煤矿老空区定向探查钻孔的施工应用

李 浩

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

早期由于开采技术水平的限制、小煤窑无序开采等原因，我国煤矿平均回采率仅为30%～35%，小煤窑回采率低于20%，致使大量煤炭资源遗留在地下[1]。未知老空区影响巷道掘进及开采准备，甚至影响安全生产。因此，尤其是重组整合煤矿，加强对老空区、小煤窑边界的探查工作，对于保障安全生产、最大限度地释放开采空间具有重要的意义。

定向钻技术具有轨迹可控、定位精度高、可随钻测量、一孔多用、超深探查等优势，近年来广泛应用于煤矿瓦斯抽采、探放水等方面，该技术也成为精确探查老空区边界及保障煤矿安全回采的主要技术手段之一[2-8]。以3个煤矿探查老空区定向钻孔施工为例，分析了老空区定向探查钻孔施工流程。针对老空区情况的不同，分析了对钻孔轨迹控制精度的要求及影响因素、准确选择磁偏角的重要性，总结了确保定向钻具的安全施工措施及经验。

1 定向钻孔探查老空区技术装备与工艺

1.1 老空区

老空区位置明确时，钻孔靶点确定后，利用定向钻技术控制钻孔沿设计轨迹穿透靶点；老空区位置不明确时，钻孔沿目标地层边施工边探查。当目标地层走势也不明确时，还需要增加对地层走势的探查。定向钻孔探查老空区如图1所示。

图1 定向钻孔探查老空区示意Fig.1 Directional boreholes for exploration of goaf

1.2 配套设备

煤矿井下探查老空区定向钻孔施工推荐配套主要设备见表1。

表1 主要配套设备Tab.1 Main supporting equipment

1.3 施工工艺流程

根据《煤矿安全规程》及《煤矿防治水细则》老空区探放水要求，探放水钻孔需要设置孔口止水套管，孔口安置闸阀等(图2)，并采取防止瓦斯与其他有害气体危害等安全措施。止水套管长度根据具体情况决定，老空积水范围、积水量不清楚的，止水套管长度不得小于10 m；老空积水范围、积水量清楚的，根据水头值高低、煤(岩)层厚度、强度及安全技术措施等确定。止水套管应当进行耐压试验，耐压值不得小于预计静水压值的1.5倍，并稳定30 min以上；预计水压大于1.5 MPa时，采用反压和有防喷装置的方法钻进。

图2 孔口装置示意Fig.2 Structure of orifice device

综上，井下老空区探查定向钻孔施工工艺流程如图3所示。

图3 老空区探查定向钻孔施工工艺流程Fig.3 Technological flowchart of directional boreholes for exploration of goaf

2 施工案例

2.1 石拉乌素煤矿泄水巷定向导通钻孔

(1)施工目的。石拉乌素煤矿南部泄水巷沿2号煤掘进，北部泄水巷(密闭积水巷)沿2-2号煤掘进。北部泄水巷主要承担201A工作面疏放水、222采区2-2上煤层、采空区积水疏放任务。为降低工作面回采期间疏放水压力，同时保证南部泄水巷掘进工作面安全施工，拟施工定向钻孔作为临时泄水钻孔，将北部泄水巷积水疏放至南部泄水巷。

(2)钻孔设计。泄水巷尺寸：宽×高=5.0 m×3.5 m。钻场位于南部泄水巷掘进面左帮。北部泄水巷距巷道端部15 m内为硬化底板，并在15 m处设有拦淤墙，靶区坐标位置明确，即为距巷道端部15 m，钻孔轨迹控制对于层位、方位精度的要求都较高，轨迹控制时需兼顾倾角、方位调整。共设计2个钻孔，钻孔设计深度249 m，如图4、图5所示。

图4 钻孔设计剖视示意Fig.4 Section view of boreholes design

图5 钻孔设计俯视示意Fig.5 Top view of boreholes design

(3)施工情况。石拉乌素煤矿泄水巷定向导通钻孔施工情况见表2。

表2 石拉乌素煤矿泄水巷定向导通钻孔施工情况Tab.2 Construction schedule of directional boreholes in Shilawusu Coal Mine

(4)施工过程中遇到的问题及处理方法。①地层资料信息不准确。在1号钻孔施工过程中，孔深234m(距离设计靶钻15m)时更换回转钻具，249m时并未穿入积水巷道，继续施工至261 m仍未能穿入积水巷，也没钻遇煤层。处理方法：分支探明地层，根据1-1号钻孔探煤情况显示，设计靶点位置比实际靶点(积水巷)低了约2.0 m，调整靶点高度。②磁偏角误差。1-1号孔从煤层底板穿过煤层顶板，但未进入积水巷，表明左右偏出巷道。分析可能是采用的磁偏角存在误差造成的。处理方法：开分支孔分别将靶点向右、向左偏移积水巷宽度的1/2距离。1-2号钻孔向右偏移2.2m未穿入积水巷，1-3号钻孔向左偏移2.0 m成功穿入积水巷。并根据1-1号钻孔、1-2号钻孔和1-3号钻孔的偏移位置关系，反算磁偏角，对磁偏角进行粗略修正。2号钻孔采用修正后的磁偏角一次成功穿入积水巷。③卡钻处理。1-3号钻孔从积水巷底部穿入时发生卡钻事故，采用慢速回转+慢速起拔的方法提出孔内钻具。2号钻孔调整靶点高度后，从巷道侧帮穿入积水巷，未出现卡钻事故，出水量也由18 m3/h增大至40 m3/h。

2.2 张双楼煤矿采空区定向放水钻孔

(1)施工目的。张双楼煤矿93604工作面采空区和92608工作面采空区在低洼处存有积水，影响93606工作面和92610工作面安全回采。根据地质资料分析，93604工作面积水量11 500 m3，92608工作面预计最大积水量8 300 m3。拟施工定向钻孔对93604工作面采空区和92608工作面采空区积水进行疏放。

(2)钻场位置。93606刮板输送机道探放93604采空区老空水钻孔及92610刮板输送机道探放92608采空区老空水钻孔工程，施工地点分别在93606刮板输送机道L21点往南5 m处、92610刮板输送机道A35点前约8 m处。靶区位置明确，钻孔轨迹控制对于层位要求较高、对于方位精度要求较低。

(3)施工情况。张双楼煤矿采空区定向放水钻孔施工情况见表3。

表3 张双楼煤矿采空区定向放水钻孔施工情况Tab.3 Construction schedule of directional boreholes in Zhangshuanglou Coal Mine

(4)施工总结。采空区位置明确时，钻孔轨迹控制对于层位要求较高、对于方位精度要求较低，以控制倾角变化为主。钻进时注意观察钻进压力及孔内返水情况，孔内返水增大时表明接近采空区裂隙区域，此时应提钻更换回转钻具。1号钻孔定向钻进施工至207 m时，孔内出水增大，提钻更换回转钻具，228 m钻遇穿入采空区，最大出水量为112.5 m3/h。2号钻孔定向钻进施工至195 m时，孔内出水增大，提钻更换回转钻具，207 m钻遇穿入采空区，最大出水量100.5 m3/h。3号钻孔定向钻进施工至201 m时，孔内出水增大，提钻更换回转钻具，213 m钻遇穿入采空区，最大出水量90.7 m3/h。3个钻孔均成功穿入采空区，孔内未发生卡钻事故。接近或钻遇采空区的现象：孔内出水量增大、有轻微卡钻现象、孔内出水水体发热、水体有异味、返水发黄、钻进压力减小、钻具有空跑现象等。

2.3 双龙煤矿老空区定向探查钻孔

(1)施工目的。双龙矿107工作面巷道掘进时遇到小煤窑老空巷道，影响了煤矿的正常生产计划。为了探明矿井北区东翼小窑破坏区范围，拟施工定向钻孔对矿井北区东翼进行探查。

(2)钻场位置。结合钻机施工场地及工期要求，在回风大巷里程0～3 300 m段内布置13个钻场，由北向南依次进行定向钻孔探查矿井北区东翼小窑破坏区范围。老空区层位明确，坐标位置不清楚。钻孔设计沿目标煤层施工。当目标煤层走势变化时，还需要增加分支钻孔对煤层走势的探查。

(3)施工情况。双龙煤矿老空区定向探查钻孔施工见表4。

表4 双龙煤矿老空区定向探查钻孔施工Tab.4 Construction schedule of directional boreholes in Shuanglong Coal Mine

(4)施工总结。老空区没有积水时可采用分支孔方式时行布孔探查，可以减少开孔数量、减少下止水套管工序，缩短施工工期。钻孔轨迹需沿煤层控制，当地层条件变化不明确时，应主动探明地层走势、起伏情况。

3 经验总结

(1)提高轨迹控制精度的经验。对于案例一石拉乌素煤矿泄水定向钻孔，巷道宽度小，要求轨迹控制精度高，为了提高轨迹的控制精度，有3个方面：①提高准确的地层资料信息，靶点的位置坐标要精确；②磁偏角的准确程度，根据磁偏角选取方法及时更新磁偏角值[9-11]；③地层信息不能准确提供时，应先施工探查孔，找标志层位置，随时核对地层信息，及时调整钻孔设计轨迹。

(2)卡钻处理及预防。案例一石拉乌素煤矿泄水定向钻孔1-3号钻孔从积水巷底部穿入时发生卡钻事故，采用慢速回转+慢速起拔的方法提出孔内钻具。2号钻孔调整靶点高度后，从巷道侧帮穿入积水巷，未出现卡钻事故，出水量也由18 m3/h增大至40 m3/h。卡钻预防：观察钻进压力、返水量变化、更换回转钻具。采空区位置明确时，疏放水钻孔设计应由上至下，放水由高至低逐步放水，可以有效避免采空区沉积的碎岩随水流带入孔内而发生卡钻事故。

(3)接近或钻遇采空区的现象。孔内出水量增大、有轻微卡钻现象、钻孔出水水体发热、水体有异味、返水发黄、返水有淤泥、返水量变小甚至无返水、钻进压力减小、钻具有空跑现象等。

4 结论

(1)靶区较小时，钻孔轨迹控制对于层位、方位精度的要求都较高，轨迹控制时需兼顾倾角、方位调整。同时需要准确选取磁偏角，认真核算靶区坐标位置。

(2)采空区位置一般比较明确，钻孔轨迹控制对于层位要求较高、对于方位精度要求较低，以控制倾角变化为主。疏放水钻孔设计应由上至下，放水由高至低逐步放水。

(3)接近老空区时的现象有出现孔内出水量增大、有轻微卡钻现象、钻孔出水水体发热、水体有异味、返水发黄、返水有淤泥、返水量变小甚至无返水、钻进压力减小、钻具有空跑等现象。为保障定向钻具安全，接近老空区时应更换回转钻具进行施工。

(4)老空区位置不明确，钻孔轨迹控制在目标地层之中。当地层条件也不明确时，需增加分支钻孔主动探明地层走势、起伏情况。探查老空区可采用分支孔方式时行布孔探查，减少开孔数量，缩短施工工期。老空区情况不明，应采取防止瓦斯与其他有害气体危害等安全措施。