定向钻探技术在探放水作业应用与研究

摘要：煤矿传统探放水施工时，钻场及钻孔布置数量多，超前钻探距离短，导致巷道掘进效率低，探放水施工效果差等技术难题，为了弥补传统探放水施工存在的不足，提高采掘工作面探放水施工效率，华晋吉宁煤矿决定在二盘区右翼一号底抽巷应用定向钻探技术。从实际应用效果来看，探放水效率提高了95%以上，达到了预期的探放水效果。

关键词：煤矿;探放水;定向钻探;应用分析

延长疏放水时间，提高探放水效果。应用定向钻机进行探放水钻孔，结合合理的探放水钻孔工艺，充分发挥了定向钻机的性能优势，从根本上治理和消除了水害威胁，加快煤矿安全生产进度的同时，也为煤矿安全生产提供了坚实的保障。因此，对于探放水的精准探测及借助钻孔采取加固改造、封堵水源就显得尤为重要。对此，华晋吉宁煤矿决定应用定向钻探技术。

1 概述

华晋吉宁煤矿矿井生产规模300万t/a，开采深度由399.99m至-140m标高，井田面积为17.6843km2。井田水文地质类型划分为中等类型，目前吉宁煤业矿井正常涌水量为40.2m³/h，最大涌水量为71.5m³/h。其中，2108工作面外南侧有2号煤层采空积水3处，均相对位置较高，积水量均较大，老空水积水对工作面生产作业影响较大。故应加强对老空水的探测工作，防止水害事故发生；井田南部及西南边界外德通煤矿有3处积水，其中一处离本井田边界较远，对本井田煤层开采无影响，两处直接与本井田边界接壤（WJS-2积水面积为46841m2，积水量为2342m3；WJS-3积水面积为48749m2，积水量为2438m3），同本井田老空区相距较近，未来三年规划掘进一盘区2117工作面和2115工作面时要做好超前探查，防止采空区积水沟通。

巷道掘进前，根据三维地震探测以及地面钻孔发现，巷道掘进期间不会受上覆采空区积水、老窑水等水害影响，影响最大的为上覆裂隙水，裂隙水主要位于巷道掘进面前方642～760 m段，预计积水量达5 588 m3，裂隙积水区与巷道顶板的垂直距离为44.5 m，对巷道掘进影响较大。

2 传统巷道掘进的探放水施工工艺和存在问题

2.1 传统探放水施工工艺

吉宁煤业使用常规的探放水技术，因钻机能力不足，只能探查工作面迎头70米范围内的水体情况，对于可能存在较大范围或深部的水体无法完全覆盖；钻孔布置数量多，工作面掘进期间需进行大量的探放水工作，对采掘工作面施工影响较大，增加了大量的时间和成本投入；常规的探放水技术施工的钻孔存在成孔率低的特点，使得探放水效果未达到预期目标。

1）当实施钻孔时，使用中空钻杆和ZQJC-1000/11.0s气动架柱式钻机，而且二者是相匹配的，并且钻机的功率、转速与压力分别是14.4 kW、115 r/min、0.63 MPa；其中，中空钻杆的直径是42 mm、长度是1.0 m，钻头直径55 mm，扩孔钻头直径94mm。

2）在该工作面的四周，老窑水与采空区都不存在，在该区域不用都对钻孔进行布置，并且是迎头的，把钻孔布置到工作面中，所需要布置的数量是4个，其钻孔的深度均为70-73 m，二盘区右翼一号底抽巷巷道断面为4.5m×4.5m，沿K5砂岩顶板（2#煤层底板以下16m）掘进，超前钻探按照4个孔分两排进行设计，探明掘进前方、左右两帮20m范围内的水文地质情况。钻孔详细参数见（附图一）。

3）等工作面完成安装钻机之后实施钻孔施工，钻机钻到11m时钻机停止钻孔，并对扩孔钻头及时进行更换，继而实施扩孔施工，当扩孔的深度是11 m时，在扩孔之后将PVC孔口管安装在钻孔中，并且PVC孔口管数量是4根，然后再选取聚氨酯来实施封孔。

4）将钻孔进行封孔后，就要做注水的耐压试验，并且该试验主要针对的是孔口段，当注水压力与积水压力的比例是1.5∶1时，那么耐压时间要在20 min以上，当该试验符合标准之后，就能再次钻进。

2.2 问题分析

1）在钻孔施工中工程量较大：因为该工作面属岩巷掘进，而且超前钻探巷道长度最短距离是70 m，掘进的最大距离是40 m，当进行巷道掘进时，所需要的探水钻孔一共是22组，这22组钻孔的长度一共是6314m，所需要的施工期限是44d，不仅增加了其工程量与劳动强度，而且对巷道掘进的速率产生影响。

2）在钻孔时，有比较多的无用孔：在探放水施工的过程中，若采取的方法是传统的超前钻探，就会有比较多的钻孔施工，并且所钻的孔绝大部分是无用孔，并且该施工具有盲目性，使探放水效率的预期值不能满足。

3）灰岩含水层情况分析。工作面全区带太原组灰岩水压力，太原组灰岩在井田内无出露，水源来自井田东边的侧向补给，补给和径流条件差，因此对巷道的充水强度不大。石炭系太原组含水层主要为K2灰岩，结合工作面内JN2-1水文地质钻孔及工作面周边JN3-2地质钻孔资料，K2灰岩层厚平均9.75m。根据二盘区JN-S1水文补勘钻孔岩石物理力学性质试验表计算，底抽巷巷道底板与太原组含水层之间的隔水层平均重度0.024402MN/m³，平均抗拉强度14.49MPa；

3 定向钻探技术应用分析

为了解决煤矿传统短距离探放水施工存在的主要技术难题，降低探放水施工作业难度以及提高探放水施工效率，司马矿决定对1216运输顺槽应用定向钻探技术。

3.1 定向钻探技术原理

定向钻探技术主要是对采掘区域采用专用的千米钻机进行探放水钻孔施工，钻孔在施工过程中可通过随钻的测量系统随时对钻孔方位角、轨迹等进行测量、调整，从而保证钻孔按指定方向施工，保证钻孔到达指定的积水区，达到一次性精准放水的目的。定向钻探技术具有探测距离长、精度高、钻孔总长度短、钻场布置数量少等优点。

3.2 定向钻探设备

二盘区右翼一号底抽巷工作面主要利用ZYWL-5500D履带式全液压定向钻机进行钻孔施工，钻机随带二代测量系统及专用泥浆泵车。钻杆Ф73mm×1500mm，钻头直径Ф94mm。

3.3打钻前检查事项

3.3.1检查支护情况

井下施工地点要加强巷道支护，锚杆、锚索支护必须到位合格，顶板、两帮不得有网兜，严禁出现伞岩、岩詹。

3.3.2检查排水系统

根据掘进工作面排水系统的要求并结合工作面水文地质情况，施工现场应留设水沟，将施钻用水引流至巷道内水仓。水仓应配备两台排水泵，一备一用，排水能力不低于60m3/h、扬程大于70m的水泵和相应的排水管路，并确保排水畅通。

3.3.3检查通讯设施及避灾路线

在施工地点或其附近安设专用电话，通讯必须畅通。钻探作业工作面附近的避灾路线内不许有机械设备、支护材料、木料、矿车等阻塞，要时刻保证畅通无阻。

3.3.4检查瓦斯

当施工人员进入钻场施工前，当班瓦斯员要检查钻场内的瓦斯情况，当瓦斯在《煤矿安全规程》的有关规定之内时，方可进入作业。抽采区负责瓦斯管路连接，钻探队负责汽水渣分离器连接，防止钻进过程中巷道出现瓦斯异常情况。

3.4钻探施工

a）根据前期详细的工程勘察和井下地质条件分析，二盘区右翼一号底抽巷（125-778m段）共计布置5个右钻场，分别布置在底抽巷里程118.2m、里程222.2m、里程326.2m、里程430.2m及里程534.2m处。在右钻场布置2#、1#分支、3#三个定向长钻孔循环超前钻探，外斜孔开孔倾角为岩层倾角下偏0—5°，中心孔开孔倾角与岩层倾角一致，目标方位角56°30′，孔深均为270m。首先施工2#孔，其次在2#孔的基础上开分支施工1#孔，最后施工3#孔。钻孔详细参数见（附图二）。

b）钻孔封孔完成后必须对封孔段进行注水耐压试验，注水压力不得低于积水区最小压力，注水时间控制在30 min左右，注水期间钻孔四周无渗水现象以及孔口管无窜动现象视为封孔合格。

c）钻孔封孔后进行导向钻孔施工时必须采用随钻测量系统随时对钻孔轨迹进行测量，确保钻孔实际钻进轨迹与设计轨迹相吻合。若在钻进期间发现钻孔轨迹出现偏差，应及时调整。

结论

应用定向钻机进行探放水钻孔，结合合理的探放水钻孔工艺，充分发挥了定向钻机的性能优势，实现了长掘长探，从根本上治理和消除了水害威胁，加快煤矿安全生产进度的同时，也为煤矿安全生产提供了坚实的保障。

参考文献

[1]范天升.定向钻探技术在煤矿防治水中的应用分析[J].当代化工研究，2021（13）：68-69.

[2]王斌.煤矿防治水定向钻探技术应用分析[J].能源与节能，2021（8）：204-205.