定向钻孔超前探测底板水技术在陕西某矿的应用

何 颖，金 鑫，郭 辉

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077）

定向钻孔超前探测底板水技术在陕西某矿的应用

何 颖，金 鑫，郭 辉

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077）

随着定向钻进技术在煤矿井下防治水工程中的逐步推广，施工防治水定向钻孔更有利于煤矿的安全生产。结合陕西某矿地质情况，阐述了定向钻进技术施工防治水钻孔的工艺方法。实践证明，定向钻孔可以准确地探测出目标区域的含水信息，完全满足矿区防治水要求，为煤矿安全开采提供了保障。

定向钻孔；水害；精确探测；定向钻进

Abstract：As the directional drilling technology in the project of the prevention and control of the coal mine water gradually promotion，the construction of directional drilling for prevention and control of water is more advantageous to the safety production of coal mine.Combined with the geological condition in certain coal mine of Shaanxi，the technological method of preventing and controlling water hole drilling in directional drilling technology is expounded.The practice proves that by means of the directional drilling，water information of target area may be accurately dectected，which meets requirements of water prevention and control in mine and provides security for safety production.

Key words：directional borehole；bursting hazards；accurate detecting；directional drilling

随着煤矿井下定向钻进技术的不断发展，定向钻进技术已经广泛应用于煤矿井下瓦斯抽采、地质异常区超前探测、采空区防灭火、煤矿井下防治水等方面，并取得了多项成果[1-2]。近几年来，国内各大煤矿企业利用定向钻进技术实时测量控制钻孔轨迹、精确探查目标区域、施工工程量较小、探查盲区范围小、钻场布置较少、施工人员劳动强度低、施工周期短、效果明显等优点进行矿区区域水害探查。特别是在进行水体储量较大、水源补给关系复杂、地质资料缺乏的底板水探查中，传统的常规回转钻进技术进行底板水害治理时存在施工工程量大、钻孔深度较小、施工周期较长等问题，难以实现高效精确探放[3-4]。而施工定向钻孔提前探查底板水可以解决上述难题，提前治理煤层底板，降低煤矿底板水害威胁，亟待大力推广应用。

1 矿区地质概况

矿区主采煤层之一的11号煤，其底板主要有石英砂岩、砂岩和铝土质泥岩组成，厚度为8.73～18m，平均厚度约为13.4m。底板以下为奥陶系灰岩，其中奥灰岩层顶部为峰峰二段含水层。本段岩层为深灰、灰黑色厚层灰岩，致密坚硬且质纯，厚度0～44.31m，属于强含水层段，岩溶裂隙及小溶洞发育，其富水性和透水性相对较强，巷道在采掘过程中存在奥灰突水危险。

桑树坪煤矿区域含水层划分为第四系砂砾层孔隙潜水中等含水层组、二叠系砂岩层裂隙承压弱含水层组、石炭系砂岩（灰岩）裂隙承压极弱含水层组和奥陶系灰岩岩溶裂隙承压强含水层组。桑树坪煤矿在建井历史上曾发生9次奥灰突水事故，其中2011年“8.7”突水事故最为严重，突水量最大达到6 580m3/h，造成矿井淹井，说明桑树坪矿奥灰岩层的富水性强，突水危害性巨大。

2 定向钻孔精确探查底板水技术

精确探查底板水需要以成熟的煤矿井下随钻测控技术为依托，通过对施工定向钻孔的轨迹进行随钻测量和精度控制，达到精确探测已知含水区或验证存疑含水区的目的，探测完成的钻孔可用于探查底板水。

定向钻孔采用煤矿井下定向钻机及由螺杆马达、无线随钻钻具、探管及定向钻头等组成的定向钻具组合进行施工，利用测量探管对钻孔轨迹和螺杆马达工具面的实时监控结果，通过调整螺杆马达的工具面向角，精确控制钻孔实钻方位角和倾角，达到精确中靶的目的[5]。

3 底板水定向钻孔设计要求

1）钻孔数量涉及合理，尽量覆盖目标区域，达到探查地层底板含水情况的目的。

2）钻孔轨迹设计合理，确保精确探测目标层位，并在目标层位中延伸。

3）钻孔套管设计合理，满足防治水规范中的耐压要求，确保施工人员安全。

4 底板水定向钻孔钻探装备

精确探查底板水所需的定向钻进装备主要由履带式全液压坑道钻机、泥浆泵、随钻测量系统、中心式通缆钻杆、螺杆钻具等组成[6]。具体见表1。

表1 定向钻进装备

5 底板水定向探查钻孔钻探工艺

5.1 定向钻进工艺技术

定向钻进工艺流程如图1所示。

5.2 回转开孔工艺技术

一开开孔段：Φ98mmPDC钻头+Φ73mm普通钻杆串，钻进至孔深6m；一级扩孔段：Φ98mm/Φ153mmPDC钻头+Φ73mm普通钻杆串，扩至设计孔深。二级扩孔段：Φ153mm/Φ193mmPDC钻头+Φ73mm普通钻杆串，扩至设计孔深。开孔及扩孔钻进中，为确保套管顺利下入孔内，要求钻孔轨迹要平直，孔内沉渣少。

5.3 定向钻进工艺技术

定向造斜及稳斜段钻具组合形式为：Φ98mm全面钻头+Φ73mm螺杆马达+Φ73mm上无磁钻杆+Φ73mm随钻测量仪器+Φ73mm下无磁钻杆+Φ73mm通缆钻杆。考虑到使用的螺杆马达造斜能力，以及通缆钻杆弯曲强度，设计1.25°造斜强度为1（°）/3m。通过不断调整螺杆马达的弯头朝向，进而调整钻孔轨迹，达到精确探测的目的。

图1 定向钻进工艺流程

6 工业试验

采用定向钻孔超前探查底板水技术，在陕西某矿某工作面进行现场工业性试验。试验中在1个工作面及4条巷道设计了10个定向钻孔，总进尺为4 044m，钻孔最大出水量为400m3/h。（钻孔剖面如图2所示，具体试验结果见表2）。试验结果表明，定向钻孔超前探测底板水技术可以对探查区域进行全面覆盖，轨迹可控，效果明显，为矿区11号煤层底板治理提供了保障。

图2 防治水定向长钻孔孔身结构设计示意图

表2 定向钻孔试验结果

7 结论

煤矿井下定向钻孔超前探测底板水技术的应用效果良好，钻孔最大出水量为400m3/h，为矿区11号煤层开采及巷道掘进提供了可靠信息，该技术在陕西某矿区的成功应用促进了无线随钻测量定向钻进技术的推广，也为煤矿井下底板水害探查提供了技术支撑。

[1] 姚宁平.我国煤矿井下近水平定向钻进技术的发展[J].煤田地质与勘探，2008，（4）：78-80.

[2] 石智军，许超，李泉新，等.随钻测量定向钻进技术在煤矿井下地质勘探中的应用[J].煤矿安全，2014，（12）：137-140.

[3] 白刚，段会军，王庆.定向钻进技术在煤矿采空区防灭火工程中的应用[J].煤矿安全，2016，（6）：132-135.

[4] 方俊，曹明，王继承.定向长钻孔超前探查顶板水技术在枣泉煤矿的应用[J].煤炭工程，2016，（7）：56-59.

[5] 赵祥龙，金鑫.水平定向孔探放煤层顶板砂岩水技术及其应用[J].煤矿机械，2016，（5）：135-137.

[6] 金鑫，杨忠，冯武宏.煤矿井下硬岩定向钻进PDC钻头选型及试验分析[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2015，（5）：77-79.

Application of Accurate detecting with Directional Borehole for Floor Water in certain Coal Mine of Shaanxi

He Ying，Jin Xin，Guo Hui

TD745

A

1003–6490（2017）09–0048–02

2017–06–20

何颖（1988—），女，新疆哈密人，助理工程师，主要从事探矿工程及钻探装备技术研究及管理工作。