定向钻机在新集集团水害治理中的应用前景

田家强

中煤新集能源有限公司 安徽淮南 232000

水害是煤矿五大灾害之一，给煤矿安全生产造成重大影响。《煤矿防治水规定》中第八十八条的规定：“对于采据工作面受水害影响的矿井，应当坚持预测预报、有疑必探、先探后据、先治后采的原则，进行充水条件分析”第八十九条的规定:“水文地质条件复杂、极复杂的矿井在地面无法查明矿井水文地质条件和充水因素时，应当坚持有掘必探的原则，加强探放水工作”。因此煤矿在巷道据进期间必须进行超前探放水工作，尤其是水文地质条件复杂矿井更应开展此工作。近年来定向钻机已经成为水害防治和开发领域的研究热点，定向钻机将成为煤矿水害防治的主要设备。

1 概述

新集矿区地处华东地区，现有生产及在建矿井5对，分布在淮南、阜阳、亳州等地区，所辖5对生产分布分散和范围广，水害类型多样，各矿井在地质勘探时确定的水文地质条件均属中等-复杂类型，水害已严重影响到正常开采，尤其是板集煤矿属复杂类型，煤系地层全部被新生界松散层所覆盖[1]。据钻探揭露及邻区资料，区内地层自老至新有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、古近系、新近系和第四系。石炭－二叠系为含煤地层，矿井煤系及底部灰岩地层隐伏于新生界松散层之下，受采掘破坏或影响对矿井生产安全和作业环境的影响越来越大，防治水工作是当务之急。板集矿区目前水害治理主要采用常规钻机在掘进巷道或石门中向含水层施工钻孔提前疏放顶板水的传统工艺方法。采用此方法，由于存在井下常规钻机能力偏小施工的钻孔长度短，且井下常规钻孔只有在开采巷道形成后方能进行施工，疏放水时间受限，且施工的常规钻孔由于受软硬互层和钻具自重影响不能精确施工至目标含水层，无效进尺多，疏放水效果差，因此，以目前的水害治理手段，不利于矿井扩大生产规模的长远规划要求。为了更好地解决新集集团板集煤矿的水害问题，采用定向钻机及工艺技术进行对新集集团板集煤矿矿井水害进行有效治理。

2 定向钻机探放水的优势

定向探放水钻机较常规探放水钻机具有以下优势：

（1）定向钻机超前探放水效率高，单孔成孔距离长，常规疏水钻孔深度一般在150m左右，定向钻孔深度在500m左右，平均单孔孔深为常规钻孔的3倍，很好地解决了巷道与超前探放水工作在时间上的冲突。

（2）施工周期短，普通钻机搬家频繁和下置套管及封孔多，关键工序多影响时间长，而定向钻机施工一个钻场相当于常规钻孔4个钻场的范围。

（3）补充精确的地质资料，定向钻进可以通过其分支技术，来探明含水层顶、底板及断层等地质情况，可为矿方补充精确的地质资料。

（4）普通钻机与需要探查的含水层已点状形式接触，探查范围有限，需要施工的钻孔较多，不能在含水层中行长距离穿行，钻孔无效进尺多，而定向钻孔通过随钻随测随系统保证在含水层中长距离穿行。

（5）普通钻机不具有定向钻进功能，钻孔孔深有限，要使钻孔覆盖整个工作面，就需要大量钻孔短钻孔，不仅劳动强度大，且必须在区段开采巷道形成后才能进行施工，定向钻进不受此限制，可以在现有的巷道内通过其钻机精确定向技术施工至目标层位。

（6）钻孔覆盖范围大，普通钻孔施工时因受岩石集中巷及设备制约，疏水范围有限，定向钻孔可以利用其钻进分支技术，将钻孔覆盖整个区域提高疏水效果。

3 定向钻机探放水施工时遇到的技术难题和解决办法

（1）钻孔开孔0-3煤3-30泥岩，一遇水就非常容易垮孔，泥岩具有膨胀性，存在钻孔缩颈而发生孔内事故的技术难题，此问题通过扩孔、下套管、固孔至泥岩段外0.5m的手段解决，为了使套管安全下入和保证套管下入后牢固可靠，扩孔孔径选择为153mm，并采用下套管装置将套管推入孔内。

（2）施工过程中，钻孔需穿过9煤进入含水层，9煤顶底板局部含炭质泥岩，砂质泥岩，该层遇水极易垮孔，且采用定向钻进工艺垮孔块状岩渣无法返出孔外。存在钻孔塌孔、返水不畅而发生孔内事故的技术难题，此问题通过采用高压注浆固孔，并在施工过程中动态调整钻孔倾角确保钻进在合理的煤岩层切换，参照地质说明书，合理避开见煤点。

（3）由于顶板岩层起伏变化较大，施工过程中，不易控制钻孔轨迹和易出现孔内事故，此问题通过结合当前施工地区的实际情况，将拷贝升井的定向钻机钻孔轨迹图与设计图进行对比，设计出一套定向钻机钻孔轨迹走向对比图，让现场钻孔倾角方位与设计的偏差通过对比图一目了然，保证钻孔下一步的施工走向，准确指导施工的手段解决，提高了定向钻孔的施工质量。

（4）板集矿区构造发育，构造附近破碎带和节理发育，钻孔多次穿断层，施工过程中极易出现塌孔和埋钻事故的技术难题，此问题通过施工时多冲少进，优化进尺与排渣时间的比例，勤观察返渣及钻进参数等方法解决[2]。

（5）然而随着钻孔越深、阻力越大，前方压力过高，排渣困难造成后方压力过大，定向钻打不了了。经过反复分析验证，采用复合为主定向纠偏钻进的方法。复合钻进就是“定向钻进加回转钻进”，通过这种操作可以让孔壁更加平滑、孔径扩大。这样在钻进过程中就可以减少阻力，排渣也顺利得多。“尤其是过断层的时候，岩性复杂，岩石破坏严重，施工难度非常大。从钻孔设计上，减少钻孔弯曲强度，施工工艺上，针对定向钻进孔段，进行复合回转划眼，施工过程中，加强孔内排渣，降低摩擦阻力。

4 定向探放水钻孔工艺技术

（1）钻孔轨迹的纠偏是采用连续调整工具面向角进行控制的，钻孔平面轨迹根据左右轨迹偏差的技术要求通过工具面向角的调整从而改变钻孔轨迹各点的方位角，逐渐增加或逐渐减小，即每3米方位角的变化值不得超过1度。每两个相邻3米的测量点之间的方位角变化数值最值显示中，数值为负（-）表示向左偏，数值为正（+）表示向右偏，0表示此点出左右轨迹在孔口的垂直线上，方位调整结果及左右轨迹。调整倾角是根据顶底板的走势，调整时遵循每3米变化0.8度的原则。根据顶底板走势和轨迹的上下偏差，上下偏差数值为正（+）表示相对孔口位置偏上，数值为负（-）表示相对线走势。见钻孔平面轨迹图（图1）和剖面轨迹图（图2）

（2）钻具组合：①开孔:中96mm钻头+73mm钻杆+中73mm水尾②扩孔:153mm钻头+73mm钻杆+73mm水辩③钻进:96mm钻头+73m螺杆马达+中76mm下无磁钻杆+76mm发射天线+中76mm上无磁钻杆+中73mm钻杆+73mm水辩

（3）孔口装置：孔口防喷装置（包括高压闸阀），自钻孔孔口向外依次为高压闸阀、楔形控水装置。孔口装置要同钻孔钻套管的法兰盘连接在一起，并且易于拆开，钻孔两侧必须施工防喷锚杆，并用20T的锚链将高压闸阀与防喷锚杆进行固定，并绷紧，防止钻孔内高压水突然涌出顶出套管及孔口防喷装置。钻进入含水异常体部位并出水后，边钻进边进行水量与水压观测。在钻进过程中，一旦发现钻孔中水压、水量突然增大时，应通过阀门加以控制（具体结构见图3）

（4）固孔要求：①孔口管的固定：首先采用φ96mm钻头施工，φ153mm钻头扩孔，下入φ127mm承压套管，进行注浆养护，（注浆材料选用不低于PC32.5的复合硅酸盐水泥，浆液水灰比控制在0.6-0.7之间。注浆时采用分档式注浆，先稀后浓，由快到慢，注浆过程中应坚持“小流量，长时间”的原则，使孔内压力逐渐上升，注浆终压达到设计，然后间隔10分钟左右进行间歇式注浆，间歇注浆3次，确保钻孔注浆效果。以便浆能够更多的渗入裂隙，保证封孔质量。注浆完成后要对注浆泵进行清洗。待水泥凝固后（根据现场实际，注浆养护使用的水泥不低于PC32.5复合硅酸盐水泥，根据该水泥技术参数，水泥终凝时间需不小于48小时，扫孔深度过套管0.5m-1m，进行套管清水耐压试验，承压套管清水耐压试验合格后，孔口安装高压闸阀、防喷装置，方可钻进[3]。②固孔凝固结束后对套管必须进行耐压试验，套管清水耐压试验（取静水压力的1.5倍），稳定30分钟，以孔口周围不漏水，孔口管牢固不松动、不漏水为合格，方可钻进，否则，必须重新注浆固定。

（5）定向探放水钻孔施工技术要求：①严格按照设计方位和倾角开孔，开孔高度允许偏差±50mm，角度允许偏差±1度，方位角允许偏差±1度。②定向钻机作业时保证每3米取一次钻孔参数数据，发现钻孔偏离时及时调整弯头进行调向，钻孔的实际轨迹与设计轨迹左右偏差控制在±2m以内，上下偏差控制在±1m以内，孔内若遇软岩垮孔可根据情况作调整，确保其钻孔在目标层位中钻进。③钻孔施工记录：钻进过程中，施工记录本由专人负责记录，要密切观察并详细记录孔内情况，对煤层、探查目的层、断层、出水点等要详细记录起止位置、层厚、水量、岩性等[4]；凡钻孔施工过程中出现煤岩性变化及喷孔都必须及时掐尺，进行孔深校核，并在钻孔施工记录本上如实填写；对钻孔发生卡钻、掉块、断钻杆、出水、喷瓦斯等异常情况要详细记录（深度、程度、方式等），及时汇报，必要时停钻采取措施。④，钻孔内出水量每次增大，都要准确记录出水深度、水量、水温等，并汇报地测科及矿调度；钻进过程中，如发现岩石松软、片帮、来压或钻孔内的水压、水量突然增大以及有顶钻等突水征兆时，必须停止钻进，但不得拔出钻杆，立即撤出所有受水害威胁地区的人员，并及时向矿调度室汇报，采取措施进行处理。⑤钻进中发现有害气体喷出时，应立即停止钻进、切断电源，将人员撤到有新鲜风流的地点，立即报告矿调度室，采取措施。⑥为防止钻孔施工过程中孔内水压过大时，防止钻孔内高压水突然涌出顶出套管及孔口防喷装置，钻孔两侧必须施工防喷锚杆，并用20T的锚链将高压闸阀与防喷锚杆进行固定并绷紧。⑦矿井水具有很强的腐蚀性，定向钻进过程中为了防止钻杆被腐蚀生锈必须对钻具进行严格的维护保养。每个孔终孔提完钻后及时将丝扣油涂抹在钻具丝扣上。

5 结语

采用井下定向探放水定向钻机在新集集团进行水害治理，较常普通机具有很大优势，采用定向钻进技术施工长距钻孔可有效的减少投入、降低安全风险，定向钻机和定向工艺技术，可缩减大量钻孔工程量、延长了疏放水时间、增加了在含水层中的穿行距离、提高疏水效果，使用定向钻机进行水害治理可以高效地超前探放水，其意义重大和深远，一方面该工艺技术将为响应国家对煤矿提出的“预测预报有疑必探、先探后掘、先治后采治理方针提供有效的治理手段，一方面可以从根本上治理和消除威胁新集集团安全生产的水害，在新集集团具有广阔的推广应用前景。