趙祥龍

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

0 引 言

頂板砂巖水害是西部煤礦水害的主要種類之一，對(duì)煤礦生產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1-2]，采前施工探放水工程是進(jìn)行頂板水害防治的主要手段。常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)探放水距離有限，且鉆進(jìn)終孔位置與設(shè)計(jì)目的位置偏差較大，為保證良好的疏放效果不得不采用多孔設(shè)計(jì)，但多孔施工又使得施工周期變長、探放水效率低下[3-5]。隨著煤礦開采的不斷智能化，對(duì)地質(zhì)條件探查精度的要求越來越高，普通鉆進(jìn)方式已無法滿足現(xiàn)代化礦井建設(shè)要求。定向鉆技術(shù)精度高、效率高，通過控制鉆進(jìn)軌跡實(shí)現(xiàn)長距離精確靶中目的區(qū)域，在煤礦巷道形成之前完成超前探放，大大縮短了煤礦工作面的準(zhǔn)備時(shí)間[6-8]。

1 工作面概況

62103 工作面為唐家會(huì)煤礦二盤區(qū)西翼第3 個(gè)工作面，工作面走向平均長1 000 m，傾向均寬240 m。煤層傾角0°～8°，平均2°，煤層厚22.4～24.27 m，平均23.34 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含3～15 層夾矸，夾矸厚1.3～6.47 m，矸石巖性為泥巖，局部含粉砂，全區(qū)穩(wěn)定，煤質(zhì)為長焰煤。工作面地質(zhì)儲(chǔ)量為1 269 萬t，可采儲(chǔ)量1 079 萬t，采用綜采放頂煤方法開采，機(jī)采底部4 m，之上為放頂煤。

地面對(duì)應(yīng)位置位于工廣以南1.7 km，隸屬于邦郎色太村，地面對(duì)應(yīng)有何家圪旦村莊，其余為第四紀(jì)黃土，局部第三紀(jì)及白堊系地層出露，發(fā)育有沖溝，沒有其他構(gòu)筑物。地面標(biāo)高+1 235.0～+1 322.2 m。

2 水文地質(zhì)條件

6 號(hào)煤頂板砂巖含水層，巖性以中粒砂巖、細(xì)粒砂巖為主，厚0.30～14.50 m，平均4.36 m。單孔涌水量一般為3～10 m3/h，最大20 m3/h，該含水層單位涌水量q=0.060 L/s.m。

此前對(duì)61101、61103、61201 三個(gè)工作面進(jìn)行過鉆孔疏放水施工，頂板砂巖水水量較大，單孔最大涌水量為100 m3/h，累計(jì)疏放頂板砂巖水52.5 萬m3。可結(jié)合以往工作面頂板砂巖水的富水性，對(duì)62103 工作面頂板砂巖水進(jìn)行疏放來解決回采期間水害的治理問題[9]。

3 疏放水工程設(shè)計(jì)

3.1 鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

煤礦井下近水平定向長鉆孔軌道設(shè)計(jì)可近似為曲線與直線的組合，以“直線- 曲線- 直線”的形式為主。實(shí)際上由于井下定向鉆孔全孔均采用螺桿鉆具施工，鉆孔實(shí)際軌跡為螺旋型曲線，但在直線段施工時(shí)，其傾角及方位變化小，鉆孔基本圍繞直線延伸，鉆孔軌跡可近似為直線。

為了實(shí)現(xiàn)快速覆蓋62103 工作面范圍內(nèi)頂板含水層且達(dá)到疏放水的目的，依據(jù)水文地質(zhì)資料，結(jié)合煤礦防治水規(guī)定要求[9-10]，以及工作面形成周期，決定在62103 工作面6 煤頂板布設(shè)2 個(gè)鉆場，3 個(gè)定向長鉆孔6-1、6-2、6-3 孔。鉆孔平面圖如圖1 所示，剖面圖如圖2 所示，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖1 6 煤層頂板疏放水定向鉆孔軌道設(shè)計(jì)平面圖

圖2 6 煤頂板疏放水定向鉆孔設(shè)計(jì)軌道剖面示意圖

表1 62103 工作面煤層頂板疏放水定向鉆孔工程量

3.2 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

定向鉆孔的主孔均采用二級(jí)鉆孔結(jié)構(gòu)：即第一級(jí)采用φ153 mm PDC 鉆至6 煤頂板，下入φ127 mm 孔口管至6 煤頂板，用水泥漿液封孔；第二級(jí)采用φ98 mm PDC 鉆頭定向鉆進(jìn)至終孔，見圖3。

圖3 6 煤頂板疏放水定向鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 精確鉆進(jìn)技術(shù)及裝備

此次定向鉆進(jìn)技術(shù)使用YHD3-1500 型泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)，其特點(diǎn)是效率高、精準(zhǔn)度高，可以利用此系統(tǒng)精確靶中疏放區(qū)域。此系統(tǒng)主要由防爆計(jì)算機(jī)、防爆鍵盤、防爆數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、防爆測量探管和防爆壓力變送器等5 部分組成[11-13]。往常需要更換中心式通纜鉆桿來進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量，節(jié)省了來回更換鉆具時(shí)間，增加了鉆進(jìn)效率。

根據(jù)鉆孔深度及傾角決定鉆機(jī)使用ZDY-6000LD，泥漿泵從原來的3NB-BW320 更新至BW600/10，增加了泵壓與流量，為更好的處理鉆孔事故提供了保障，同時(shí)也加快了鉆進(jìn)效率。

4 疏放水工程施工

62103 工作面共設(shè)計(jì)3 個(gè)頂板砂巖水疏放孔，總進(jìn)尺為2 535 m，其中最大孔深為966 m（6-2 孔），探測區(qū)域覆蓋62103 整個(gè)工作面范圍內(nèi)頂板目標(biāo)含水層，單孔最大水量為130 m3/h。鉆孔施工順利，鉆孔施工實(shí)際軌跡滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)鉆軌跡圖如圖4所示，鉆孔施工情況統(tǒng)計(jì)見表2。

圖4 6 煤頂板疏放水實(shí)鉆軌跡圖

表2 鉆孔施工情況統(tǒng)計(jì)

5 疏放水效果分析

對(duì)6-1、6-2 及6-3 鉆孔進(jìn)行無鉆測量涌水量，其動(dòng)態(tài)特征曲線如圖5、圖6、圖7 所示，從3 個(gè)定向鉆孔初始涌水量情況可看出，6 號(hào)煤層頂板砂巖含水層具有出水量較大、出水持續(xù)時(shí)間較長的特征，特別是6-1 號(hào)鉆孔，從6 月份初始出水至9 月底出水結(jié)束，最大出水量為130 m3/h，持續(xù)出水3 個(gè)月，共放水約13 萬m3。說明6 煤層頂板砂巖含水層區(qū)域富水性性強(qiáng)，單一鉆孔疏放煤層頂板砂巖水效果較好。此外，在鉆孔施工完成后，存在鉆孔出水均伴隨有出沙現(xiàn)象，說明6 煤頂板砂巖含水層巖性膠結(jié)程度差，在水流沖刷作用下易崩解。

圖5 6-1 號(hào)鉆孔流量歷時(shí)曲線圖

圖6 6-2 號(hào)鉆孔流量歷時(shí)曲線圖

圖7 6-3 號(hào)鉆孔流量歷時(shí)曲線圖

6 結(jié)論與建議

1）采用水平定向鉆孔精確地對(duì)62103 工作面頂板砂巖水進(jìn)行了疏放，單孔最大涌水量達(dá)130m3/h，累計(jì)疏放水量達(dá)13 萬m3，消除了工作面采前頂板水害隱患，為后續(xù)巷道掘進(jìn)、工作面回采的安全進(jìn)行提供了保障。

2）采用了更為先進(jìn)的泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)及泥漿泵，增加了鉆進(jìn)效率，使水平定向鉆進(jìn)技術(shù)更為高效精確，大大縮短了煤礦工作面的準(zhǔn)備時(shí)間。

3）通過分析鉆孔成孔周期內(nèi)涌水量變化情況，發(fā)現(xiàn)鉆孔出水量與鉆進(jìn)速率成正比，說明鉆孔出水可加快鉆孔巖屑的排出，有助于鉆進(jìn)速率的提高。