煤矿地质防治水中定向钻技术的应用

李恒章 ,刘晓野 ,时圣文

山西忻州神达望田煤业有限公司  山西忻州  036600

摘要：在煤矿开采中，探明矿井水异常区的范围对于煤矿防治水十分重要。为了提高煤矿探放水的效果，需首先采用物探方法探明矿井异常区域的分布情况，然后再采用定向钻探技术探明异常区的水文情况。

关键词：煤矿地质；防治水；定向钻；技术应用

1项目概况

某煤业有限公司9104运输顺槽位于井田南部一采区，巷道设计长度1250m，断面净宽4.8m。综合考虑首采区地质报告和井下实见资料，对现场煤矿开采条件加以判断，得知9#煤层顶板的充水现象主要取决于顶板砂岩及K5灰岩裂隙含水层的状态，其中裂隙含水是砂岩裂隙含水层的主要水源，虽然会对巷道掘进造成影响，但程度有限。9#煤层上覆45m为3#煤层采空区，积水区集中在巷道870~1030m段，随着掘进作业的开展，存在一定程度的应力作用，受外力的影响，采空区积水经由裂隙岩层发生流动，逐步汇聚至工作面，此部分积水将对巷道掘进造成显著的影响。

2定向钻进技术概述及其应用优势

2.1定向钻进技术的概述

随着科学技术水平的提高，为煤矿开采提供了更多可靠的技术支持和设备支持，对煤矿开采工作的开展有促进作用。具体至煤矿地质防治水工作中，定向钻进技术则颇具代表性。通过该项技术的应用，可更为精准地定位钻孔的轨迹，以便钻头准确地寻找到地下目标，获得更加准确的勘查数据，为煤矿开采工作的开展提供重要的参考，相关工程人员合理规划后续的工作，在安全的前提下有效推进煤矿开采进程。

2.2定向钻进技术的应用优势

在煤矿地质防治水工作中，可根据因地制宜的原则采用定向钻进技术，以便提高煤矿地质防治水工作的质量，高效开展工作。在煤矿工程现场调查中，若能够合理应用定向钻技术，可对煤矿所在地层做相应的分析，掌握具体情况。例如，计算地层的三维坐标数据，明确地层的分布特点，也可在构造点的钻孔内部增设适量的分支孔。在此基础上，应用定向开分支技术，经计算后明确具体点位的三维坐标。在获得一系列坐标数据后，更有利于相关工作人员勘察煤矿作业现场，掌握实际地质条件和水文条件，从而进行决策，以科学的方法推进煤矿开采工作。此时，煤矿开采具有针对性，不存在盲目开采的问题，自然有利于规避安全隐患。总体来看，在煤矿地质防治水工作中应用定向钻技术后，可达到筑安全、保质量、增效率等多重效果。

3巷道掘进前期探放水施工工艺及主要问题

3.1前期探放水施工工艺

联合应用ZDY3700B型钻机和中空钻杆，以便高效完成钻孔作业。硬件参数方面，配套钻机的转速为72r/min，钻机压力30MPa；中空钻杆直径63mm，长度1.5m。工作面四邻无采空区和老窑水，前方水文地质条件简单明确，无需在前方布设迎头钻孔。于工作面上钻孔，孔深均为150m，每排5个顶板钻孔，编号为1#-5#孔，钻孔与顶板仰角为20°。1#、2#钻孔在水平投影上左偏量依次为20°、40°，3#、4#钻孔分别右偏20°、40°，5#钻孔水平投影与巷道中线重合。

根据钻孔要求，于工作面安装钻机，精细调整，使钻机准确就位并维持稳定。在确认钻机无异常状况后即可开始钻进，深度达11m时暂停，及时更换扩孔钻头，按照11m的深度要求扩孔施工，随后向孔内置入4根PVC孔口管，再做封孔处理（材料选用聚氨酯，保证严密性）。

在完成封孔作业后，安排注水耐压试验，用于检验施工情况。注水压力取积水压力的1.5倍，耐压时间至少达到20min，试验结果达到要求后，可按照施工进度计划继续钻进。

3.2主要问题

钻孔工作量大。巷道每次超前钻探长度达到150m，巷道掘进期施工探水钻孔总量达到8组，共计40个钻孔，总长度达到6000m，施工量相对较大，员工需要在27d内完成钻孔作业，工作负荷较重。此外，钻孔时巷道被迫停止掘进，在此影响下，巷道掘进效率有所降低，难以达到高效施工的目标。无用孔数量多。探放水施工时采用超前钻探的方法，需要施工的钻孔数量较多，并且其中不乏有一定数量的无用孔。从现场作业情况来看，钻孔具有盲目性，导致钻孔工作成效欠佳，难以达到预期探放水效率要求。

4煤矿地质防治水中定向钻探技术的具体应用

4.1技术原理

定向钻探技术在煤矿工程中取得广泛的应用，由螺杆马达驱动，提供动力源，推动钻探作业的进行；启用随钻测量系统，以便加强监测，及时掌握钻进轨迹、弯角、方位角，作业人员根据测量结果动态调整螺杆旋转角度，以便沿着特定的方位角高效钻进。根据工程要求，钻进准确度需达到98%以上，钻探深度超400m。

4.2设备配套

钻探采用的是型号ZDY12000LD型，并根据此设备的性能配套泥浆泵、钻进测量系统，以便定向钻探作业的顺利进行。

4.3定向钻探

定向钻探时间以9104运输顺槽掘进情况为准，达到500m时进行。巷道上覆采空区积水集中分布区域为870~1030m段，与巷道水平投影偏差角度为22°，结合现场情况，决定设4处定向探水钻孔，平均深度457m，编号为1#-4#孔。钻孔统一布置在掘进巷道迎头煤壁处，与顶板距离1.8m，呈直线布置。钻进分阶段完成，前350m以6°的倾角钻进，且保持相对较快的速度，此后逐步减小倾角，完成剩余部分的钻进作业。

9104运输顺槽直接顶分布的是炭质泥岩，基本顶为粗砂岩，两者的厚度分别为6.7m、17.6m，钻孔扩孔期间加强对现场地质条件的分析，达到坚硬稳定岩层时即可结束。钻孔扩孔采用变径的方法，扩孔段直径133mm、153mm，而后向孔内置入Φ127mm孔口管，并做封孔处理，保证严密性。

封孔结束后，按照2.4MPa的压力要求组织注水耐压试验。实际结果达到要求后，将泄压阀、止水阀等安装到位，若无误则安排导向钻孔的钻进作业，期间加强监测，基于检测数据生成清晰的钻孔轨迹，用于反映钻孔的实际情况。通过实际轨迹与设计钻孔轨迹的对比分析后，判断偏差，视实际情况灵活校正，直至偏差被控制在许可范围内为止。

4.4应用效果分析

钻孔工作量减少，工期缩短。在采取定向钻探技术后，钻孔总长1828m，相比于常规的探放水方法而言，钻孔量缩短4172m，而由于工作量的减少，钻孔耗费的时间随之缩短，工程资源消耗量降低，对比分析发现缩短约13d，为后续工作的开展争取了充足的时间。

巷道掘进效率提高。为更为直观地判断定向钻探技术在提高效率方面的优势，与传统方法做对比分析。若采用常规的探放水施工工艺，每完成100m的掘进则需安排一次钻孔，前期巷道平均掘进速度为5.2m/d；而在同等施工条件下，若应用定向钻探技术，此时钻孔的连续性较强，能够一次钻孔到位，且钻孔的扰动性较小，不会对巷道掘进造成过多的影响，后期掘进平均速度提升至9.6m/d，施工效率大幅提高，并且也有助于保证巷道掘进的安全性。探放水效率较高。四个定向钻孔均为湿孔，9104运输顺槽上覆采空区放水量为7442m3，经对比分析发现，实际放水量与预计积水量相当，施工效果符合预期要求。从巷道后期掘进情况来看，在通过采空区积水段时存在淋水现象，但具有零星发生的特点，且实测结果显示最大淋水量为0.2m3/h，不会对巷道的正常掘进造成过多的干扰，基本上不存在上覆采空区水患，可达到安全施工的效果。

5结语

在煤矿工程开采中，以何种方式做好防治水工作显得尤为关键，其直接关乎煤矿开采的安全、效率、效益等方方面面。现阶段的煤矿防治水方法多样化，其中以定向钻探技术较为主流，能够充分反映作业现场的实际状况，以便工程人员采取针对性的防治水措施，从源头上消除水患，给煤矿开采工作的开展创设良好的条件，达到安全生产、高效生产的效果。

参考文献

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