6個井下定向鉆孔疏放時間約七個月之內頂板水探放定向鉆孔疏放水情況統計如表3所示。隨后6個鉆孔涌水量迅速下降，其6個鉆孔涌水量綜合為10m3/h左右。

綜合上述分析，根據水文地質情況及鉆孔疏放水情況分析，鉆孔完成七個月后9-2072巷涌水水源主要為頂板砂巖含水層水，砂巖含水層水主要通過施工錨桿、錨索眼及巖層裂隙導水進入工作面。預計掘進期間工作面正常涌水量為7m3/h，最大涌水量為15m3/h。掘進期間必須嚴格執行“預測預報、有掘必探、先探后掘、先治后采”的原則，同時排水系統能力必須達到預測最大涌水量的2倍，生產期間注意加強排水。

表2 9-2072巷定向鉆孔實鉆軌跡與設計軌跡偏差統計表

表3 9-2072巷頂板水探放定向鉆孔疏放水情況統計

3 結論

方山店坪煤礦將隨鉆測量定向鉆進技術引入9-2072巷頂板探放水中和水文地質條件分析中，取得了良好的水害防治效果，對井下頂板含水層內水體超前區域探查和疏放，可推廣應用于其他類似礦井。