定向鉆機在探放水方面的技術應用

張武龍

（山西晉能控股煤業集團古書院礦，山西 晉城 048000）

1 礦井概況

山西晉煤集團翼城晟泰青洼煤業有限公司，批準開采2-9#煤層，生產規模0.60 Mt/a，井田面積3.909 6 km2，批采標高+1 119.98～+829.97 m。全井田設置兩個水平，一水平設在2 號煤層，水平標高+1 085 m，開采2、3 號煤層；二水平設在9 號煤層，水平標高+985 m，開采9 號煤層。根據開拓布置情況，一水平2 號煤層劃分為三個采區。3 號煤層劃分為兩個采區。二水平9 號煤層劃分為兩個采區，9 號煤層大巷北部劃分為一采區，南部劃分為二采區。3 號煤與2 號煤層間距為9.11 m；采用下行式開采順序，先采2 號煤上分層，然后開采2 號煤下分層，最后開采3 號煤層。2206 綜放工作面位于井田一水平二采區，總體呈一單斜構造，煤層傾角3°～7°，平均5°左右。22061 巷道設計長度413 m，寬5.2 m，高2.9 m，巷道沿頂板掘進，采用一次成巷，錨網、鋼帶聯合支護，并進行錨索補強的支護方式。工作面22061 巷末端處較高，底板標高為+1 000.7 m；開口處較低，底板標高為+972 m，高差28.7 m 左右。該面涌水主要來源于K8砂巖裂隙含水層。K8砂巖含水層距2 號煤頂板約16 m。根據水文孔抽水試驗及礦井已采面情況，該含水層弱富水，表現以淋水為主，對巷道掘進影響??； 礦井奧灰水水位標高為+891～+894 m，22061 巷最低點標高為+972 m，處于奧灰水不帶壓區域，水文地質條件較簡單。22061 巷掘進時正常涌水量約5～10 m3/h，最大涌水量約20 m3/h左右。但22061 巷西北部為被整合的原青洼煤業一采區采空區，整合后在主要軌道運輸巷施工了探測原采空區鉆孔，未出水；22061 巷東部為工作面內部；22061 巷北為二采區膠帶巷（已掘）；22061巷南部為2207 工作面。

結合現有水文地質資料分析，原青洼煤業一采區采空區呈現南高北低態勢，最北側2105 工作面回采前已向采空區方向施工放水鉆孔，水量較小。目前21051 巷密閉為一采區東翼最低點，該密閉無水涌出，且主要軌道巷前期在距底板1 m 左右施工探采空區鉆孔，也未不出水。分析原青洼煤業一采區采空區無大面積積水，但在其低洼處可能存在少量積水，施工期間最大單孔出水量為30 m3/h。

2 設計及施工情況

2.1 項目設計

（1）探測位置及鉆孔參數

為探清采空區范圍，采用ZDY6000LD 全液壓鉆機向采空區進行打孔探測。

鉆場位于22061 巷回風聯絡巷距開口處2.6 m，開孔傾角為+4°，開孔方位240°，目標方位228°。鉆孔分為1 個主孔，2 個分支孔，主孔長438 m（以見采空區為準）。在主孔孔深168 m 附近預留開分支節點開一號分支，長度192 m（以見采空區為準）； 在主孔孔深24 m 附近預留開分支節點開二號分支，長度228 m（以見采空區為準）。預計總進尺858 m，如表1、圖1 所示。

（2）鉆孔工藝

定向鉆孔開孔高度距巷道底板1.5 m，在2 號煤層內開孔，采用φ193 mm 開孔鉆頭鉆進至10.5 m后，下設10 m 的φ160 mm 孔口管護孔，隨后水泥漿固管，鉆孔結構如圖2 所示。

圖2 鉆孔結構(單位/mm)

綜合考慮《煤礦防治水細則》相關規定，止水套管長度10 m，止水套管外徑φ160 mm，內徑φ150 mm，使用注漿泵注漿加固注漿后凝固24h，然后掃孔進行耐壓試驗，試驗壓力1.5 MPa，持續時間不少于30 min，注漿及試壓使用鉆機水泵進行作業。在鉆場附近10 m 范圍內施工沉淀池。

2.2 鉆探設備及材料

主要鉆探設備:ZYL-6000LD 全液壓定向鉆機主要用于煤礦井下瓦斯抽（排）放、注漿防滅火、煤層注水、防突卸壓、地質勘探等各類工程定向鉆孔的施工。適用于巖石堅固性系數f≤10 的各種煤層、巖層及礦井巷道定向鉆孔施工。鉆機可獨立行走，原地轉彎，要求巷道或鉆場高度大于3 m，寬度大于3.5 m，斷面大于10.5 m2。也可用于金屬、非金屬固體礦床勘探的金剛石小口徑鉆進，工民建筑、公路、鐵道、橋梁、水壩、國防建設等工程地質勘察以及水文油氣田的勘探和堤壩注漿等工程。該鉆機采用新型全方位機架結構，集成水平方位旋轉、上下提升、傾角調整和縱向橫向錨固，調斜角度范圍為-30°～+90°，方位角可調角度范圍0°～360°，可以快速調節開孔高度和傾角。采用機架縱向、橫向復合錨固機構，在進行深孔鉆進時，鉆機的穩定性高。該鉆機主要配套產品有孔底馬達、礦用隨鉆測量裝置、定向鉆桿等。

材料：φ160 m×5 mm×1 000 mm 止水套管，配套孔口閘閥及孔口壓力表，水泥及速凝劑。

鉆具組合： 開孔：φ193 mm 鉆頭+φ73 mm 通纜鉆桿+φ73 mm 水尾。鉆進：φ94 mm 鉆頭+φ76 mm螺桿鉆桿，下無磁鉆桿+φ76 mm 測量短節+φ76 mm，上無磁鉆桿+φ73 mm 通纜鉆桿+φ73 mm 水尾。

鉆孔結構：井下定向探測鉆孔在煤層內開孔，采用φ193 mm 開孔鉆頭鉆進10.5 m 后，下設10 m φ160 mm 止水套管護孔，隨后水泥漿固管。

2.3 22061 巷探測臨近采空區鉆孔

設計要求，從2022 年3 月2 日開始施工22061巷探測臨近采空區鉆孔，具體情況如表2 所示。

表2 22061 巷探測臨近采空區鉆孔參數明細

（1）嚴格執行審定的設計、措施、技術要求和操作規范；

（2）開孔深度及孔徑必須符合設計規定，封孔質量要滿足設計要求；

（3）鉆孔終孔必須見空，若未見空則繼續施工，直到鉆孔見空為止；

（4）接近采空區時放慢鉆進速度，注意觀察返水情況，區分煤巖性；

（5）鉆場附近要配備足夠的堵水材料，一旦鉆孔出水，排水系統無法滿足排水需求，要及時用堵水材料對鉆孔進行封堵，避免水淹巷道，造成設備損毀；

（6）鉆孔出水后，第一時間對出水進行水質化驗，為判斷出水水源提供依據；

（7）鉆孔施工完畢退桿后采用注漿的方式將鉆孔進行全孔封堵，防止有毒有害氣體涌出。

2.4 鉆孔施工情況

（1）2022 年3 月2 日～3 月17 日，成功施工1#鉆場1#主孔，終孔435 m。其中0～291 m 鉆孔沿煤層施工，292～435 m 鉆孔在煤巖交界線附近頂板巖層內施工，終孔見空、少量出水，終孔定向系統測量垂深35.3 m。

（2）2022 年3 月18 日～3 月20 日，成功施工1#主孔180 m 一級分支孔，終孔375 m，180～279 m鉆孔沿煤層施工，280～333 m 鉆孔在煤巖交界線附近頂板巖層內施工。334～375 m 鉆孔沿煤層施工，終孔見空、未出水，終孔定向系統測量垂深22.67 m。

（3）2022 年3 月20 日～3 月21 日，成功施工1#主孔45 m 一級分支孔，終孔225 m。其中45～141 m 鉆孔沿煤層施工，142～225 m 鉆孔在煤巖交界線附近頂板巖層內施工。終孔見空、未出水，終孔定向系統測量垂深14.76 m。

（4）鉆孔具體施工情況如表2、圖3 所示。

圖3 22061 巷探測臨近采空區工程鉆孔施工平面

3 22061 巷鉆孔探測臨近采空區工程成果

本次定向鉆探工程共施工一個主孔，兩個分支孔，三個鉆孔均在煤層和煤層交界線附近區域內施工，三個鉆孔終孔均見空，除1#主孔終孔少量出水外，1#分支孔和2#分支孔均未出水。

通過鉆孔綜合資料分析，采空區邊界線確定為沿1#主孔435 m （見空）-1#分支孔375 m （見空）-2#分支孔225 m（見空）的一條不規則曲線，基本確定采空區范圍。同時排除了采空區內大面積積水的可能，確定一采區采空區積水對2206 綜放工作面采掘無影響。

通過本次22061 巷鉆孔探測臨近采空區工程及相鄰巷道地質資料綜合分析，推斷1#主孔292 m-1#分支孔280 m -2#主孔分支孔142 m 區域內為上盤斷煤交線，1#主孔探至終孔435 m 處，1#分支孔探至終孔225 m 處都還位于巖層中，因此無法確定斷層下盤斷煤交線。但依然可判定斷層位于此區域之間，和相鄰F5斷層為同一條斷層，走向為北東- 西南走向，落差5～12 m，傾角75°左右。預計該斷層延伸至22061 巷，巷道掘進過程中應注意斷層對生產銜接的影響。

本次施工圓滿完成了探測采空區邊界及積水的任務，達到了探測目的。

4 結語

本次采用全液壓定向鉆機施工探測鉆孔，施工了3 個定向鉆孔，對22061 巷探測臨近采空區的邊界進行了有效圈定，排除了采空區存在大量積水的可能。由于該區域地層起伏且斷層較發育，定向鉆孔施工軌跡均是拋物線型，同時探測了一條斷層。在22061 巷掘進過程中需嚴格執行“有掘必探”，以確保采掘安全。由于在22061 巷附近有一條斷層，可能影響巷道掘進，巷道掘進到300 m左右時，應提前采取相應措施，確保巷道安全掘進。

通過對22061 巷臨近采空區的探測，達到了預期的效果，緩解了掘進接替和生產被動的緊張局面，對整合礦井的采空區探測有較好的參考意義。