定向鉆孔探測技術在煤礦防治水的應用

南建華

(陽泉煤業(集團)有限責任公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

我國是一個煤炭資源豐富的國家，有些煤礦的水文地質條件比較復雜，井下地質探測是其中重要的工作之一，地質探測的正確與否，不僅影響地質勘探方法的準確性和真實性，而且影響礦井正常安全生產。近年來，在煤礦突發事故造成人員死亡中，礦井水害是主要災害之一。目前防治水技術措施主要包括預測探放水、重點區域疏水降壓、含水層進行注漿處理、完善礦井防排水系統等技術措施。近年來，隨著煤炭鉆探技術的不斷發展和應用，其中定向鉆探技術在煤礦底板注漿改造過程中得到廣泛應用，鉆探技術已經成為探測礦井防治水災害的重要手段和工具[1-3]。

1 定向鉆孔探測技術的原理及類型

地質勘探定向鉆進技術是根據設計要求，利用鉆孔的自然彎曲特性的規律或使用人工傾斜工具將鉆孔準確達到預定目標的一種鉆進方法。定向鉆進技術的原理是根據設計要求，使用鉆孔實時監測工具將鉆孔的軌跡按照計劃到達預定目標的鉆進方法。同時，在鉆孔探測過程中，測量儀器對鉆孔參數進行監測，以確定造斜工具的方向。定向鉆進技術具有軌跡可控性高、鉆進距離長、精度高、效率高等優點[4-5]。

1.1 按施工技術方法分類

自然彎曲定向孔：在具備一定鉆井條件的情況下，鉆孔的軸線主要是根據鉆孔自然彎曲特性規律進行設計的；主要是通過變換鉆孔的位置和方位角，然后運用傳統的技術工藝；在必要時，用增減斜的一般措施對孔斜控制理論進行補充，以便基本上按照設計的鉆孔軸線對目標層進行鉆進，自然彎曲定向鉆進也稱為主定向孔。

人工彎曲定向孔：通過采用人工的手段運用相應的工具和方法對鉆孔進行人工彎曲，這種方式不受鉆孔自然彎曲對鉆孔方向和位置等因素的影響。同時，也可利用自然彎曲規律與人工彎曲工具相結合的方法，使鉆孔按照設計的軌跡到達目標位置，又稱可控制定向孔。

1.2 按設計井眼軸線形狀分類

兩維平面定向孔：是指井眼軸線軌跡只在某個鉛垂平面(水平平面)上變化的定向孔，孔斜角是變化的，而方位角是不變的。

三維定向孔：是指鉆孔軸線在三維空間中變化的定向孔。鉆孔軸線可以是任意三維空間，也可以是三維空間中的斜面上。其中既有鉆孔的傾角的變化，還有孔的方位角變化。鉆孔跡線有折線、直線和曲線多種組合。

1.3 按設計最大孔斜角分類

低斜度定向孔：一般低斜度的定向鉆孔角度不超過15°，由于這類定向孔的孔斜角一般較小，鉆進時鉆孔的方位控制的難度較大，同時增加了鉆孔鉆進的難度。

中斜度定向孔：一般中斜度的孔斜角設計范圍在15°～45°，在鉆進的過程中，孔斜和方位比較好控制，同時鉆進難度非常小，是應用最為廣泛的一種。

大斜度定向孔：最大孔斜角設計的范圍在46°～85°之間，由于其鉆孔斜度大，大大增加了水平位移的距離，提高了鉆孔鉆進的難度和成本。

1.4 按鉆孔孔底結構分類

單底定向孔：在鉆孔過程中只有一個主干孔眼的定向孔。

多底定向孔：指在主干孔在鉆進過程后，再從主干孔內進行其他分支孔的定向孔。它又分單級和多級分支定向孔。

2 礦區地質概況

新景礦井田位于陽泉礦區太行山脈北段西側，廟梁及綠巖腦分水嶺以南，地勢北部、西北部高，南部桃河低，全區山高坡陡、河谷深切，形成復雜的高山地貌。煤層賦存總體呈現東北部高而西南部低，傾角一般6°～10°，本區開采石炭系上統太原組及二迭系下統山西組煤系地層。礦區主要采煤層為3#煤層，頂板主要以灰黑色砂質泥巖和灰色中-粗粒砂巖為主，厚度平均8.10 m，底板以灰黑色砂質泥巖和細粒砂巖為主，平均厚度為14.3 m，均具有不同程度的透水性和含水性，透水性比較強。

7211工作面屬于+525水平佛洼3#煤采區，煤層傾角為2°～10°，煤層厚度平均2.53 m，工作面設計走向長度1 429 m，傾斜長度為200 m，工作面標高為460～500 m。由于相鄰東部采區7209工作面已經回采完畢，但采空區內的積水嚴重影響7211工作面軌道巷的安全生產，為保證正常工作，必須對7209工作面采空區內的水進行施工鉆孔疏放水。由于常規的鉆孔工藝無法滿足鉆孔隨軌跡測量裝置進行到設計區域，因此，為滿足這一需求采用定向鉆孔技術在7211工作面軌道巷350 m處向采空區實施長距離定向鉆孔疏水工作。

3 定向鉆孔疏放水方案設計與現場測定

3.1 定向鉆孔疏水設計的原則

定向鉆孔、鉆孔布置應該與工作面巷道工程圍巖環境、構造條件、采掘現狀、排水通道、鉆機能力相適應。定向鉆孔試驗工程盡可能以鉆孔成孔性、提高疏放水量為目的，鉆孔位置盡量布置在試驗區域的低洼處，始終保持施工仰角鉆孔。根據工作面的含水層特點分上下2個含水層，并分別布置鉆孔進行頂板水的疏放。根據井下定向探放水鉆機能力，結合工作面情況，合理布置鉆孔長度，同時合理布置鉆孔間距。

3.2 鉆孔結構的設計

本次井下定下疏水鉆孔使用1#、2#鉆孔套管進行鉆孔設計。使用直徑為153 mm的鉆頭進行開孔，鉆孔鉆進的長度以過煤層垂距6 m為標準，并進行耐壓試驗，滿足條件方可使用。然后用直徑為146 mm的套管進行放置，使用煤礦井下專用注漿泵，采用1∶1.5的水灰質量比進行水泥漿注漿固定套管，以孔壁周圍不漏水為標準，否則應該重新固定套管。進入定向鉆孔階段后，主要采用具有監測系統的定向鉆孔技術工藝，進行實時監控施工，鉆孔直徑為98 mm，在用巷道布置3個定向鉆孔點，定向鉆孔設計參數見表1。

表1 定向鉆孔設計參數

3.3 施工設備

7211工作面軌道巷鉆孔選用鉆機的型號為ZDY6000 LD型履帶式全液壓鉆機，該鉆孔機的最大扭矩為6 000 N·m，給進壓力為180 kN。固定套管所用的水泥漿泵選擇3NB-320/8-30型煤礦用活塞泵，最大排量為320 L/min。鉆孔采用中心通纜式鉆桿，其中通纜鉆桿是進行定向鉆孔實施的主要工具。測量軌跡系統是由YDH2-1000J礦用隔爆兼本安型計算機、信號中繼器、礦用本安型存儲器和隨鉆測量探管等組成。本系統可對鉆孔的位置、傾角、方位角和距離等參數做到實時測量。

3.4 定向鉆孔疏放水現場測定

為了使工作面能夠達到良好的疏放水效果，根據試驗區周邊巷道及現有排水通道情況，采空區內的疏放水定向鉆孔全軌跡高程必須低于靶點高程，應嚴格控制鉆孔的軌跡，從而保證鉆孔達到最佳疏放水探測的效果，定向鉆孔軌跡平面如圖1所示。

圖1 定向鉆孔軌跡平面

7211工作面軌道巷定向鉆孔工藝嚴格按照設計方案進行，并精確控制鉆孔軌跡，使其孔向按照設計方案進行鉆進，最終成功的到達指定靶心點對采空區內積水進行疏放。現場實測1#孔的出水量在36 m3/h左右，2#孔的出水量在31 m3/h左右，3#孔的出水量在28 m3/h左右，兩孔的出水量差異較小且較為穩定，日疏放水量在1 600 m3，滿足煤礦安全規程的規定要求。同時定向鉆孔具有精度高、可控性高、鉆孔速度快等特點，可保障工作面的安全生產。

4 結論

(1)針對礦井采空區含水量較大的情況，采用定向鉆孔技術可有效探測采空區的水害情況，能夠實現開采突水的有效預防與監測監控。

(2)對定向鉆孔技術在新景煤礦的應用，有效地預測了該礦井7211工作面附近采空區的含水量情況，能夠有效的保證礦井的安全生產。