千米定向钻机在煤矿探放水中的应用

孔令祺

（潞安集团左权五里堠煤业有限公司，山西 晋中 030600）

1 2101 工作面胶带顺槽概况

潞安集团左权五里堠煤业有限公司2101 工作面胶带顺槽东为2101 工作面，西为未开采区，南为2101 工作面切眼，北为下组煤集中回风、集中胶带、集中辅助运输下山。

2101 胶带顺槽设计长度为1 400 m，巷道设计断面规格为宽×高=4.5 m×3.5 m，巷道掘进煤层为15 号煤层，煤层平均厚度为6.17 m，平均倾角为13°；工作面岩层直接充水含水层为K2 砂岩的石炭系松散含水层，该含水层富水性一般较弱。预计掘进期间顶板局部可能出现淋滴水现象，还会形成积水区，直接影响工作面正常掘进。

2101 胶带顺槽采用综合机械化掘进工艺，截至2020 年8 月12 日，巷道已掘进600 m。为了解决上覆采空区积水对巷道掘进的影响，巷道掘进前期主要采用钻探手段进行探放水施工，巷道每掘进60 m在巷道迎头位置施工4 个探水钻孔，钻孔深度为90 m，钻孔直径为75 mm，但是在巷道掘进中发现，由于原探放水施工时，探水钻孔长度有限，导致巷道每掘进7 d 需进行一次探水施工，每次探水施工影响巷道掘进达1.5 d，严重制约着巷道安全快速掘进。为此，五里堠煤矿探放水队决定采用千米定向钻机进行探放水施工。

2 千米定向钻机结构参数及钻孔布置

2.1 钻机技术参数

2101 胶带顺槽采用的千米定向钻机型号为ZDY6000LD，钻机最大扭矩为6 000 N·m，最大驱动力为200 kN，配套设备有直径为73 mm的中心通缆钻杆、直径为85 mm的平底烧结胎体式PDC 钻头、直径为133 mm的一字型扩孔钻头、YHD1-1000 随钻测量系统。该配套系统可在钻孔施工过程中实时掌握钻孔倾角、方位角等技术参数，并通过显示器直观显示钻孔轨迹、钻孔成型情况。钻机具体参数见表1。

表1 ZDY6000LD型定向钻机主要技术参数

2.2 钻孔布置参数

1）2101 胶带顺槽已掘进600 m，剩余800 m，所以只需布置一个探水钻场即可。将钻场布置在巷道480 m 处，钻场长度为5.0 m、深度为2.0 m、高度为3.5 m，钻场内支护与2101 胶带顺槽巷道内支护形式相同，为了提高钻场稳定性，在钻场内支设一排单体液压支护（共4 根），单体柱支设间距为1.0 m。

2）在钻场内布置4 个钻孔，钻孔深度为820 m，钻孔直径为85 mm。将钻孔布置在工作面迎头煤壁上，距顶板1.2 m，钻孔间距为1.5 m。

2.3 钻孔施工

1）钻孔开孔及扩孔施工：首先根据钻探设计，采用直径为85 mm的钻头进行开孔施工，开孔深度为20 m；然后及时更换直径为133 mm的扩孔钻头进行扩孔施工，扩孔深度为20 m，扩孔直径为133 mm，扩孔到位后及时清理钻孔内煤屑。

2）在完成钻孔扩孔后，依次在钻孔内安装孔口管、封孔器、阀门、压力表、泄压阀等，每节孔口管长度为3.0 m、直径为110 mm，为保证孔口管稳定性，在孔口管与钻孔壁之间采用聚氨酯粘接，如下页图1所示。

图1 2101 胶带顺槽探水钻孔封孔示意图（单位：mm）

3）导向钻孔施工：利用泥浆泵产生的压力水，采用定向钻头、螺杆马达、下无磁钻杆、测量探管、上无磁钻杆、Φ 通缆钻杆、水鞭进行定向钻进，每钻进一段长度后及时测量钻孔方位角及轨迹，并与设计钻孔参数进行对比分析，若穿线偏差及时纠正。

3 千米定向钻机应用优点

3.1 对巷道掘进影响小

采用千米定向钻机进行探放水施工时，钻机可在工作面后方进行钻孔施工，通过钻机钻进系统控制钻孔轨迹，可直接绕过巷道前方，继续探水，使钻孔施工与巷道掘进平行作业，可保证巷道掘进效率。

3.2 钻孔钻进深度大

采用传统钻机进行钻孔施工时，最大钻进深度为100 m，超前距为30 m，巷道最大允许掘进距离为70 m。以2101 胶带顺槽为例，巷道在掘进过程中需探水共计20 次，不仅布置钻场次数多，钻孔施工频繁，而且钻孔总长度大，劳动作业强度高，不利于巷道安全快速掘进。

采用千米定向钻机进行钻孔施工时，钻机最大钻进深度为1 000 m，最小深度为500 m，2101 胶带顺槽采用千米钻机探放水时只需布置两个钻场，大大减少了钻场数量，降低了钻孔总深度，降低了劳动作业强度。

3.3 提高功效，降低成本

采用普通钻机和千米钻机进行钻孔施工时，孔口管安装长度、孔口管数量以及封孔工艺基本相同，但是普通钻机施工钻孔数量与钻场数量都多，造成封孔频繁、封孔材料消耗量大，导致施工成本高，耗费时间长，不利于快速高效掘进设备潜能的发挥。

3.4 钻孔轨迹可控性高

传统钻机无定向系统，在进行钻孔施工时不能准确掌握钻孔方位角、轨迹等技术参数，导致钻孔施工后与设计钻孔轨迹偏差较大，致使无效钻孔数量多，钻孔施工劳动强度大，甚至出现部分钻孔与含水层导通的现象。

采用千米钻机进行钻孔施工时，可通过随机测量系统实时掌握钻孔轨迹、钻孔成孔情况，出现钻孔轨迹偏差时可及时纠偏，从而保证了钻孔施工精度，提高了钻孔探放水效率。

4 千米钻机应用效果

截至目前，2101 胶带顺槽已掘进到位，采用千米钻机进行探放水施工，在后期只进行一次巷道探放水施工，钻孔总长度为3 280 m，与传统钻机相比可缩短钻孔施工长度达400 m，大大缩短了钻孔施工周期。同时千米钻机自动化水平高，在钻孔施工过程中通过测量系统可直观显示钻孔走向、钻孔成孔情况，提高了钻孔成孔率，取得了显著应用成效。