千米定向钻高效超前探测井田边界采空区技术与实践

冉星仕， 白成杰， 孙万明

(1.神木县隆德矿业有限责任公司，陕西 神木 719316；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)



千米定向钻高效超前探测井田边界采空区技术与实践

冉星仕1， 白成杰1， 孙万明2

(1.神木县隆德矿业有限责任公司，陕西 神木 719316；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

隆德煤矿为超前探测井田边界采空区、解决巷道掘进安全及接续紧张问题，对比不同探测方法后，采用千米定向钻探技术确定了206和202工作面巷道及切眼的合理位置，实现了超前探测与巷道掘进的同步作业，保证了矿井安全高效生产，并进一步提高了资源采出率。千米定向钻探技术具有单孔成孔距离长、钻探轨迹可控、钻进效率高、安全性好、劳动强度低等优点，是解决煤矿老空区探测的有效技术手段。

千米定向钻；超前探测；井田边界；采空区

High Efficient Advanced Exploration Technology and Practical of Mine Border Goaf with Kilometer Directional Drill

神木县隆德煤矿206和202工作面位于井田东翼，202工作面北部为井田边界，206工作面南部为208工作面采空区，两个工作面切眼均靠近井田东部边界，与某民营煤矿相邻。该民营煤矿在隆德煤矿东部边界形成了较大范围的老空区，相邻边界采掘技术资料不清，老空区范围不明，老空区积水量情况也无准确数据。这对隆德煤矿在东部井田边界采掘作业尤其是206和202工作面切眼位置的确定构成严重的安全威胁和影响。因此，进行超前探测工作，确保掘进和回采安全，就显得尤为关键。

1 方法的选择及原理

1.1 方法选择

常用的超前探测工作主要有地面钻探、地面物探和井下定向钻探。

(1)地面钻探 虽能直观地揭露井下煤层及采空区分布情况，但是单个钻孔揭露范围太小，且受小煤窑开采工艺影响，以钻孔探测采空区的可能性较低。加大钻孔密集虽可更准确地探测采空区范围，但工程费用高昂，且根据以往地面钻探施工情况，大面积施工钻孔的占地协商将是一大难题。

(2)地面物探 受地域局限，影响因素较多，解释多样不定，准确率较低，费用也较高。且在地面开展物探工作，需大面积动工，同样面临占地协调难题，工程将难以进行，工期过长。

(3)井下定向钻探 采用现代化千米钻机超前探测技术，将定向钻机置于掘进头侧后方硐室内，可实现探水作业与掘进作业同步进行，互不干扰，有利于实现高产高效的生产能力[1-3]。

1.2 定向钻探原理

在地质勘探中定向钻探是指利用钻孔自然弯曲规律或采用人工造斜工具使钻孔按设计要求进行延伸钻到预定目标的一种钻进方法。

千米定向技术是利用钻机的定向造斜纠偏功能，通过测量系统的精确测量和自动分析，及时控制和处理钻头方向，进而控制钻进轨迹。

定向钻机施工时，钻杆将高压水输送至孔内马达，高压水促使马达内的转子转动，进而通过前端轴承带动钻头旋转。钻孔轨迹主要靠孔内马达的弯接头控制，弯头与钻杆之间的夹角决定了钻进的方向和最终的轨迹。配套的测量系统主要测量方位角、倾角和弯接头方向，依此计算出测点坐标。通过所有测点坐标将描绘出当前的钻进位置，通过对比预设轨迹计算出轨迹偏差，以此及时调整弯接头方向，最大限度地保证钻进轨迹与设计的一致性。

1.3 定向钻探的优势

定向钻探技术的优越性主要体现在以下几个方面：

(1)单孔成孔距离长、探测范围大、劳动强度低[4]常用的矿井钻机一般探测深度在70～100m，超前距30m，有效距离只剩40～70m，每掘进40～70m便要重新搬运钻机，重新布孔和固管，正常钻探前准备时间较长；且钻机较重，搬家极为不便，在使用大型机械搬运钻机时存在很大的安全隐患，频繁的搬迁也使劳动强度过大，工作效率也随之降低。千米定向钻孔一般施工500～800m，平均以700m计算，每700m常规钻机则需搬家10～17次，而定向钻机是履带式钻机，接电即可行走，大大减少了搬运次数，增加了工作效率。

(2)钻探作业与掘进作业同步进行[1]采用常规钻探进行采空区探测需将钻机稳固在掘进工作面，在钻探作业期间，无法进行掘进作业。千米定向钻施工地点可布置在掘进工作面侧后方，通过控制钻探轨迹使钻头绕过掘进工作面之后进行超前探测，从而实现了钻探作业与掘进作业同步进行。

(3)钻探轨迹可控 常规钻机的钻头角度一般不可调且易跑偏，钻孔轨迹难以实现较精确地控制，甚至有导通含水层的可能。而千米定向钻机具有可调钻头和精确测量系统，可较为精确地控制钻头方向和钻进轨迹。

(4)补充精确的地质资料[4]千米钻探技术钻探轨迹上的每一个测点的坐标都可以精确测出，可以此用于地质情况的揭露和准确描述，并作为地质资料的补充。

(5)提高钻探作业安全性 定向钻探时夹持器始终保持夹紧状态，不会发生突然退钻等伤人事故；而常规钻探时若发生孔底压力，则易造成突然退钻，容易造成安全事故。

(6)减少材料消耗[5]常规钻探每次施工前须施工孔口管，各种管材、注浆固管材料消耗较多，搬家、固管次数多，不利于快速高效掘进。千米定向钻探在施工钻孔时，套管、固管、耐压试验、闸阀一次安装，节约了材料消耗，且提高了生产效率。

2 实例分析

2.1 布置依据

隆德煤矿206工作面、202工作面巷道先后要掘进至井田东北边界，为了确定2个工作面的切眼位置必须先探明井田边界附近是否存在采空区，为此，以南部已回采的208工作面辅运巷(即206回风巷)正对切眼的位置为起点，根据巷道掘进顺序和接续需要，分别向北、向东沿巷道和切眼的设计位置和方向依次布置超前钻孔，探查井田范围内是否有采空区，并确定2个工作面的切眼位置。

2.2 技术方案

选用ZDY3500L(A)履带式液压千米定向钻机，结合隆德煤矿206和202工作面的实际条件，在保证正常掘进作业的前提下制定了钻探施工方案[6]。如图1所示。

图1 钻孔布置

该施工方案共包括6个定向钻孔，具体情况如下：

(1)T1定向钻孔 在208辅运巷(即206回风巷)正对208切眼位置，垂直208辅运巷向煤柱施工T1钻孔。钻孔设计长度420m，穿过206辅运巷50m，初步探测临近煤矿采空区范围是否进入206工作面。

(2)T2定向钻孔 在206辅运巷1900m处硐室(图1中T2线起点)内沿巷道延伸方向的外侧施工T2定向钻孔，设计深度780m，与T1呈包围之势，探测包围圈内有无越界采空区，确保206胶辅巷道可安全掘进。

(3)T3定向钻孔 在206辅运巷2630m处硐室(图1中T3线起点)内继续沿巷道延伸方向的外侧施工T3定向钻孔。钻孔设计深度382m，探测巷道前方及外侧有无越界采空区，确保206胶辅巷道可安全掘进。

(4)T4定向钻孔 在206胶运迎头钻机硐室内沿206切眼方向施工T4定向钻孔。钻孔设计深度378m，探测前方有无越界采空区，确保206切眼可安全掘进。

(5)T5定向钻孔 206工作面形成后，在206辅运巷迎头联巷内沿保护煤柱向202工作面范围施工T5定向钻孔，设计深度682m，探测井田边界有无越界采空区，确保202探巷可安全掘进，圈定202可采边界。

(6)T6定向钻孔 202探巷形成后，在202探巷迎头硐室内沿保护煤柱方向施工T6定向钻孔。钻孔设计深度700m，探测井田边界有无越界采空区，确定202巷道开口位置及202胶辅巷道的安全掘进，待202巷道掘完之后定向钻探与常规钻探相结合，确定202切眼位置。

2.3 定向钻探技术应用效果

千米定向钻探技术实现了采空区探测与巷道掘进的同步作业，有效缓解掘进安全与接续紧张的矛盾；为工作面巷道及切眼的掘进和定位提供了安全保障；将206工作面切眼位置向前移进了131m；将202工作面切眼向前移进了39m，减少了煤炭损失，提高了矿井采出率；为202工作面探巷的安全掘进提供了首要条件，并可将边角煤直接作为可采资源，进一步提高了矿井采出率。

3 结 论

隆德煤矿采用千米定向钻实现了高效超前探测井田边界采空区的目的，为206和202工作面的巷道掘进和定位提供了安全保障，有效预防了老空区水害；实现了探测与掘进的同步作业，极大提高了生产效率，解决了生产接续紧张的困局；同时，在保证安全的前提下进一步增加了可采资源储量，提高了矿井资源采出率，技术经济效益显著。

千米定向钻探具有探测范围大、定向精确、效率高、劳动强度低、安全性好等优点。实践表明，采用千米定向钻机超前探测井田边界采空区的技术是解决煤矿老空区探测问题的有效技术手段，为煤矿生产提供了一个采空区及水害探测及防治的新方法，具有非常广阔的推广应用前景。

[1]石 磊.千米定向钻机在煤矿水害治理方面的技术应用[J].内蒙古煤炭经济，2013(12)：108-109，132.

[2]贺光会.千米钻机在寺河矿的应用[J].煤矿安全，2010，41(3)：28-29.

[3]张海军.井下定向钻机成孔技术在成庄矿的应用[J].矿业安全与环保，2012，39(S1)：20-23.

[4]周建军，龙自阳，雍自春.近水平千米定向钻机在矿井水害治理中应用[J].科技传播，2014，6(10)：206-207.

[5]刘 基，赵忠证，丁 湘.千米定向钻机在高压探放水中的应用研究[J].煤炭工程，2014，46(11)：36-38.

[6]吴光先.煤矿探水钻孔设计与施工[J].煤炭工程，2012，44(4)：40-42.

[7]越 健.五阳煤矿定向千米钻机底板穿层钻孔预抽煤层瓦斯应用分析[J].煤，2015，24(10)：68-69.

[责任编辑：施红霞]

2016-03-17

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.006

冉星仕(1964-)，男，四川南江人，工程师，神木县隆德矿业有限责任公司总工程师，主要从事煤矿生产技术与管理工作。

冉星仕，白成杰，孙万明.千米定向钻高效超前探测井田边界采空区技术与实践[J].煤矿开采，2016，21(6)：20-21，5.

TD166

B

1006-6225(2016)06-0020-02