何 穎，金 鑫，郭 輝

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安 710077）

定向鉆孔超前探測(cè)底板水技術(shù)在陜西某礦的應(yīng)用

何 穎，金 鑫，郭 輝

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安 710077）

隨著定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦井下防治水工程中的逐步推廣，施工防治水定向鉆孔更有利于煤礦的安全生產(chǎn)。結(jié)合陜西某礦地質(zhì)情況，闡述了定向鉆進(jìn)技術(shù)施工防治水鉆孔的工藝方法。實(shí)踐證明，定向鉆孔可以準(zhǔn)確地探測(cè)出目標(biāo)區(qū)域的含水信息，完全滿足礦區(qū)防治水要求，為煤礦安全開采提供了保障。

定向鉆孔；水害；精確探測(cè)；定向鉆進(jìn)

Abstract：As the directional drilling technology in the project of the prevention and control of the coal mine water gradually promotion，the construction of directional drilling for prevention and control of water is more advantageous to the safety production of coal mine.Combined with the geological condition in certain coal mine of Shaanxi，the technological method of preventing and controlling water hole drilling in directional drilling technology is expounded.The practice proves that by means of the directional drilling，water information of target area may be accurately dectected，which meets requirements of water prevention and control in mine and provides security for safety production.

Key words：directional borehole；bursting hazards；accurate detecting；directional drilling

隨著煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，定向鉆進(jìn)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤礦井下瓦斯抽采、地質(zhì)異常區(qū)超前探測(cè)、采空區(qū)防滅火、煤礦井下防治水等方面，并取得了多項(xiàng)成果[1-2]。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)各大煤礦企業(yè)利用定向鉆進(jìn)技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量控制鉆孔軌跡、精確探查目標(biāo)區(qū)域、施工工程量較小、探查盲區(qū)范圍小、鉆場(chǎng)布置較少、施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度低、施工周期短、效果明顯等優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行礦區(qū)區(qū)域水害探查。特別是在進(jìn)行水體儲(chǔ)量較大、水源補(bǔ)給關(guān)系復(fù)雜、地質(zhì)資料缺乏的底板水探查中，傳統(tǒng)的常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行底板水害治理時(shí)存在施工工程量大、鉆孔深度較小、施工周期較長(zhǎng)等問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)高效精確探放[3-4]。而施工定向鉆孔提前探查底板水可以解決上述難題，提前治理煤層底板，降低煤礦底板水害威脅，亟待大力推廣應(yīng)用。

1 礦區(qū)地質(zhì)概況

礦區(qū)主采煤層之一的11號(hào)煤，其底板主要有石英砂巖、砂巖和鋁土質(zhì)泥巖組成，厚度為8.73～18m，平均厚度約為13.4m。底板以下為奧陶系灰?guī)r，其中奧灰?guī)r層頂部為峰峰二段含水層。本段巖層為深灰、灰黑色厚層灰?guī)r，致密堅(jiān)硬且質(zhì)純，厚度0～44.31m，屬于強(qiáng)含水層段，巖溶裂隙及小溶洞發(fā)育，其富水性和透水性相對(duì)較強(qiáng)，巷道在采掘過(guò)程中存在奧灰突水危險(xiǎn)。

桑樹坪煤礦區(qū)域含水層劃分為第四系砂礫層孔隙潛水中等含水層組、二疊系砂巖層裂隙承壓弱含水層組、石炭系砂巖（灰?guī)r）裂隙承壓極弱含水層組和奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙承壓強(qiáng)含水層組。桑樹坪煤礦在建井歷史上曾發(fā)生9次奧灰突水事故，其中2011年“8.7”突水事故最為嚴(yán)重，突水量最大達(dá)到6 580m3/h，造成礦井淹井，說(shuō)明桑樹坪礦奧灰?guī)r層的富水性強(qiáng)，突水危害性巨大。

2 定向鉆孔精確探查底板水技術(shù)

精確探查底板水需要以成熟的煤礦井下隨鉆測(cè)控技術(shù)為依托，通過(guò)對(duì)施工定向鉆孔的軌跡進(jìn)行隨鉆測(cè)量和精度控制，達(dá)到精確探測(cè)已知含水區(qū)或驗(yàn)證存疑含水區(qū)的目的，探測(cè)完成的鉆孔可用于探查底板水。

定向鉆孔采用煤礦井下定向鉆機(jī)及由螺桿馬達(dá)、無(wú)線隨鉆鉆具、探管及定向鉆頭等組成的定向鉆具組合進(jìn)行施工，利用測(cè)量探管對(duì)鉆孔軌跡和螺桿馬達(dá)工具面的實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)果，通過(guò)調(diào)整螺桿馬達(dá)的工具面向角，精確控制鉆孔實(shí)鉆方位角和傾角，達(dá)到精確中靶的目的[5]。

3 底板水定向鉆孔設(shè)計(jì)要求

1）鉆孔數(shù)量涉及合理，盡量覆蓋目標(biāo)區(qū)域，達(dá)到探查地層底板含水情況的目的。

2）鉆孔軌跡設(shè)計(jì)合理，確保精確探測(cè)目標(biāo)層位，并在目標(biāo)層位中延伸。

3）鉆孔套管設(shè)計(jì)合理，滿足防治水規(guī)范中的耐壓要求，確保施工人員安全。

4 底板水定向鉆孔鉆探裝備

精確探查底板水所需的定向鉆進(jìn)裝備主要由履帶式全液壓坑道鉆機(jī)、泥漿泵、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、中心式通纜鉆桿、螺桿鉆具等組成[6]。具體見(jiàn)表1。

表1 定向鉆進(jìn)裝備

5 底板水定向探查鉆孔鉆探工藝

5.1 定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)

定向鉆進(jìn)工藝流程如圖1所示。

5.2 回轉(zhuǎn)開孔工藝技術(shù)

一開開孔段：Φ98mmPDC鉆頭+Φ73mm普通鉆桿串，鉆進(jìn)至孔深6m；一級(jí)擴(kuò)孔段：Φ98mm/Φ153mmPDC鉆頭+Φ73mm普通鉆桿串，擴(kuò)至設(shè)計(jì)孔深。二級(jí)擴(kuò)孔段：Φ153mm/Φ193mmPDC鉆頭+Φ73mm普通鉆桿串，擴(kuò)至設(shè)計(jì)孔深。開孔及擴(kuò)孔鉆進(jìn)中，為確保套管順利下入孔內(nèi)，要求鉆孔軌跡要平直，孔內(nèi)沉渣少。

5.3 定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)

定向造斜及穩(wěn)斜段鉆具組合形式為：Φ98mm全面鉆頭+Φ73mm螺桿馬達(dá)+Φ73mm上無(wú)磁鉆桿+Φ73mm隨鉆測(cè)量?jī)x器+Φ73mm下無(wú)磁鉆桿+Φ73mm通纜鉆桿。考慮到使用的螺桿馬達(dá)造斜能力，以及通纜鉆桿彎曲強(qiáng)度，設(shè)計(jì)1.25°造斜強(qiáng)度為1（°）/3m。通過(guò)不斷調(diào)整螺桿馬達(dá)的彎頭朝向，進(jìn)而調(diào)整鉆孔軌跡，達(dá)到精確探測(cè)的目的。

圖1 定向鉆進(jìn)工藝流程

6 工業(yè)試驗(yàn)

采用定向鉆孔超前探查底板水技術(shù)，在陜西某礦某工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)中在1個(gè)工作面及4條巷道設(shè)計(jì)了10個(gè)定向鉆孔，總進(jìn)尺為4 044m，鉆孔最大出水量為400m3/h。（鉆孔剖面如圖2所示，具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2）。試驗(yàn)結(jié)果表明，定向鉆孔超前探測(cè)底板水技術(shù)可以對(duì)探查區(qū)域進(jìn)行全面覆蓋，軌跡可控，效果明顯，為礦區(qū)11號(hào)煤層底板治理提供了保障。

圖2 防治水定向長(zhǎng)鉆孔孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

表2 定向鉆孔試驗(yàn)結(jié)果

7 結(jié)論

煤礦井下定向鉆孔超前探測(cè)底板水技術(shù)的應(yīng)用效果良好，鉆孔最大出水量為400m3/h，為礦區(qū)11號(hào)煤層開采及巷道掘進(jìn)提供了可靠信息，該技術(shù)在陜西某礦區(qū)的成功應(yīng)用促進(jìn)了無(wú)線隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)的推廣，也為煤礦井下底板水害探查提供了技術(shù)支撐。

[1] 姚寧平.我國(guó)煤礦井下近水平定向鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展[J].煤田地質(zhì)與勘探，2008，（4）：78-80.

[2] 石智軍，許超，李泉新，等.隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦井下地質(zhì)勘探中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2014，（12）：137-140.

[3] 白剛，段會(huì)軍，王慶.定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦采空區(qū)防滅火工程中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2016，（6）：132-135.

[4] 方俊，曹明，王繼承.定向長(zhǎng)鉆孔超前探查頂板水技術(shù)在棗泉煤礦的應(yīng)用[J].煤炭工程，2016，（7）：56-59.

[5] 趙祥龍，金鑫.水平定向孔探放煤層頂板砂巖水技術(shù)及其應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2016，（5）：135-137.

[6] 金鑫，楊忠，馮武宏.煤礦井下硬巖定向鉆進(jìn)PDC鉆頭選型及試驗(yàn)分析[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2015，（5）：77-79.

Application of Accurate detecting with Directional Borehole for Floor Water in certain Coal Mine of Shaanxi

He Ying，Jin Xin，Guo Hui

TD745

A

1003–6490（2017）09–0048–02

2017–06–20

何穎（1988—），女，新疆哈密人，助理工程師，主要從事探礦工程及鉆探裝備技術(shù)研究及管理工作。