煤礦防治水中定向鉆探技術應用

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摘要：基于傳統(tǒng)煤礦探放水施工時，探水鉆孔施工數(shù)量多、施工周期長、勞動強度、探放水效率低以及盲目性大等技術難題，為進一步提高煤礦探放水施工效率，晉能集團有限公司地質(zhì)勘測部通過技術研究，對四明山煤礦9104運輸順槽掘進期間采取了定向鉆探技術，通過實際應用效果來看，與傳統(tǒng)探放水施工相比，鉆探技術可減少鉆孔施工數(shù)量達45個，鉆孔施工長度縮短了3200m，探放水效率提高至97%以上，取得了顯著應用成效。

關鍵詞：煤礦探放水；定向鉆探；技術原理；應用分析

引言

探放水施工是煤礦掘進工作面預防水害事故發(fā)生的重要技術手段，目前井下掘進工作面主要采用鉆探技術手段確定水害位置、水壓并進行疏壓降水，傳統(tǒng)探放水施工時探水鉆孔深度不大于200m，超前距不低于30m，巷道每掘進一段距離后進行一次探放水施工，直至巷道掘進完成；但是在實際巷道掘進過程中，傳統(tǒng)探放水施工工藝還存在很多問題，主要表現(xiàn)在以下幾方面：①鉆孔施工數(shù)量多，工程量大；②鉆孔施工期間對巷道影響較大；③探放水施工效率低，盲目性大等。不僅降低了探放水施工效率，而且嚴重威脅著巷道安全掘進；所以采取合理有效的探放水施工工藝，對提高煤礦防治水效率及預防水害事故發(fā)生具有重要意義。

1概述

晉能集團四明山煤業(yè)有限公司9104運輸順槽位于井田南部一采區(qū)，由北向南開拓，巷道設計長度1250m，斷面凈寬4.8m，沿9#煤層頂板向南開拓至井田邊界保安煤柱。北為9#煤南翼輔運下山，南為井田邊界煤層保護線，東為實體煤層，西為實體煤層。根據(jù)首采區(qū)地質(zhì)報告及已收集井下實見資料分析，9號煤層頂板的充水來源主要受其頂板砂巖及K5灰?guī)r裂隙含水層影響，砂巖裂隙含水層水源主要為裂隙含水，屬弱富水性含水層，對巷道掘進影響不大；9#煤層上覆45m為3#煤層采空區(qū)，預計含水量為7467m3，積水區(qū)主要位于巷道870~1030m段，巷道掘進期間在應力作用下，采空區(qū)積水沿裂隙巖層涌入工作面，對巷道掘進影響較大。9104運輸順槽采用綜合機械化掘進工藝，截止目前巷道已掘進450m。

2巷道掘進前期探放水施工工藝及問題分析

2.1前期探放水施工工藝

1）采用ZDY3700B型鉆機并配套中空鉆桿進行鉆孔施工，鉆機功率為50kW，鉆機壓力為30MPa，轉(zhuǎn)速為72r/min；中空鉆桿長度為1.5m，直徑為63mm，導向鉆孔鉆頭直徑為75mm，擴孔鉆頭直徑為132mm。2）由于工作面前方水文地質(zhì)條件簡單明確，四鄰無采空區(qū)及老窯水，工作面前方無需布置迎頭鉆孔，工作面每排布置5個頂板鉆孔（1#-5#孔），所有鉆孔深度為150m，所有鉆孔與頂板仰角為20°，鉆孔終孔位置位于上覆巖層50m處；其中5#鉆孔水平投影與巷道中線重合，1#、2#鉆孔在水平投影上分別左偏20°、40°，3#、4#鉆孔在水平投影上分別右偏20°、40°，所有鉆孔在空間上成“扇形”布置。3）待工作面鉆機安裝完成后進行鉆孔施工，當鉆孔鉆機深度達11m時停止鉆鉆進并及時更換擴孔鉆頭進行擴孔施工，擴孔深度為11m，擴孔后對鉆孔內(nèi)安裝4根PVC孔口管并采用聚氨酯進行封孔處理。4）鉆孔封孔后對孔口段進行注水耐壓試驗，注水壓力為積水壓力的1.5倍，耐壓時間不得低于20min，耐壓試驗合格后方可繼續(xù)鉆進。

2.2問題分析

1）鉆孔施工工程量大：由于9104運輸順槽上覆采空區(qū)積水主要位于870-94m段，巷道每次超前鉆探長度為150m，允許掘進距離為100m，巷道掘進期間共計需施工8組探水鉆孔（40個鉆孔），鉆孔總長度為6000m，鉆孔施工周期為27d，鉆孔施工工程量大，勞動作業(yè)強度高，而且鉆孔施工期間巷道被迫停止掘進，影響巷道掘進效率。2）鉆孔無用孔數(shù)量多：采用傳統(tǒng)超前鉆探的方法進行探放水施工時，鉆孔施工數(shù)量多，且多數(shù)鉆孔為無用孔，而且在鉆孔施工時盲目性，達不到預期探放水效率。

3定向鉆探技術應用分析

3.1定向鉆探技術原理

定向鉆探技術主要利用千米鉆機進行鉆孔施工，在鉆進時通過螺桿馬達提供鉆進動力，同時采用鉆進系統(tǒng)中的隨鉆測量系統(tǒng)對鉆孔軌跡、彎角以及方位角進行實時測量并控制螺桿旋轉(zhuǎn)角度，使鉆頭按指定方位角進行鉆進，從而達到預期鉆進的目的，定向鉆探深度一般在400m以上，鉆進準確度在98%以上。

3.2定向鉆探設備

9104運輸順槽采用定向鉆探施工時鉆機型號為ZDY45000型，鉆機配套泥漿泵、二代鉆進測量系統(tǒng)，具體技術參數(shù)如表1所示。

3.3定向鉆探施工工藝

1）9104運輸順槽掘進至500m處時采用定向鉆探施工，根據(jù)物探以及三維地震探測資料顯示，巷道上覆采空區(qū)積水主要位于870~1030m段，與施工巷道垂直距離為45m，與巷道水平投影偏差角度為22°，所以通過研究決定施工四個定向探水鉆孔（1#-4#孔），四個鉆孔平均深度為457m，如圖1所示。2）四個鉆孔布置掘進巷道迎頭煤壁上，距頂板間距為1.8m，四個鉆孔成直線布置，間距為1.5m，所有鉆孔在前350m以6°傾角快速鉆進，鉆孔方位角偏差控制3°范圍內(nèi)，當鉆孔鉆進至350m后逐漸減小傾角，當鉆孔鉆進至積水區(qū)時確保鉆孔傾角在2°。3）根據(jù)地質(zhì)資料顯示，9104運輸順槽直接頂為炭質(zhì)泥巖厚度為6.7m，基本頂為粗砂巖厚度為17.6m，鉆孔擴孔終孔位置位于堅硬穩(wěn)定巖層即可，所以鉆孔封孔深度為12m，鉆孔采用變徑的方法進行擴孔施工，擴孔段直徑分別為133mm和153mm，擴孔后對鉆孔內(nèi)安裝直徑為127mm孔口管，并采用油井水泥進行封孔處理。如圖2所示。4）鉆孔封孔完成后進行注水耐壓試驗，注水壓力為2.4MPa，注水合格后對鉆孔依次安裝泄壓閥、止水閥等，并繼續(xù)對導向鉆孔進行鉆進，在鉆進期間通過隨鉆測量系統(tǒng)實時記錄鉆孔軌跡，并與設計鉆孔軌跡進行對比分析，出現(xiàn)偏差時及時進行校正。

3.4實際應用效果分析

1）縮短了鉆孔施工工程量及周期：9104運輸順槽采用定向鉆探技術后，鉆孔總施工長度為1828m，與傳統(tǒng)探放水施工工藝相比，鉆孔施工工程量縮短了4172m，鉆孔施工周期縮短了13d，提高了鉆孔施工效率，降低了鉆孔施工勞動作業(yè)強度。2）保證巷道快速掘進：傳統(tǒng)探放水施工工藝每掘進100m需進行一次鉆孔施工，受探放水施工工藝影響，掘進前期巷道平均掘進速度為5.2m/d，采用定向鉆探技術后，鉆孔施工一次性到位，對巷道掘進影響小，后期巷道掘進平均速度達9.6m/d，保證了巷道安全快速掘進。3）探放水效率高：采用定向鉆探技術后四個定向鉆孔全部為濕孔，放水水壓為1.2MPa，共計對9104運輸順槽上覆采空區(qū)放水量為7442m3，放水量與預計積水量基本相符，巷道后期掘進過采空區(qū)積水段時頂板出現(xiàn)局部淋水現(xiàn)象，最大淋水量為0.2m3/h，對巷道掘進影響不大，消除了上覆采空區(qū)水患。

4結(jié)束語

晉能集團有限公司地質(zhì)勘測部針對四明山煤礦9104運輸順槽掘進前期探放水施工效率差、周期長、勞動強度大等技術難題，提出了定向鉆探技術，通過實際應用效果來看，定向鉆探技術具有鉆孔施工量小、精度高等優(yōu)點，大大提高了探探放水施工效率，取得了顯著應用成效。

參考文獻：

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作者：馬鵬程 單位：晉能集團有限公司