定向鉆進(jìn)技術(shù)在礦井探放水孔施工中的應(yīng)用

李曉東

山西焦煤華晉焦煤金達(dá)煤業(yè)有限公司 山西 呂梁 033000

在多種水害類型中，采空區(qū)積水和強(qiáng)含水層出水是最為常見的。傳統(tǒng)模式下，在探放處理過程中，通常借助施工探放水孔來確保積水排出。雖然這種方式在一定程度上能降低水害發(fā)生的概率，但是由于傳統(tǒng)鉆機(jī)施工無法控制孔內(nèi)傾角、方位、鉆孔深度等，在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一定的局限性。因此，有必要引進(jìn)新型定向鉆進(jìn)技術(shù)來優(yōu)化、改進(jìn)水害防范措施。

1 工程概況

金達(dá)礦位于山西孝義市西南35km驛馬鄉(xiāng)榆樹坪村南，井田面積9.47km2，核定產(chǎn)能為180萬t/a。礦井采用立井開采方式，礦井9#煤層除保安煤柱已基本采空，現(xiàn)主采煤層10#、11#煤層。其中，10#煤層大部分已經(jīng)回采，形成了大面積積水的低洼點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)勘探發(fā)現(xiàn)9號(hào)煤層采空區(qū)積水9處（DC9-1、DC9-2……DC9-9），總積水面積125270m2，總積水量76758m3，10號(hào)煤層采空區(qū)積水3處（DC10-1、DC10-2、DC10-3），總積水面積34475m2，總積水量42193m3；11號(hào)煤層采空區(qū)積水2處（DC11-1、DC11-2），總積水面積41675m2，總積水量52900m3，威脅臨近相鄰工作面的安全開采，很容易引發(fā)水害事故。因此，決定采用長(zhǎng)距離定向探放水孔施工，將采空區(qū)內(nèi)的積水排出，以確保巷道掘進(jìn)和回采安全進(jìn)行。

2 定向鉆進(jìn)質(zhì)量影響因素

鉆進(jìn)參數(shù)。主要包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等。在大傾角仰孔鉆進(jìn)工作中，鉆壓的影響尤為明顯。鉆壓不僅需要滿足常規(guī)鉆頭切削巖石的需求，還需要克服沖洗液自然升舉力、鉆桿自重等問題。只有結(jié)合鉆孔孔深遞增情況，對(duì)應(yīng)調(diào)整鉆壓參數(shù)，才能確保鉆進(jìn)效果的優(yōu)化。

開孔方向。開孔方向通常以設(shè)計(jì)剖面圖資料為準(zhǔn)。精確的開孔方向能夠更好地保證探放水孔施工質(zhì)量。組合鉆具配置方式。組合鉆具的融合能夠極大地提升定向鉆進(jìn)在不同工程、不同地質(zhì)條件中的適用性。在實(shí)踐中，要做好鉆孔測(cè)斜信息的采集更新工作，對(duì)應(yīng)調(diào)整組合鉆具方案。常見的組合鉆具方案主要有鉆孔上仰、鉆孔保直、鉆孔下斜等形式。

3 定向鉆進(jìn)施工方案設(shè)計(jì)

綜合工程實(shí)際情況和定向鉆進(jìn)質(zhì)量影響因素分析結(jié)果，確定了系統(tǒng)化的施工技術(shù)方案（ 工藝流程見圖 1）。在定向鉆進(jìn)施工開始前，需要嚴(yán)格控制開孔位置及孔口裝置安裝精度，根據(jù)探放水孔設(shè)計(jì)需求確定鉆場(chǎng)位置。該施工鉆場(chǎng)布置在場(chǎng)所東側(cè)的地下運(yùn)輸巷道之中，標(biāo)高為-700m，并系統(tǒng)檢測(cè)巷道圍巖情況，符合安全性、穩(wěn)定性需求。然后將鉆機(jī)搬運(yùn)到指定位置，按照說明書對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行調(diào)試檢測(cè)，觀察其是否運(yùn)行正常，方位角、傾角等參數(shù)均要符合要求，使用鉆機(jī)自帶壓車柱對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行固定和校正。鉆機(jī)固定完成后，組織開展孔口管的安裝工作，使用φ150mm 硬質(zhì)合金取芯鉆頭，在標(biāo)記點(diǎn)鉆進(jìn)15.5m，然后停鉆封孔，孔口外部露出部分不大于20cm。管體的密封性能務(wù)必達(dá)標(biāo)，可以在四周塞入棉紗，搭配紅膠泥提升密封性能，再用封孔泵注漿封閉。為保證探放水孔結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，固結(jié)結(jié)束的72h之后，還應(yīng)進(jìn)行掃孔操作，掃孔深度必須符合要求，以超過空口管長(zhǎng)度0.5m為宜。按照設(shè)計(jì)要求裝配三通、水壓表、試驗(yàn)盤等，采用逐級(jí)升壓法進(jìn)行測(cè)試。該耐壓測(cè)試共分為4個(gè)等級(jí)，初次加壓1MPa，穩(wěn)壓5min觀察是否出現(xiàn)滲漏水問題，然后每級(jí)遞增加壓 1MPa，直至達(dá)到設(shè)計(jì)值4MPa，穩(wěn)壓30min并觀察探放水孔孔口密封情況。如果試驗(yàn)孔洞通過耐壓測(cè)試，則繼續(xù)安裝螺桿鉆具進(jìn)行定向鉆進(jìn)，否則需要重新開孔，避免出現(xiàn)孔洞坍塌等問題。在鉆進(jìn)環(huán)節(jié)，還需要實(shí)時(shí)測(cè)斜，確保鉆進(jìn)角度不偏離設(shè)計(jì)軌跡，直至鉆到設(shè)計(jì)深度。

圖1 定向鉆進(jìn)施工流程示意圖

4 定向鉆進(jìn)技術(shù)在礦井探放水孔施工中的應(yīng)用

4.1 施工準(zhǔn)備

該工程采用ZYWL-6000DS型鉆機(jī)，該鉆機(jī)由主機(jī)、泵站、操縱臺(tái)和履帶車體四大部分組成，各部分之間用軟管連接，結(jié)構(gòu)緊湊，具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。首先，運(yùn)輸搬遷方便。設(shè)備的主機(jī)、泵站以及操縱臺(tái)采用集成化布置方式，具有較強(qiáng)的爬坡能力（可達(dá)25°）和走行速度（1.5km/h），適用于運(yùn)輸條件較差的區(qū)域。其次，控制性能良好。設(shè)備具有較強(qiáng)的給進(jìn)、起拔能力，能夠有效降低卡鉆事故。設(shè)備還配置了雙泵系統(tǒng)，支持回轉(zhuǎn)參數(shù)、給進(jìn)參數(shù)的獨(dú)立調(diào)節(jié)，靈活性更強(qiáng)。此外，設(shè)備還支持鉆孔傾角的自動(dòng)化調(diào)節(jié)，可調(diào)范圍為0°～±90°，可適應(yīng)各種復(fù)雜條件下的鉆進(jìn)需求。最后，通用性較強(qiáng)，設(shè)備采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，液壓元件均為進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)通用元件，維修保養(yǎng)更加便捷。同時(shí)，配置了CQ-1A型磁球定向測(cè)斜儀，能夠?qū)Ψ谴判糟@孔孔段進(jìn)行測(cè)量，能將誤差控制在±1°以內(nèi)。選用保直鉆進(jìn)穩(wěn)定組合鉆具，配置φ63.5mm 外平鉆桿、φ94mm 內(nèi)凹式復(fù)合片鉆頭。

4.2 精準(zhǔn)對(duì)穿鉆孔技術(shù)

精準(zhǔn)對(duì)穿鉆孔技術(shù)主要應(yīng)用于采空區(qū)積水疏放項(xiàng)目中，按照設(shè)計(jì)方案需要開設(shè)5個(gè)巷道精準(zhǔn)定向?qū)Υ┿@孔，并配置套管護(hù)壁結(jié)構(gòu)以提升穩(wěn)定性。施工前需要科學(xué)確定開孔方位，以靶點(diǎn)巷道掘進(jìn)工作面中心點(diǎn)為基準(zhǔn)，測(cè)量鉆場(chǎng)開孔點(diǎn)的垂高和直線距離。以3#-1孔為例（各探放水孔軌跡剖面圖見圖2），經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)其高度參數(shù)應(yīng)為32m，向右側(cè)偏出22m，直線距離為167.8m。

圖2 探放水孔軌跡剖面圖

探放水孔施工過程中，主要穿越泥巖、細(xì)砂巖等巖層，地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，面臨的垮塌風(fēng)險(xiǎn)較小。確定鉆孔位置后，還需要優(yōu)化設(shè)計(jì)鉆孔的孔深，按照設(shè)計(jì)孔深優(yōu)化鉆孔工序。以鉆孔起點(diǎn)為基準(zhǔn)，每次向下降低10～20m打設(shè)一個(gè)鉆孔 ，最終降低至設(shè)計(jì)標(biāo)高 ，以確保 施工安全性和可靠性。鉆孔傾角在11°～13°之間，方位偏差1°～3°之間，這樣可以有效避免串孔問題。每次開孔之后，均要進(jìn)行嚴(yán)格的封孔打壓試驗(yàn)，以免出現(xiàn)塌孔事故和風(fēng)險(xiǎn)。

試驗(yàn)完成后，按照設(shè)計(jì)傾角持續(xù)、快速爬升，達(dá)到100m后逐漸減小傾角，以達(dá)到水平對(duì)穿的效果。如果按照設(shè)計(jì)方案施工卻未能達(dá)到對(duì)穿效果，可以左右調(diào)整方位角，使鉆孔軌跡經(jīng)過巷道側(cè)幫穿出。鉆機(jī)系統(tǒng)配備了高精度磁球測(cè)斜儀，實(shí)踐環(huán)節(jié)要加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測(cè)，通常情況下每3m測(cè)一次傾角、方位角以及工具面等參數(shù)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行糾偏，以保障探放水孔能夠順利對(duì)穿。與巷道掘進(jìn)施工相比，這種定向鉆進(jìn)施工的速度更快、成本更低，實(shí)測(cè)鉆孔終孔排水量達(dá)32m3 /h。

4.3 長(zhǎng)距離探水孔施工技術(shù)

從物探結(jié)果來看，10402工作面本身的環(huán)境條件比較復(fù)雜，含水層富水性較強(qiáng)，且水位恢復(fù)較為迅速，給井下生產(chǎn)工作帶來了較大的威脅。因此，決定布置鉆孔，利用定向鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)含水層進(jìn)行超前探放。在施工過程中，先使用φ120mm鉆頭，搭配φ89mm外平鉆桿進(jìn)行施工。鉆進(jìn)深度達(dá)到50m時(shí)，進(jìn)入泥巖層段，此時(shí)提鉆并更換鉆頭，擴(kuò)大至153mm，下入套管，注漿并進(jìn)行耐壓測(cè)試 。設(shè)計(jì)壓力為3.5MPa，同樣采用逐級(jí)加壓方式維持30min，觀察是否存在密封不嚴(yán)、滲水漏水等情況 。完成后回轉(zhuǎn)掃孔至孔底，使用φ89mm、φ73mm 螺桿馬達(dá)及隨鉆測(cè)量系統(tǒng)定向鉆具組合定向鉆進(jìn)，緩慢調(diào)整傾角，以確保鉆具順利進(jìn)入含水層。鉆孔施工至267m時(shí)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)了涌水增多情況，及時(shí)暫停施工。實(shí)測(cè)涌水量為42m3/h，已達(dá)到超前探放目標(biāo)。長(zhǎng)距離定向探水孔施工效果和傳統(tǒng)鉆孔施工效果對(duì)比如圖3所示。

圖3 長(zhǎng)距離定向探水孔與傳統(tǒng)鉆孔的對(duì)比

4.4 小遇層角穿層定向施工技術(shù)

軟硬互層是煤礦井下探放水孔施工環(huán)節(jié)中經(jīng)常遇到的地層類型。這類地層的穩(wěn)定性較差，圍壓對(duì)于軟層、硬層的膨脹變形約束效果不同，很可能引發(fā)互層巖體剪切破壞等情況。如果遇層角偏小，軟硬巖層的彈性模量、峰值強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角都會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而制約定向鉆進(jìn)施工的質(zhì)量和效果。這是因?yàn)檐泴印⒂矊咏Y(jié)構(gòu)質(zhì)地差異較大，鉆頭鉆進(jìn)時(shí)承受的反作用力也存在較大差異，鉆進(jìn)過程中很容易產(chǎn)生傾倒力矩，進(jìn)而改變鉆頭設(shè)定方向，增加鉆孔彎曲風(fēng)險(xiǎn)。

通常來講，鉆孔彎曲方向 、強(qiáng)度是有規(guī)律可循的，會(huì)隨著遇層角大小 、軟硬層硬度差變化而變化。當(dāng)遇層角δ≤20°時(shí)，這種影響就會(huì)十分顯著。鉆壓P作用于鉆具和巖層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生向下的滑動(dòng)力Pcosδ，滑動(dòng)力持續(xù)上升，并超過鉆具和巖層的摩擦力f，進(jìn)而導(dǎo)致鉆具下滑，出現(xiàn)“順層跑”的狀況。在此次施工中，3#探放水孔會(huì)穿過一處較大的軟硬互層區(qū)域，遇層角僅有16°，鉆孔彎曲的風(fēng)險(xiǎn)較高。因此，在實(shí)踐中需要進(jìn)行專門的方案調(diào)整和優(yōu)化。該工程采用了調(diào)低鉆壓、減小泵量的方法，以確保鉆孔軌跡與設(shè)計(jì)方向一致。這種做法的原理較為簡(jiǎn)單，當(dāng)定向鉆鉆壓下降時(shí)，產(chǎn)生的向下滑動(dòng)力Pcosδ也會(huì)減小，鉆具下滑強(qiáng)度會(huì)明顯減弱。同時(shí)，調(diào)小泵量會(huì)導(dǎo)致巖煤粉顆粒出現(xiàn)堆積情況，其充斥于第一穩(wěn)定器部分和鉆頭部分，回轉(zhuǎn)過程中鉆具受到的摩擦力上升，迫使鉆具向右上方偏移，進(jìn)而更加符合設(shè)定的鉆進(jìn)方位軌跡，有助于提高探放水孔施工質(zhì)量。

5 定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦井下探放水孔施工中的應(yīng)用效果

有效距離長(zhǎng)。傳統(tǒng)組合鉆具鉆進(jìn)環(huán)節(jié)，由于無法控制方位角，探放水孔施工精度很難保證，鉆孔深度通常不能超過 200m。而定向鉆機(jī)采用自動(dòng)化作業(yè)方式，操作簡(jiǎn)單、定位精準(zhǔn)，能夠?qū)ι顚与[伏構(gòu)造進(jìn)行超前探測(cè)，進(jìn)而精確揭露各種地質(zhì)構(gòu)造，有效長(zhǎng)度可以達(dá)到 200m 以上，非常適用于采空區(qū)、富水含水層的超長(zhǎng)探放水孔施工工程。

施工安全性高。井下運(yùn)輸條件差，存在上下坡，傳統(tǒng)模式下依靠人力進(jìn)行設(shè)備的安裝和鉆孔工作的推進(jìn)，很容易埋下安全隱患。施工期間每層、圍巖結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)，還可能出現(xiàn)各種孔內(nèi)事故。而此次使用的 ZYWL-6000DS 鉆機(jī)自身爬坡能力極強(qiáng)，行走速度快，搭配凹槽通纜鉆桿，能夠有效提升自動(dòng)化水平和排渣能力，有助于降低事故的概率，提升施工安全性。

精準(zhǔn)命中靶點(diǎn)。定向鉆進(jìn)技術(shù)使用了自動(dòng)化隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，靶點(diǎn)定位精度較高。鉆探過程中，依托定向鉆進(jìn)技術(shù)打設(shè)探放水孔，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)積水和強(qiáng)含水層超前探放目標(biāo)，單孔出水達(dá)到了32m3/h和42m3/h，能夠?yàn)槊旱V井下生產(chǎn)工作帶來良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

6 結(jié)束語

綜上所述，定向鉆進(jìn)技術(shù)具有先進(jìn)、高效的優(yōu)勢(shì)特征，應(yīng)用于煤礦井下探放水孔施工，能夠顯著提升方位角控制能力，確保施工精度和質(zhì)量，實(shí)踐中務(wù)必對(duì)其給予充分重視。要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)條件科學(xué)確定鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)，選擇適宜的組合鉆具，對(duì)應(yīng)調(diào)整開孔方位、開孔角度。同時(shí)，明確精準(zhǔn)對(duì)穿鉆孔技術(shù)、長(zhǎng)距離探水孔施工技術(shù)差別，深入把握軟硬互穿層地質(zhì)特征，為煤礦井下施工的順利推進(jìn)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。