精准定向钻进技术在矿井水害防治应用

崔瑜科

(山西汾西矿业(集团)有限责任公司双柳煤矿，山西 柳林 033300)

水害是制约矿井生产安全的不利因素之一，井下出现突水严重时会造成严重的人员伤亡及财产损失，因此根据矿井实际情况针对性开展防治水措施对确保矿井生产安全具有重要意义[1-2]。现阶段矿井水害治理措施主要有疏、堵两种类型，疏主要为钻孔排放水；堵主要为注浆封孔，存在成本高问题。在井下疏排水钻孔或封堵钻孔施工过程中采用的普通回转钻机，存在施工精度低、钻进距离短等问题[3-5]。近些年来，以螺杆马达结合随钻测量技术的精准定向钻进技术在矿井瓦斯治理、地质勘探中应用逐渐增加[6-7]。本文主要对精准定向钻进技术及使用的机械设备、施工要点及在矿井水害防治中的应用效果进行阐述，以期能为其他矿井水害防治工作开展提供一定借鉴。

山西某矿开采的6号煤层水文地质条件复杂，水害是制约矿井开采的不利因素。受到煤层瓦斯治理以及水害治理因素影响，矿井采掘接替局面十分紧张。现阶段矿井正在5608综采工作面切眼布置综采设备，但是由于泄水巷仍有180 m的专用泄水巷未掘进完成，一旦工作面采面回采过程中出现涌水，势必会给矿井带来显着的人员及财产损失。若等泄水巷掘进完成后再进行采面回采则需要耗时接近2个月，期间矿井无煤可采。因此，为了解决上述问题，矿井决定在泄水巷端头布置4个精准定位钻孔代替泄水巷进行疏排水。

该技术是通过螺杆马达结合随钻测量系统对钻孔钻进轨迹进行调整，钻孔每钻进3 m即发送一次钻孔方向角、倾角及工具面向角(螺杆马达弯角)，通过计算得到钻孔空间轨迹。在钻进过程中通过调整螺杆马达弯角来达到调整钻进轨迹的目的。

现阶段矿井井下定向钻孔施工采用的钻机型号主要为ZDY4000LD/ZDY6000LD(F)/ZDY 12000LD等，配套采用YHD2-1000随钻测量系统、Φ73 mm/89 mm钻杆、FMC260/390/460泥浆泵以及Φ98 mm/120 mm钻头。具体不同类型定向钻机参数见表1。

表1 定向钻机设备参数

相对于普通钻孔而言，精准定向钻孔具有转进深度大、覆盖范围广、轨迹可调等优点，具体见第146页图1。为了便于钻进过程中排渣钻孔在设计时应设计成具有一定仰角的近水钻孔；调整钻孔钻进角快速进入到钻进目标岩层，并尽量在目标岩层中钻进从而提升钻遇率；采用水平分支开孔提升钻孔覆盖范围。采用精准定向钻进技术可降低井下钻场施工量以及钻孔施工工程量，并大幅度提升钻孔有效探测范围。

图1 精准定向钻孔示意图

在钻孔钻进开孔后应按照探放水钻孔施工要求在孔口布置止水套管，止水管下放至稳定岩层内15 m以上。钻孔每钻进3 m测量一次钻孔轨迹，若出现偏差即通过螺杆马达调整钻孔钻进方向。

具体精准定向钻孔施工流程见图2，根据设计的开孔方向角、倾角固定钻机。当设计的精准定向钻孔孔深超过500 m时应布置地锚索固定钻机。采用钻机施工73 mm钻孔钻进至稳定岩层15 m后，将钻孔扩孔至153 mm；在钻孔内下方孔径127 mm套管，注浆封孔48 h后进行耐压测试；耐压测试合格后在孔口位置安装止水阀、防喷器、泄压排水三通等装置；在钻孔内放入螺旋钻具并安装逆止阀后开始钻孔定向钻进；在钻进过程中应分析比对钻孔设计轨迹与实际轨迹间偏差，并进行动态纠偏；钻孔钻进至目标岩层后认真观察，记录钻孔返水情况，一旦钻孔返水量过大则应按照预先制定的方案进行排水工作，并结合已钻进深度判定停钻或继续钻进。

图2 精准定向钻孔施工流程

施工的精准定向钻孔全程下套管护孔。根据已经水文地质可知靶点巷道端头(4.0 m×3.6 m)中心点与精准定向钻孔开孔点间垂距为33 m，右侧偏移距为26 m，靶点与开孔位置相距170.6 m。钻孔钻进需要穿越的岩层以细砂岩、泥岩为主，岩层赋存相对稳定。为了达到预先设定的排水能力，设计4个孔深分别为174.2、175.6、175.3、213.9 m精准定位钻孔，其中1号～3号钻孔均钻进至巷道迎头位置，4号钻孔钻进至巷帮，钻孔孔径均为153 mm。

在井下采用的钻机型号为ZDY6000LD、泥浆泵型号为FMC460、Φ73 mm螺杆马达(调节角1.25°)、Φ73 mm钻杆以及配套的随钻测量系统。1号～4号钻孔均按照12°仰角布置，各钻孔方向角相差3°，钻孔开孔后按照预先设定倾角快速爬升，钻孔钻进深度达到100 m后缓慢降低仰角。待与预先设定的靶点对穿前将钻孔倾角降低至1°～3°。在钻孔钻进过程中每隔3 m测量一次钻孔钻进方位角、倾角等参数，出现偏差后及时进行调整。最终1号～3号钻孔均顺利穿过巷道迎头，具体设计对穿点与实际对穿点偏差分别为0.95、0.37、0.31 m；4号钻孔顺利对穿巷道侧帮，具体1号～4号钻孔的钻孔轨迹见图3所示。待钻进完成后，依次扩孔至133 mm、153 mm，采用回拖方式在钻孔全程套管(孔径127 mm)。

图3 钻孔轨迹图

相对于掘进泄水巷，精准定向钻孔可降低大量的巷道掘进时间及投入，可降低泄水对采面回采影响，确保5608综采工作面可按照预先设计时间回采。在5608综采工作面回采期间，布置的4个精准定向钻孔排水量可达26 m3/h，排水能力可满足采面生产需要。

精准定向钻孔由于施工精度高在矿井水害防治、瓦斯治理以及地质勘探中应用逐渐广泛。文中就对精准定向钻孔施工机械设备、施工技术要点以及施工流程进行分析基础上，以5608综采工作面泄水巷为工程实例，对精准定向钻孔现场应用进行分析。结果表明，采用精准定向钻孔进行矿井水害防治可显着降低生产成本、提高矿井水害防治效率。