摘要：井下定向钻进技术具有有效距离长、钻进效率高、可多分支探测、精度高等特点，较常规回转钻进工艺具有明显优势，因此，井下定向钻进技术已被广泛应用于煤矿地质防治水工作中。通过对井下定向钻进工程的应用，效果良好，丰富和完善了矿井地质构造探查、水害隐患治理手段，及时对矿井地质及水文地质情况进行了有效探查。
关键词：定向钻进；煤矿地质；地质构造探查；防治水；探测；
1定向钻进技术的原理和优点
定向钻进技术原理是利用造斜工具使钻孔轨迹按设计要求延伸钻进至预定目标的一种钻探方法，即有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯，同时随钻测量仪器实时监测钻孔参数，确定造斜工具的造斜方向。定向钻进技术具有以下优点：有效距离长；钻进效率高；可开多分支孔；钻孔轨迹可实时精确测量，人为控制；探查精度高。
2定向钻进技术的应用
2.1冲刷带探测工程
定向钻进探查冲刷发育情况在大湾煤矿X10901-3工作面进行了应用，目的是查明工作面内冲刷发育情况，为工作面布置和安全生产提供依据。
2.1.1工作面概况
大湾煤矿X10901-3工作面长1108m，宽180m，回采9#煤，9#煤结构复杂，平均厚度约2.3m。在X10901-3回风巷掘进至距切眼570m时揭露—冲刷带，宽度70m，煤层最薄处仅为1.12m；在X10901-3运输巷掘进至距切眼402m时又揭露—冲刷带，宽度148m，煤层最薄处仅为1.52m。为查明两巷道揭露冲刷是否为同一冲刷带，并探测冲刷最大下切深度及水平影响范围，实施了钻探工程探查。由于地面施工钻孔协调困难，且工期较长，因此，选用定向钻机在井下施工。
2.1.2钻孔设计与施工
按照冲刷带特征及定向钻进技术特点，制定先探测冲刷带连续性，后探测冲刷带水平影响范围的方案，来探明冲刷带冲蚀程度。判断2组冲刷带是否连续为同一冲刷带的依据是2组冲刷带正中连线剖面上所有勘探见煤点煤厚均小于2.2m，若2组冲刷带不连续，则探测结束；若2组冲刷带连续为同一冲刷带且煤厚小于3.0m，则探测冲刷带水平影响范围。施工定向主探测孔3个，孔号为TC4、TC5、TC6，分支探测孔27个，其中，TC4孔进尺528m，TC5孔进尺1596m，TC6孔进尺864m，累计完成钻探总进尺2988m。钻孔均布置在12521工作面运输巷内，从巷道正帮开孔，向X10901-3回风巷方向施工。TC4、TC5、TC6孔均采用前进式、后退式相结合的分支孔施工工艺，向X10901-3回风运巷方向施工分支钻孔，垂向进行煤层顶底板探测工作。TC4孔施工主探测孔1个，分支钻孔8个；TC5孔施工主探测孔1个，分支钻孔11个；TC6孔施工主探测孔1个，分支钻孔8个。TC4、TC5、TC6钻孔实测剖面如图1。
图 1 TC4、TC5、TC6 钻孔实测剖面图
2.1.3应用效果分析
定向钻孔探测完成后，基本查明了工作面中部煤厚变化情况，确定了两冲刷带为一个连续冲刷带，圈定了冲刷带范围。由于冲刷范围较大，局部存在无煤区，如硬过，对设备损耗、安全生产、煤质等有较大影响；综合考虑后，采取了跳采措施。
2.2小窑采空区边界探测工程
定向钻进探查小窑采空区边界大湾煤矿111116工作面巷道掘进时进行了应用，目的是查明小窑采空区分布情况，为工作面布置和安全生产提供依据。
工作面概况
大湾煤矿111116工作面位于东井东翼，开采11#煤，煤层赋存稳定，结构简单，煤厚2.74～3.5m，倾角约8°。工作面邻近兴潮煤矿越界采空区，采用房柱式工艺开采11#煤，采掘情况及积水情况不详，掘进时存在与采空区贯通突水的危险。
钻孔设计与施工
根据矿井接续安排，掘进顺序为：111116回撤通道-111116回风巷-111116运输巷-111116切眼。掘进时严格执行“先探后掘”措施，超前探测掘进前方小窑11煤采空区分布情况。在掘进巷道施工定向超前探测钻孔14个，孔号分别为A1~A14，钻探进尺5870m。利用钻孔将掘进区域圈闭；钻孔遇采空区时，挪孔重新施工，确保将掘进区域圈闭。
应用效果分析
施工过程中A1、A14号钻孔探测到采空区，矿井根据探测结果及时调整了工作面布置。从本次探查情况来看，定向钻机超前探水探测距离长，不影响掘进效率；无需施工大量普通钻孔，提高了探水效率，降低了成本；同时实现了精准探测，保证了掘进安全。
2.3井下水害物探异常区的验证
2.3.1工作面概况
大湾煤矿111107工作面位于东井东翼，工作面长800m，宽180m，煤厚3.0m，结构复杂，含夹矸3层，单层夹矸最大厚度0.3m，倾角5°～9°。工作面地表绝大部分为岩石覆盖，煤层上覆第四系松散孔隙含水层、基岩裂隙含水层富水性弱，补给有限，对生产影响较小。工作面位于灰岩水带压区，煤层底板距二叠系灰岩含水层111～130m，灰岩水位约1755～1820m，高于煤层底板155～220m，突水系数0.022～0.029MPa/m，正常情况下不会突水，若遇底板隐伏导水构造，则有灰岩水突水危险。因此，采前利用音频电穿透法对工作面底板进行了探测，共探测到6个异常区，位于工作面底板下80m附近层段内。为查明异常区富水性及导水构造发育情况，在井下施工定向钻孔沿目标层位水平钻进进行了验证。
2.3.2钻孔设计与施工
探查深度
根据《矿区水文地质工程地质勘探规范》和《煤矿防治水规定》计算工作面底板安全隔水层厚度为18.18m，11#煤底板破坏深度实测最大值为31.11m，保护层厚度5m，保证工作面安全回采的隔水层厚度为54.29m。因此，选择煤层底板以下55m处为探查目的层。
工程实施
施工工艺：钻孔在111107一号回风巷和111107运输巷正帮距巷道底板1.1m处开孔。开孔使用准94钻头按-10°钻进11m，再用准153扩孔，而后下准133孔口套管10m；下管完成后，水泥和水玻璃双液浆注浆固管；管口安装闸阀及压力表；孔口做耐压试验，试验压力不小于4MPa。然后使用准96钻头按设计方位、角度钻进。钻孔以最大角度施工到探测层位，再水平钻进至设计终孔位置，钻孔轨迹贯穿整个电法勘探异常区。施工情况：在物探异常区施工定向钻孔6个，孔号为J38~J43，总进尺2249m。111107工作面物探异常区验证孔成果见表1。3个孔无水，3个孔有水，水量1.2～2.0m3/h，水压为0，水质化验为石炭、二叠系基岩裂隙水。封孔情况：孔口安装堵盘，利用泥浆泵将水泥浆液压入孔内，注至堵盘通气管返浓浆后，关掉通气管球阀，继续注浆，注浆量超过钻孔容积，且注浆压力达到3MPa，稳定30min后停止注浆，保证全孔封闭。
表2 111107工作面物探异常验证孔成果表
探查效果
111107工作面电法勘探异常区验证孔未发现导水构造，确定异常区为二迭系龙潭组砂岩层；工作面回采过程中未发现导水构造，保证了回采安全。
结束语
定向钻探技术在进行地质构造探测、含水层疏放水、采空区边界探测及井下物探异常区验证时，效果较好，能够定点高精度探测，且探测距离较远，相对传统工艺具有较大的优势，有效解决了地质防治水工作中的一些难题，同时，采用定向钻探技术可缩短钻进辅助时间，减轻工人劳动强度，大幅提高钻孔施工效率，为矿井采掘布置及安全高效生产提供了有力保障。
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论文作者:刘东明
论文发表刊物:《基层建设》2018年第32期
论文发表时间:2018/12/25
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