于成鳳， 金 新， 曹建明

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

貴州大灣煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造復雜，煤層走向起伏多樣，在未開采區(qū)域煤層地質(zhì)資料不詳?shù)那闆r下，準確探明預施工地點地質(zhì)情況，為后期定向鉆進用于瓦斯抽采打好基礎(chǔ)，同時節(jié)省開采成本[1-7]。本文以大灣煤礦120204機巷迎頭地質(zhì)構(gòu)造探測以及順層定向長鉆孔施工為例，介紹了地質(zhì)構(gòu)造探測以及順層定向長鉆孔施工工藝流程。通過地質(zhì)構(gòu)造探測已探明的煤層走勢，為礦方施工提供了準確的地質(zhì)參數(shù)，通過鉆孔軌跡優(yōu)化設(shè)計給出了確定順層定向長鉆孔布孔方法，得出一套適用于大灣煤礦本煤層定向長鉆孔成孔方法和布孔參數(shù)，以解決瓦斯預抽、安全綜掘巷道難題。

1 配套設(shè)備及測量系統(tǒng)

1.1 配套設(shè)備

大灣煤礦井下長距離定向鉆孔施工中使用的鉆機為ZDY6000LD(B)型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機，屬于低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩類型，該鉆機結(jié)構(gòu)布局合理、工藝適應(yīng)性強、操作省力、性能安全可靠等優(yōu)點。主要配套設(shè)備見表1。

1.2 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)型號為Y- S- X- W- T(B)無線隨鉆測量裝置，由防爆計算機、隔爆電源、探管、防爆數(shù)據(jù)存儲器等4部分組成。

工作原理：無線隨鉆測量裝置由探管、控制器配套組成。探管的發(fā)射天線與孔底鉆頭后的上無磁鉆桿連接，利用雙向電磁波無線傳輸技術(shù)把測斜探管中磁通門傳感器、重力加速度傳感器測量鉆桿的空間姿態(tài)參數(shù)實時用電磁波經(jīng)由地層傳輸?shù)降孛婧蟊还潭ㄔ阢@機旁地表天線接收至控制器，電磁波再通過計算機由地面的監(jiān)視器接收解碼還原出傳感器測量出的各種動態(tài)數(shù)據(jù)，送給計算機串口通過數(shù)據(jù)處理軟件生成鉆孔軌跡圖和數(shù)據(jù)表。測量系統(tǒng)連接如圖1所示。

表1 定向鉆進配套設(shè)備

圖1 Y- S- X- W- T(B)無線隨鉆測斜儀連接示意圖

2 大灣煤礦地質(zhì)特征與鉆孔設(shè)計依據(jù)

2.1 大灣煤礦地質(zhì)特征

大灣煤礦隸屬于貴州水城礦業(yè)股份有限公司，位于貴州省六盤水市鐘山區(qū)大灣鎮(zhèn)境內(nèi)，大灣煤礦開采范圍為水城礦區(qū)二塘向斜中、深部，為二塘向斜的主體部分，呈北西向展布的不規(guī)則多邊形，走向長11 km，井田平均傾斜寬2.5 km，面積19.689 km2。煤種為主焦煤，具有低硫、低灰、低磷等特點。開采方式以傾斜長壁俯斜開采為主，走向長壁開采為輔，綜合機械化采煤。大灣煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力為90萬t/a，目前開采2號煤層，煤層厚度1.4 m，系數(shù)f=0.41。2號煤層以及頂?shù)装鍘r性見表2。

2.2 鉆孔設(shè)計依據(jù)

井下鉆場、定向鉆孔布孔方式應(yīng)與現(xiàn)場施工地點的工作面環(huán)境地質(zhì)構(gòu)造因素、煤層開采現(xiàn)狀、鉆機工作能力相匹配；為了達到大灣煤礦2號煤層良好的瓦斯預抽效果，本煤層定向鉆孔布孔時，應(yīng)使定向鉆孔盡量穿過大灣煤礦120204機巷迎頭2號煤層本煤層區(qū)域，保證本煤層瓦斯抽采達標，保障巷道安全掘進。

由于120204機巷迎頭鉆場施工工作面為2號煤層，設(shè)計定向鉆孔布置在煤層中，在煤層中通過調(diào)整鉆具傾角以及前進式開分支工藝探測煤層頂?shù)装?，直到探明地層起伏情況以及2號煤層分布。120204機巷迎頭鉆場2號煤層下面是3號煤層，因此只需要對2號煤層頂板進行探測，確定2號煤層頂板位置，從而探明煤層起伏變化趨勢。該鉆場區(qū)域地層條件復雜，因此施工的過程中要注意定向鉆孔軌跡控制，保證排渣返水通暢。定向鉆進至預定探煤點之前，通過調(diào)節(jié)控制螺桿馬達彎頭朝向快速上升，預留出分支點[8]。

表2 大灣煤礦120204機巷迎頭2號煤層及頂?shù)装鍘r性

2.3 施工工藝流程

根據(jù)現(xiàn)場施工要求，設(shè)計鉆孔軌跡，大灣煤礦120204機巷迎頭鉆場區(qū)域中煤層走勢未知，設(shè)計定向鉆孔是為了探測120204巷道掘進方向煤層走勢，為巷道的瓦斯抽采、掘進提供依據(jù)。本鉆孔采用前進式開分支的工藝，首先從煤層鉆進，向上探測煤層頂板，探頂后后退一段距離選取合適的分支點開分支繼續(xù)探頂，依次類推，直至鉆進到設(shè)計孔深為止，探明煤層傾角，提鉆終孔。

2.3.1 鉆孔設(shè)計

根據(jù)施工要求設(shè)計定向鉆孔鉆進參數(shù)、編寫鉆孔設(shè)計軌跡方案并制定現(xiàn)場相關(guān)施工技術(shù)措施，做好施工前期準備。定向鉆孔軌跡設(shè)計時，通過控制鉆孔傾角(即馬達彎頭朝向)來進行軌跡控制，達到探測煤層頂板的效果。

2.3.2 施工工藝

開孔施工工藝主要采用普通回轉(zhuǎn)鉆進進行施工，主要目的是安裝孔口管和孔口四通，實現(xiàn)邊鉆進邊抽采，防止鉆孔施工過程中瓦斯超限。孔口管采用?150 mm PVC管，下入深度15 m。首先采用“?98 mm PDC鉆頭+?73 mm普通外平鉆桿”鉆具組合，回轉(zhuǎn)鉆進至15 m；其次采用“?153/98 mm PDC擴孔鉆頭+?73 mm普通外平鉆桿”鉆具組合，回轉(zhuǎn)擴孔鉆進至15 m；最后采用“?193/153 mm PDC擴孔鉆頭+?73 mm普通外平鉆桿”鉆具組合，回轉(zhuǎn)擴孔鉆進至15 m。按設(shè)計要求下入?150 mm PVC管15 m，并采用兩堵一注方式進行注漿固管，通過法蘭盤安裝孔口四通，并連接抽采系統(tǒng)。

定向鉆進主要采用滑動鉆進工藝，采用的定向鉆具組合為：礦用無線隨鉆測斜儀YSXWT(B)+?73 mm外平鉆桿+?98 mm胎體式復合片鉆頭”施工至設(shè)計孔深。

在鉆孔軌跡參數(shù)變化較小孔段，可以采取復合鉆進工藝。復合鉆進工藝是指回轉(zhuǎn)鉆進與定向鉆進工藝交替使用，鉆進效率高[9-12]。

通過調(diào)整測量系統(tǒng)軟件上面的工具面向角來控制定向鉆孔鉆進軌跡。大灣煤礦使用的定向鉆機所配套的鉆桿長度為1500 mm的外平鉆桿，定向鉆進施工時，一般一次性加2根鉆桿，定向鉆進通常鉆進3 m時，關(guān)閉泵車停止高壓水的輸送，待水壓降下來后通過測量系統(tǒng)軟件進行定向鉆孔實鉆軌跡參數(shù)的測量。根據(jù)定向鉆孔實鉆軌跡與設(shè)計軌跡之間的偏差進行工具面向角的調(diào)整，調(diào)整到預期的設(shè)計軌跡后，繼續(xù)加鉆桿鉆進至下一次目標位置，一直施工至該分支孔結(jié)束為止，提鉆后根據(jù)設(shè)計軌跡以及實鉆軌跡情況尋找合適的開分支點，下鉆繼續(xù)施工下一個分支孔，施工定向鉆進鉆孔達到設(shè)計孔深后提鉆終孔，最后按照大灣煤礦施工要求進行封孔。鉆孔施工步驟如圖2所示。

3 大灣煤礦定向鉆孔施工及分析

大灣煤礦定向鉆進施工主要采用滑動式定向鉆進工藝[13-15]，鉆進過程中通過泥漿泵產(chǎn)生的高壓水驅(qū)動孔底馬達轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)，再通過萬向軸和傳動軸帶動鉆頭回轉(zhuǎn)碎巖，同時，通過不斷調(diào)整孔底馬達彎頭朝向，進行鉆孔軌跡人為控制，最終實現(xiàn)定向鉆進。根據(jù)鉆孔開孔傾角、方位角設(shè)計參數(shù)，來進行鉆機的穩(wěn)固等工作。本次共施工定向長鉆孔2個，1號定向鉆孔為地層地質(zhì)構(gòu)造探測孔，主孔深度303 m，探頂分支孔7個，分支孔累計孔深888 m，施工工藝為梳狀孔前進式開分支方式。2號定向鉆孔設(shè)計軌跡是在1號鉆孔地層情況探明的前提下為依據(jù)進行設(shè)計的。根據(jù)1號鉆孔的實鉆軌跡，以及見煤孔段，做出2號鉆孔設(shè)計軌跡。

圖2 前進式開分支工藝流程圖

2號定向鉆孔為順層定向孔，主孔深度306 m。2個定向主孔以及分支孔鉆進累計進尺1497 m。施工情況統(tǒng)計表見表3，實鉆軌跡如圖3～6所示。

表3 大灣煤礦2個定向鉆孔施工統(tǒng)計

本次共施工2個長鉆孔，7個分支孔。1號鉆孔為煤層頂板探測孔。通過開分支方式進行探頂，由表3可看出，1號孔見煤段進尺為230 m，整個鉆孔見煤率高達75%。

根據(jù)1號鉆孔的實鉆軌跡，以及見煤孔段，把見煤點連接成一條曲線，作為2號鉆孔設(shè)計軌跡，設(shè)計軌跡如圖5、圖6所示。由表3可看出，2號鉆孔見煤段進尺為195 m，整個鉆孔見煤率為63.7%。2號定向鉆孔鉆進過程具有代表性，可為后續(xù)定向鉆孔施工提供參考。

圖3 1號鉆孔、分支孔實鉆軌跡剖面圖

圖4 1號鉆孔、分支孔實鉆軌跡平面圖

圖5 2號鉆孔實鉆軌跡剖面圖

圖6 2號鉆孔實鉆軌跡平面圖

本次采用ZDY6000LD(B)型定向鉆機以及附屬定向鉆進裝備，共完成2個定向長鉆孔，完成分支孔數(shù)7個，所有分支孔深累計888 m，定向鉆孔鉆進累計孔深1497 m。

4 結(jié)論

利用前進式開分支孔工藝，實現(xiàn)了1號鉆孔復雜煤層地質(zhì)構(gòu)造精準探頂，鉆孔見煤段高達75%。分析研究并優(yōu)化設(shè)計1號鉆孔實鉆軌跡以及見煤段作為2號鉆孔設(shè)計軌跡，施工鉆進過程中高精度控制2號鉆孔軌跡大大增加了順層定向孔在復雜煤層中的覆蓋率，2號鉆孔見煤段高達63.7%，較大幅度提高了瓦斯抽采率，為巷道掘進打好基礎(chǔ)。

ZDY6000LD(B)型定向鉆機以及附屬定向鉆進裝備與工藝適合于大灣煤礦定向鉆孔施工，為實現(xiàn)大灣煤礦本煤層區(qū)域瓦斯治理和巷道安全掘進提供了一個有效的工藝方法，對于大灣煤礦安全高效生產(chǎn)有重要意義。

參考文獻：

[1] 李子豪.長距離定向鉆探技術(shù)在探查小煤礦邊界及老空水中的應(yīng)用[J].煤炭工程,2015,47(5):36-38.

[2] 石浩,張杰.煤礦井下精確定向探放水技術(shù)[J].煤礦安全，2015,(2):64-68.

[3] 李長寅,邢德恩.深井采煤工作面探放水技術(shù)應(yīng)用[J].煤炭工程,2011,43(7):31-32.

[4] 姬中奎,任強.布爾臺煤礦大采面老空區(qū)積水探放技術(shù)研究[J].煤炭工程,2013,45(10):66-68.

[5] 劉基,趙忠證,丁湘.千米定向鉆機在高壓探放水中的應(yīng)用研究[J].煤炭工程,2014,46(11):36-38.

[6] 譚軍,廉法憲,宋輝.負壓俯角探放老空區(qū)積水的技術(shù)應(yīng)用[J].煤炭工程,2015,47(1):50-52.

[7] 王毅武,金向陽.開采煤層上方老空區(qū)積水的防治技術(shù)[J].煤炭工程,2013,45(4):53-54.

[8] 姚寧平，張杰，李泉新，等.煤礦井下定向鉆孔軌跡設(shè)計與控制技術(shù)[J].煤炭科學技術(shù)，2013,41(3):7-11,46.

[9] 劉金凱,張春雷,霍利杰,等.近水平煤層大采高綜放開采冒落帶高度研究[J].煤礦安全，2014，45(7):23-25.

[10] 楊貴.綜放開采導水裂隙帶高度及預測方法研究[D].山東青島:山東科技大學，2004.

[11] 夏小剛,黃慶享.基于空隙率的冒落帶動態(tài)高度研究[J].采礦與安全工程學報，2014，(1):102-107.

[12] 倪紹虎,何世海,汪小剛,等.裂隙巖體水力學特性研究[J].巖石力學與工程學報，2012，31(3):488-498.

[13] 方俊,石智軍,李泉新,等.頂板高位定向大直徑長鉆孔鉆進技術(shù)與裝備[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2015,35(7):92-97.

[14] 張村,屠世浩,白慶升,等.陷落柱周邊應(yīng)力變化及推采控制研究[J].中國礦業(yè)大學學報,2014，(6):974-980.

[15] 姚寧平,張杰,李喬喬.煤礦井下近水平定向鉆技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤炭科學技術(shù),2011,39(10):53-57.