定向鉆孔在礦井地質(zhì)方面的技術(shù)應(yīng)用

孫建維

（晉能控股煤業(yè)集團 胡底煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048200）

1 概 況

煤礦水害、地質(zhì)構(gòu)造是煤礦生產(chǎn)過程中遇到的主要隱蔽災(zāi)害，探測并掌握富水區(qū)范圍、積水量及地質(zhì)構(gòu)造的性質(zhì)、范圍是保證安全采掘的地質(zhì)基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)大多數(shù)礦井采用常規(guī)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(shù)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(zhì)體異常位置，易出現(xiàn)探測盲區(qū)；鉆孔深度淺，鉆孔利用率較低。

定向鉆進技術(shù)近些年越來越成熟，該技術(shù)具有鉆孔深度大、鉆孔軌跡可控、施工目標(biāo)精確控制等優(yōu)勢，在礦井地質(zhì)領(lǐng)域也進行了應(yīng)用，如定向鉆孔長距離探測地質(zhì)構(gòu)造、富水區(qū)及煤層趨勢等，減少了鉆探工作量，增加了探測準(zhǔn)確性，為礦井安全生產(chǎn)提供了準(zhǔn)確的地質(zhì)基礎(chǔ)。

2 定向鉆孔在水害防治方面的應(yīng)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(yù)測預(yù)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(yán)格執(zhí)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(yè)集團胡底煤業(yè)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(yù)留100 m 巷道掘進的平行作業(yè)時間。設(shè)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(nèi)向外逐步開分支分別覆蓋左右?guī)图跋锏赖装澹装宸种с@孔終孔位置與巷道底板距離為10 m；左右?guī)头种с@孔終孔位置與巷道左右?guī)烷g距為20 m。

（2） 2018 年9 月1 日起，執(zhí)行《煤礦防治水細(xì)則》，細(xì)則第三十九條規(guī)定：有條件的礦井，鉆探可采用定向鉆機，開展長距離、大規(guī)模探放水。針對此項要求，胡底煤業(yè)結(jié)合礦井生產(chǎn)銜接情況，組織開展長距離、大規(guī)模探放水作業(yè)，以保障生產(chǎn)的順利進行。

胡底煤業(yè)1102、1103、1104 巷自進風(fēng)11 號橫川至設(shè)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(qū)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(shè)計巷道20 m 范圍、東向超過設(shè)計巷道30 m 范圍。

通過本次長距離、大規(guī)模定向鉆孔施工，可保證大巷掘進430 m 范圍，不在重復(fù)進行探放水作業(yè)，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(guī)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(jié)果

與常規(guī)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(yōu)勢，滿足《煤礦防治水細(xì)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(guān)系。

3 定向鉆孔在探測地質(zhì)構(gòu)造方面的應(yīng)用

3.1 實施案例

以晉能控股煤業(yè)集團胡底煤業(yè)探測X8 陷落柱為例，三維地震勘探發(fā)現(xiàn)礦區(qū)大巷掘進前方發(fā)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(fā)育，采用定向鉆機探測地質(zhì)構(gòu)造。探測區(qū)域位于奧灰水承壓區(qū)，3 號煤層底板標(biāo)高最低處為+126 m 左右，奧灰水位標(biāo)高為+578 m 左右，屬于帶壓開采，探測區(qū)域又處于陷落柱發(fā)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(shè)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?shù)装甯? 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(zhì)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(yù)先固結(jié)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(nèi)二盤區(qū)集中回風(fēng)巷、二盤區(qū)輔助運輸巷、二盤區(qū)主運輸巷、二盤區(qū)輔助進風(fēng)巷和二盤區(qū)輔助回風(fēng)巷巷道區(qū)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(xiàn)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(jié)果

根據(jù)千米鉆孔資料分析X8 陷落柱范圍內(nèi)3 號煤層賦存情況，探測所覆蓋區(qū)域3 號煤層整體連續(xù)，煤層有變薄的現(xiàn)象，該區(qū)域不存在陷落柱。

此次探測結(jié)果表明，與常規(guī)鉆孔相比，定向鉆孔具有探測距離長、探測準(zhǔn)確度高、軌跡可視的優(yōu)勢，能夠保證探測地質(zhì)構(gòu)造的準(zhǔn)確性。

4 定向鉆孔在探測煤層發(fā)育方面的應(yīng)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(zhì)構(gòu)造、煤層賦存等方面，具有探測精度高、探測范圍廣的優(yōu)勢。但地面三維地震勘探易受外部工作環(huán)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(chǎn)過程中需進一步鉆探驗證。

以晉能控股煤業(yè)集團胡底煤業(yè)為例，胡底煤業(yè)為煤與瓦斯突出礦井，使用定向鉆機進行區(qū)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(qū)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(yōu)勢，能夠計算出探測區(qū)域煤層頂、底板標(biāo)高。

胡底煤業(yè)13072、13091 巷巷道掘進前，定向鉆孔已覆蓋巷道掘進區(qū)域，通過計算鉆孔探測煤層頂、底板的標(biāo)高，可預(yù)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(chǔ)上，根據(jù)定向鉆孔探測的煤層頂?shù)装鍢?biāo)高繪制的巷道剖面，更加準(zhǔn)確直觀地展現(xiàn)巷道掘進區(qū)域煤層賦存情況、地質(zhì)構(gòu)造發(fā)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(jié)果

13072、13091 巷道施工結(jié)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(jù)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(qū)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(fā)育剖面圖Fig.5 Coal seam development profile detected by directional drilling hole

5 結(jié) 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(yōu)點，不僅局限于瓦斯抽采方面，其在水害防治、構(gòu)造探測、煤層探測等礦井地質(zhì)領(lǐng)域同樣具有獨特的優(yōu)勢。隨著定向鉆進技術(shù)的成熟，其在礦井地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍、方式也會越來越廣泛。