定向钻机在矿井防治水中的应用效果研究

管志强，张洪峰

（1.大同煤炭集团永定庄煤业有限责任公司，山西 大同 037000；2.同煤集团安全监管五人小组管理部，山西 大同 037000）

引言

煤矿安全生产一直是备受关注的问题，影响煤矿安全生产的威胁源以瓦斯和水害事故为主。而且，水害事故的严重程度仅次于瓦斯事故。目前，主要以井下物探技术和大角度上仰常规钻孔进行顶板含水体的探查和疏放[1]，但这种防治水技术存在探查精度低、治理效果差的问题。为此，本文以某煤矿为例将定向钻孔技术应用于矿井的防治水中，并对其应用效果进行验证。

1 工程概况

某煤矿共含有煤层数量27 层，且煤层的平均揭露厚度为331 m。经现场勘测可得：该煤矿可全部开采的煤层共有3 层，大部分可开采的煤层有8 层，局部可开采的煤层有8 层，剩余不可开采的煤层有4层。本文主要针对该煤矿2 号煤层的开采为研究对象，2 号煤层的平均厚度约为4.9 m，煤层面积共有58 m2，可开采面积占总面积的64%。2 号煤层的顶底板情况如表1 所示：

表1 2 号煤层顶底板情况

此外，2 号煤层工作面的水文条件如下：该区域水层的总静储量约为3.78×106m3，当实际开采时在矿压的影响下水层的静储量约为1.96×106m3。

针对某煤矿2 号煤层的地质、水文以及顶底板情况，拟将定向钻孔技术应用于该煤层的防治水工作中。

2 定向钻孔技术的应用

考虑到工作面的物资的运输及排水的效率，在充分结合2 号工作面煤层走向及工作面周边巷道情况的基础上，将钻场设定在31 采区回风联络巷和3121 工作面泄水巷的交汇处。

2.1 钻孔的布置

按照定向钻孔的影响半径为50 m 计算，为2 号煤层工作面顶板布置6 个钻孔，且钻孔的分布形状为束形。其中，在下分层含水层设置两个钻孔（编号为2 号、4 号），在上分层含水层设置四个钻孔（编号1 号、3 号、5 号、6 号），且上述六个钻孔的位置及技术参数如表2 所示：

表2 钻孔位置及技术参数

根据2 号煤层工作面的水文条件，将定向钻孔穿过煤层后，采用斜钻井技术穿过工作面的顶板并最终进入含水层[2]。鉴于定向钻孔防治水具有水压、水量可控的优势，将钻孔上套管的直径设定为165 mm，该钻孔穿过不稳定岩层1 m 后将斜造段的钻孔直径设定为127 mm，将定向稳斜段钻孔直径设定为96 mm。

2.2 定向钻孔设备的配置

为满足定向钻孔技术在2 号煤层工作面的防治水工作，要求所采用的钻井设备具有理想的机身调整范围，并具有较高的抗干扰能力，以确保钻孔工艺实施的安全性和可靠性。根据2 号煤层的地质、水文等条件为定向钻孔的实施配置如表3 所示的设备：

表3 定向钻孔实施设备配置

除表3 所示，还为定向钻孔设备配置了四种钻杆，分别为通缆钻杆、无磁钻杆、螺旋钻杆和顺孔钻杆。其中，通缆钻杆的直径为Φ73 mm，主要用于对定向钻孔的施工；无磁钻杆主要用于对钻孔的探查，具有较强的抗干扰能力；螺旋钻杆共有Φ120 mm 和Φ130 mm 两种规格，主要用于钻孔套管孔的施工；顺孔钻杆主要用于套管段的施工[3]。

2.3 定向钻孔工艺的施工

根据前期钻孔的位置参数及技术参数的确定，为定向钻孔的实施配置了对应的钻探设备[4]。根据设计要求，需要为2 号工作面顶板的防治水工作钻6 个定向孔，5 个分支孔。经统计，所钻孔的总进尺量可达3 363 m，单个钻孔最大深度为594 m，对应该钻孔的最大出水量为216 m3/h。每个定向钻孔完成后对应的涌水量分别如下：1 号钻孔的涌水量为46 m3/h；2 号钻孔的涌水量为129 m3/h；3 号钻孔的涌水量为162 m3/h；4 号钻孔的涌水量为129 m3/h；5号钻孔的涌水量为120 m3/h；6 号钻孔的涌水量为216 m3/h。

3 应用效果分析

采用定向钻机开展对某煤矿2 号煤层的防治水工作，经现场实施可得：定向钻机具有成孔率高，与传统钻设备相比其成孔效率可提升30%；整个钻孔工艺的实施过程中套管孔的钻进仅需要2 d 的工期，为后期安全钻进和水压的控制奠定基础；经随钻参数的实时监测，定向钻孔的偏差可以控制在0.5%的范围之内，具有精度高的优势[5]。

此外，采用定向钻孔技术对工作面完成钻孔工艺后，其防治水效果明显。待定向钻孔工艺完成后，在应用一段时间内，不同钻孔对应的疏水量如表4所示。

表4 钻孔疏水量及涌水量变化统计

如表4 所示，定向钻孔实施后2 号煤层工作面的涌水量明显降低，说明定向钻机在工作面顶板的探放水工作中具有良好的应用效果。

4 结论

1）根据2 号煤层的顶底板、地质以及水文等条件为工作面顶板的防治水工作设计6 个定向孔，将钻场设定在31 采区回风联络巷和3121 工作面泄水巷的交汇处，以ZDY6000LD 履带式全液压定向钻机为核心设备完成定向孔的实施。

2）根据设计要求及实施工艺完成钻孔的施工，试运行一段时间后工作面的涌水量明显降低，而且在施工过程中发现采用定向钻机具有钻孔效率高、精度高的优势。