定向鉆孔在礦井地質方面的技術應用

孫建維

（晉能控股煤業集團 胡底煤業有限公司，山西 晉城 048200）

1 概 況

煤礦水害、地質構造是煤礦生產過程中遇到的主要隱蔽災害，探測并掌握富水區范圍、積水量及地質構造的性質、范圍是保證安全采掘的地質基礎。目前，國內大多數礦井采用常規鉆孔進行探測，但在實際施工過程中存在以下問題：鉆探工作量大，施工所需鉆孔數量多，施工周期長，布置分散；鉆孔軌跡不可控，不能精確探測地質體異常位置，易出現探測盲區；鉆孔深度淺，鉆孔利用率較低。

定向鉆進技術近些年越來越成熟，該技術具有鉆孔深度大、鉆孔軌跡可控、施工目標精確控制等優勢，在礦井地質領域也進行了應用，如定向鉆孔長距離探測地質構造、富水區及煤層趨勢等，減少了鉆探工作量，增加了探測準確性，為礦井安全生產提供了準確的地質基礎。

2 定向鉆孔在水害防治方面的應用

2.1 實施案例

按照山西省整體要求，為進一步加強煤礦防治水管理工作，堅持“預測預報、有掘必探、有采必探、先探后掘、先探后采”的原則，巷道在掘進過程中要嚴格執行有掘必探，為提高探測精確度、巷道掘進效率，決定采用定向鉆機實施。

以晉能控股煤業集團胡底煤業1309 底抽巷、大巷水害探測為例。

（1） 1309 底抽巷每200 m 施工1 個千米鉆場用于施工“有掘必探”鉆孔，每次探測距離330 m，允許掘進距離300 m，同時預留100 m 巷道掘進的平行作業時間。設計分支分為225 m 和330 m兩組分支鉆孔，組與組之間24 m 超前距，如圖1所示。

圖1 1309 底抽巷“有掘必探”鉆孔平面圖Fig.1 Drilling hole plane of'excavation with exploration'in No.1309 floor gas extraction roadway

主孔施工到位后，鉆孔由內向外逐步開分支分別覆蓋左右幫及巷道底板，底板分支鉆孔終孔位置與巷道底板距離為10 m；左右幫分支鉆孔終孔位置與巷道左右幫間距為20 m。

（2） 2018 年9 月1 日起，執行《煤礦防治水細則》，細則第三十九條規定：有條件的礦井，鉆探可采用定向鉆機，開展長距離、大規模探放水。針對此項要求，胡底煤業結合礦井生產銜接情況，組織開展長距離、大規模探放水作業，以保障生產的順利進行。

胡底煤業1102、1103、1104 巷自進風11 號橫川至設計停頭位置的長度為430 m，巷道間距30 m，北部、南部均為尚未進行采掘活動的區域，西部為已掘進的5 條大巷，東部至礦界。在11 號橫川布置2 個探放水鉆場，定向鉆孔以開分支形式，覆蓋大巷南北向超過設計巷道20 m 范圍、東向超過設計巷道30 m 范圍。

通過本次長距離、大規模定向鉆孔施工，可保證大巷掘進430 m 范圍，不在重復進行探放水作業，不僅提高探測精確度，也提高了巷道掘進效率。

圖2 大巷長距離、大規模“有掘必探”鉆孔平面圖Fig.2 Drilling hole plane of'excavation with exploration'in long distance and large scale of main roadway

2.2 實施結果

與常規普鉆鉆孔相比較，定向鉆孔具有鉆孔軌跡可視、鉆孔分布均勻全面、探測距離長、探測頻次少的優勢，滿足《煤礦防治水細則》工作要求，解決了“有掘必探”鉆孔施工與巷道掘進的制約關系。

3 定向鉆孔在探測地質構造方面的應用

3.1 實施案例

以晉能控股煤業集團胡底煤業探測X8 陷落柱為例，三維地震勘探發現礦區大巷掘進前方發育一X8 陷落柱，其長軸呈NE 向，長軸238 m、短軸220 m，面積38 711 m2，在平面上呈近圓狀，在剖面上呈反漏斗狀，該陷落柱為控制可靠陷落柱。

為掌握X8 陷落柱發育，采用定向鉆機探測地質構造。探測區域位于奧灰水承壓區，3 號煤層底板標高最低處為+126 m 左右，奧灰水位標高為+578 m 左右，屬于帶壓開采，探測區域又處于陷落柱發育地帶和向斜軸部，因此具有底板突水威脅。

探測前在鉆場附近配備2 臺排水量不小于60 m3/h 的排水設備，揚程不小于120 m，排水管路能滿足排水需要，直接排至中央水倉。靠幫挖好排水溝與水窩，水窩尺寸長×寬×高=6 m×2 m×1.5 m。加強鉆孔附近的巷道支護，在距離巷道頂底板各1 m 位置補打2 條W 鋼帶（W 鋼帶長度略小于巷道尺寸），防止巖壁突然鼓出。對鉆探地點巷道幫部進行注漿處理（水泥強度不低于42.5，水泥漿質量比為1∶1，注完后待凝固24 h 可以進行掃孔），填充裂隙，使巖層成為整體。鉆孔孔口處安裝止水套管，保證安全探放水，施工前預先固結孔口套管，套管間用絲扣鏈接，套管口安裝閘閥。

定向鉆孔全覆蓋X8 陷落柱內二盤區集中回風巷、二盤區輔助運輸巷、二盤區主運輸巷、二盤區輔助進風巷和二盤區輔助回風巷巷道區域，如圖3所示。鉆孔開孔后，進入到3 號煤層，沿3 號煤層鉆進，若探測過程中出現塌孔、壓力大等異常情況時，則沿3 號煤層頂板鉆進。探測每30 m 穿過煤層頂、底板不少于10 m。

圖3 定向鉆孔探測X8 陷落柱平面圖Fig.3 No.X8 collapse column plane detected by directional drilling hole

3.2 實施結果

根據千米鉆孔資料分析X8 陷落柱范圍內3 號煤層賦存情況，探測所覆蓋區域3 號煤層整體連續，煤層有變薄的現象，該區域不存在陷落柱。

此次探測結果表明，與常規鉆孔相比，定向鉆孔具有探測距離長、探測準確度高、軌跡可視的優勢，能夠保證探測地質構造的準確性。

4 定向鉆孔在探測煤層發育方面的應用

4.1 實施案例

地面三維地震勘探廣泛用于探測煤礦地質構造、煤層賦存等方面，具有探測精度高、探測范圍廣的優勢。但地面三維地震勘探易受外部工作環境影響，地震資料解釋過程中存在多樣性，致使三維地震資料與實際情況存在一定的偏差，故需在生產過程中需進一步鉆探驗證。

以晉能控股煤業集團胡底煤業為例，胡底煤業為煤與瓦斯突出礦井，使用定向鉆機進行區域遞進式模塊抽采降量，在采掘活動前，定向鉆孔已超前覆蓋采掘區域，如圖4 所示。由于定向鉆機具有測定鉆孔軌跡可視化的優勢，能夠計算出探測區域煤層頂、底板標高。

胡底煤業13072、13091 巷巷道掘進前，定向鉆孔已覆蓋巷道掘進區域，通過計算鉆孔探測煤層頂、底板的標高，可預測巷道沿煤層掘進的角度。在三維地震煤層底板等高線的基礎上，根據定向鉆孔探測的煤層頂底板標高繪制的巷道剖面，更加準確直觀地展現巷道掘進區域煤層賦存情況、地質構造發育情況。

圖4 定向鉆孔分布平面圖Fig.4 Plane of directional drilling hole distribution

4.2 實施結果

13072、13091 巷道施工結束后，通過實測巷道剖面、三維地震解釋的煤層趨勢剖面以及根據定向鉆孔修訂的煤層趨勢剖面，三者對比可以較為直觀的看出，三維地震解釋的煤層趨勢具有較大誤差，尤其是在煤層傾角變化區域，而定向鉆孔修訂的煤層趨勢與實測的巷道剖面基本一致。

圖5 定向鉆孔探測煤層發育剖面圖Fig.5 Coal seam development profile detected by directional drilling hole

5 結 語

綜合上述研究可知，定向鉆孔具有探測距離長、軌跡可視、精確度高的優點，不僅局限于瓦斯抽采方面，其在水害防治、構造探測、煤層探測等礦井地質領域同樣具有獨特的優勢。隨著定向鉆進技術的成熟，其在礦井地質領域的應用范圍、方式也會越來越廣泛。