精確疏放唐家會礦煤層頂板砂巖水技術

趙祥龍

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

0 引 言

頂板砂巖水害是西部煤礦水害的主要種類之一，對煤礦生產安全構成嚴重威脅[1-2]，采前施工探放水工程是進行頂板水害防治的主要手段。常規回轉鉆進探放水距離有限，且鉆進終孔位置與設計目的位置偏差較大，為保證良好的疏放效果不得不采用多孔設計，但多孔施工又使得施工周期變長、探放水效率低下[3-5]。隨著煤礦開采的不斷智能化，對地質條件探查精度的要求越來越高，普通鉆進方式已無法滿足現代化礦井建設要求。定向鉆技術精度高、效率高，通過控制鉆進軌跡實現長距離精確靶中目的區域，在煤礦巷道形成之前完成超前探放，大大縮短了煤礦工作面的準備時間[6-8]。

1 工作面概況

62103 工作面為唐家會煤礦二盤區西翼第3 個工作面，工作面走向平均長1 000 m，傾向均寬240 m。煤層傾角0°～8°，平均2°，煤層厚22.4～24.27 m，平均23.34 m，煤層結構復雜，含3～15 層夾矸，夾矸厚1.3～6.47 m，矸石巖性為泥巖，局部含粉砂，全區穩定，煤質為長焰煤。工作面地質儲量為1 269 萬t，可采儲量1 079 萬t，采用綜采放頂煤方法開采，機采底部4 m，之上為放頂煤。

地面對應位置位于工廣以南1.7 km，隸屬于邦郎色太村，地面對應有何家圪旦村莊，其余為第四紀黃土，局部第三紀及白堊系地層出露，發育有沖溝，沒有其他構筑物。地面標高+1 235.0～+1 322.2 m。

2 水文地質條件

6 號煤頂板砂巖含水層，巖性以中粒砂巖、細粒砂巖為主，厚0.30～14.50 m，平均4.36 m。單孔涌水量一般為3～10 m3/h，最大20 m3/h，該含水層單位涌水量q=0.060 L/s.m。

此前對61101、61103、61201 三個工作面進行過鉆孔疏放水施工，頂板砂巖水水量較大，單孔最大涌水量為100 m3/h，累計疏放頂板砂巖水52.5 萬m3。可結合以往工作面頂板砂巖水的富水性，對62103 工作面頂板砂巖水進行疏放來解決回采期間水害的治理問題[9]。

3 疏放水工程設計

3.1 鉆孔軌跡設計

煤礦井下近水平定向長鉆孔軌道設計可近似為曲線與直線的組合，以“直線- 曲線- 直線”的形式為主。實際上由于井下定向鉆孔全孔均采用螺桿鉆具施工，鉆孔實際軌跡為螺旋型曲線，但在直線段施工時，其傾角及方位變化小，鉆孔基本圍繞直線延伸，鉆孔軌跡可近似為直線。

為了實現快速覆蓋62103 工作面范圍內頂板含水層且達到疏放水的目的，依據水文地質資料，結合煤礦防治水規定要求[9-10]，以及工作面形成周期，決定在62103 工作面6 煤頂板布設2 個鉆場，3 個定向長鉆孔6-1、6-2、6-3 孔。鉆孔平面圖如圖1 所示，剖面圖如圖2 所示，設計參數見表1。

圖1 6 煤層頂板疏放水定向鉆孔軌道設計平面圖

圖2 6 煤頂板疏放水定向鉆孔設計軌道剖面示意圖

表1 62103 工作面煤層頂板疏放水定向鉆孔工程量

3.2 鉆孔結構設計

定向鉆孔的主孔均采用二級鉆孔結構：即第一級采用φ153 mm PDC 鉆至6 煤頂板，下入φ127 mm 孔口管至6 煤頂板，用水泥漿液封孔；第二級采用φ98 mm PDC 鉆頭定向鉆進至終孔，見圖3。

圖3 6 煤頂板疏放水定向鉆孔結構示意圖

3.3 精確鉆進技術及裝備

此次定向鉆進技術使用YHD3-1500 型泥漿脈沖隨鉆測量系統，其特點是效率高、精準度高，可以利用此系統精確靶中疏放區域。此系統主要由防爆計算機、防爆鍵盤、防爆數據存儲器、防爆測量探管和防爆壓力變送器等5 部分組成[11-13]。往常需要更換中心式通纜鉆桿來進行數據的測量，節省了來回更換鉆具時間，增加了鉆進效率。

根據鉆孔深度及傾角決定鉆機使用ZDY-6000LD，泥漿泵從原來的3NB-BW320 更新至BW600/10，增加了泵壓與流量，為更好的處理鉆孔事故提供了保障，同時也加快了鉆進效率。

4 疏放水工程施工

62103 工作面共設計3 個頂板砂巖水疏放孔，總進尺為2 535 m，其中最大孔深為966 m（6-2 孔），探測區域覆蓋62103 整個工作面范圍內頂板目標含水層，單孔最大水量為130 m3/h。鉆孔施工順利，鉆孔施工實際軌跡滿足設計要求。實鉆軌跡圖如圖4所示，鉆孔施工情況統計見表2。

圖4 6 煤頂板疏放水實鉆軌跡圖

表2 鉆孔施工情況統計

5 疏放水效果分析

對6-1、6-2 及6-3 鉆孔進行無鉆測量涌水量，其動態特征曲線如圖5、圖6、圖7 所示，從3 個定向鉆孔初始涌水量情況可看出，6 號煤層頂板砂巖含水層具有出水量較大、出水持續時間較長的特征，特別是6-1 號鉆孔，從6 月份初始出水至9 月底出水結束，最大出水量為130 m3/h，持續出水3 個月，共放水約13 萬m3。說明6 煤層頂板砂巖含水層區域富水性性強，單一鉆孔疏放煤層頂板砂巖水效果較好。此外，在鉆孔施工完成后，存在鉆孔出水均伴隨有出沙現象，說明6 煤頂板砂巖含水層巖性膠結程度差，在水流沖刷作用下易崩解。

圖5 6-1 號鉆孔流量歷時曲線圖

圖6 6-2 號鉆孔流量歷時曲線圖

圖7 6-3 號鉆孔流量歷時曲線圖

6 結論與建議

1）采用水平定向鉆孔精確地對62103 工作面頂板砂巖水進行了疏放，單孔最大涌水量達130m3/h，累計疏放水量達13 萬m3，消除了工作面采前頂板水害隱患，為后續巷道掘進、工作面回采的安全進行提供了保障。

2）采用了更為先進的泥漿脈沖隨鉆測量系統及泥漿泵，增加了鉆進效率，使水平定向鉆進技術更為高效精確，大大縮短了煤礦工作面的準備時間。

3）通過分析鉆孔成孔周期內涌水量變化情況，發現鉆孔出水量與鉆進速率成正比，說明鉆孔出水可加快鉆孔巖屑的排出，有助于鉆進速率的提高。