千米定向鉆機在煤礦探放水中的應用

孔令祺

（潞安集團左權五里堠煤業有限公司，山西 晉中 030600）

1 2101 工作面膠帶順槽概況

潞安集團左權五里堠煤業有限公司2101 工作面膠帶順槽東為2101 工作面，西為未開采區，南為2101 工作面切眼，北為下組煤集中回風、集中膠帶、集中輔助運輸下山。

2101 膠帶順槽設計長度為1 400 m，巷道設計斷面規格為寬×高=4.5 m×3.5 m，巷道掘進煤層為15 號煤層，煤層平均厚度為6.17 m，平均傾角為13°；工作面巖層直接充水含水層為K2 砂巖的石炭系松散含水層，該含水層富水性一般較弱。預計掘進期間頂板局部可能出現淋滴水現象，還會形成積水區，直接影響工作面正常掘進。

2101 膠帶順槽采用綜合機械化掘進工藝，截至2020 年8 月12 日，巷道已掘進600 m。為了解決上覆采空區積水對巷道掘進的影響，巷道掘進前期主要采用鉆探手段進行探放水施工，巷道每掘進60 m在巷道迎頭位置施工4 個探水鉆孔，鉆孔深度為90 m，鉆孔直徑為75 mm，但是在巷道掘進中發現，由于原探放水施工時，探水鉆孔長度有限，導致巷道每掘進7 d 需進行一次探水施工，每次探水施工影響巷道掘進達1.5 d，嚴重制約著巷道安全快速掘進。為此，五里堠煤礦探放水隊決定采用千米定向鉆機進行探放水施工。

2 千米定向鉆機結構參數及鉆孔布置

2.1 鉆機技術參數

2101 膠帶順槽采用的千米定向鉆機型號為ZDY6000LD，鉆機最大扭矩為6 000 N·m，最大驅動力為200 kN，配套設備有直徑為73 mm的中心通纜鉆桿、直徑為85 mm的平底燒結胎體式PDC 鉆頭、直徑為133 mm的一字型擴孔鉆頭、YHD1-1000 隨鉆測量系統。該配套系統可在鉆孔施工過程中實時掌握鉆孔傾角、方位角等技術參數，并通過顯示器直觀顯示鉆孔軌跡、鉆孔成型情況。鉆機具體參數見表1。

表1 ZDY6000LD型定向鉆機主要技術參數

2.2 鉆孔布置參數

1）2101 膠帶順槽已掘進600 m，剩余800 m，所以只需布置一個探水鉆場即可。將鉆場布置在巷道480 m 處，鉆場長度為5.0 m、深度為2.0 m、高度為3.5 m，鉆場內支護與2101 膠帶順槽巷道內支護形式相同，為了提高鉆場穩定性，在鉆場內支設一排單體液壓支護（共4 根），單體柱支設間距為1.0 m。

2）在鉆場內布置4 個鉆孔，鉆孔深度為820 m，鉆孔直徑為85 mm。將鉆孔布置在工作面迎頭煤壁上，距頂板1.2 m，鉆孔間距為1.5 m。

2.3 鉆孔施工

1）鉆孔開孔及擴孔施工：首先根據鉆探設計，采用直徑為85 mm的鉆頭進行開孔施工，開孔深度為20 m；然后及時更換直徑為133 mm的擴孔鉆頭進行擴孔施工，擴孔深度為20 m，擴孔直徑為133 mm，擴孔到位后及時清理鉆孔內煤屑。

2）在完成鉆孔擴孔后，依次在鉆孔內安裝孔口管、封孔器、閥門、壓力表、泄壓閥等，每節孔口管長度為3.0 m、直徑為110 mm，為保證孔口管穩定性，在孔口管與鉆孔壁之間采用聚氨酯粘接，如下頁圖1所示。

圖1 2101 膠帶順槽探水鉆孔封孔示意圖（單位：mm）

3）導向鉆孔施工：利用泥漿泵產生的壓力水，采用定向鉆頭、螺桿馬達、下無磁鉆桿、測量探管、上無磁鉆桿、Φ 通纜鉆桿、水鞭進行定向鉆進，每鉆進一段長度后及時測量鉆孔方位角及軌跡，并與設計鉆孔參數進行對比分析，若穿線偏差及時糾正。

3 千米定向鉆機應用優點

3.1 對巷道掘進影響小

采用千米定向鉆機進行探放水施工時，鉆機可在工作面后方進行鉆孔施工，通過鉆機鉆進系統控制鉆孔軌跡，可直接繞過巷道前方，繼續探水，使鉆孔施工與巷道掘進平行作業，可保證巷道掘進效率。

3.2 鉆孔鉆進深度大

采用傳統鉆機進行鉆孔施工時，最大鉆進深度為100 m，超前距為30 m，巷道最大允許掘進距離為70 m。以2101 膠帶順槽為例，巷道在掘進過程中需探水共計20 次，不僅布置鉆場次數多，鉆孔施工頻繁，而且鉆孔總長度大，勞動作業強度高，不利于巷道安全快速掘進。

采用千米定向鉆機進行鉆孔施工時，鉆機最大鉆進深度為1 000 m，最小深度為500 m，2101 膠帶順槽采用千米鉆機探放水時只需布置兩個鉆場，大大減少了鉆場數量，降低了鉆孔總深度，降低了勞動作業強度。

3.3 提高功效，降低成本

采用普通鉆機和千米鉆機進行鉆孔施工時，孔口管安裝長度、孔口管數量以及封孔工藝基本相同，但是普通鉆機施工鉆孔數量與鉆場數量都多，造成封孔頻繁、封孔材料消耗量大，導致施工成本高，耗費時間長，不利于快速高效掘進設備潛能的發揮。

3.4 鉆孔軌跡可控性高

傳統鉆機無定向系統，在進行鉆孔施工時不能準確掌握鉆孔方位角、軌跡等技術參數，導致鉆孔施工后與設計鉆孔軌跡偏差較大，致使無效鉆孔數量多，鉆孔施工勞動強度大，甚至出現部分鉆孔與含水層導通的現象。

采用千米鉆機進行鉆孔施工時，可通過隨機測量系統實時掌握鉆孔軌跡、鉆孔成孔情況，出現鉆孔軌跡偏差時可及時糾偏，從而保證了鉆孔施工精度，提高了鉆孔探放水效率。

4 千米鉆機應用效果

截至目前，2101 膠帶順槽已掘進到位，采用千米鉆機進行探放水施工，在后期只進行一次巷道探放水施工，鉆孔總長度為3 280 m，與傳統鉆機相比可縮短鉆孔施工長度達400 m，大大縮短了鉆孔施工周期。同時千米鉆機自動化水平高，在鉆孔施工過程中通過測量系統可直觀顯示鉆孔走向、鉆孔成孔情況，提高了鉆孔成孔率，取得了顯著應用成效。