千米定向钻高效超前探测井田边界采空区技术与实践.pdf

千米定向钻高效超前探测井田边界采空区技术与实践 冉星仕1, 白成杰1, 孙万明2 1． 神木县隆德矿业有限责任公司, 陕西 神木 719316; 2． 天地科技股份有限公司 开采设计事业部, 北京 100013 [摘 要] 隆德煤矿为超前探测井田边界采空区、 解决巷道掘进安全及接续紧张问题, 对比不 同探测方法后, 采用千米定向钻探技术确定了 206 和 202 工作面巷道及切眼的合理位置, 实现了超前 探测与巷道掘进的同步作业, 保证了矿井安全高效生产, 并进一步提高了资源采出率。 千米定向钻探 技术具有单孔成孔距离长、 钻探轨迹可控、 钻进效率高、 安全性好、 劳动强度低等优点, 是解决煤矿 老空区探测的有效技术手段。 [关键词] 千米定向钻; 超前探测; 井田边界; 采空区 [中图分类号] TD166 [文献标识码] B [文章编号] 1006-6225 2016 06-0020-02 High Efficient Advanced Exploration Technology and Practical of Mine Border Goaf with Kilometer Directional Drill [收稿日期] 2016-03-17[DOI] 10． 13532/ j． cnki． cn11-3677/ td． 2016． 06． 006 [作者简介] 冉星仕 1964-, 男, 四川南江人, 工程师, 神木县隆德矿业有限责任公司总工程师, 主要从事煤矿生产技术与管理工作。 [引用格式] 冉星仕, 白成杰, 孙万明 ． 千米定向钻高效超前探测井田边界采空区技术与实践 [J]. 煤矿开采, 2016, 21 6 20-21, 5． 神木县隆德煤矿 206 和 202 工作面位于井田东 翼, 202 工作面北部为井田边界, 206 工作面南部 为 208 工作面采空区, 两个工作面切眼均靠近井田 东部边界, 与某民营煤矿相邻。 该民营煤矿在隆德 煤矿东部边界形成了较大范围的老空区, 相邻边界 采掘技术资料不清, 老空区范围不明, 老空区积水 量情况也无准确数据。 这对隆德煤矿在东部井田边 界采掘作业尤其是 206 和 202 工作面切眼位置的确 定构成严重的安全威胁和影响。 因此, 进行超前探 测工作, 确保掘进和回采安全, 就显得尤为关键。 1 方法的选择及原理 1． 1 方法选择 常用的超前探测工作主要有地面钻探、 地面物 探和井下定向钻探。 1 地面钻探 虽能直观地揭露井下煤层及 采空区分布情况, 但是单个钻孔揭露范围太小, 且 受小煤窑开采工艺影响, 以钻孔探测采空区的可能 性较低。 加大钻孔密集虽可更准确地探测采空区范 围, 但工程费用高昂, 且根据以往地面钻探施工情 况, 大面积施工钻孔的占地协商将是一大难题。 2 地面物探 受地域局限, 影响因素较多, 解释多样不定, 准确率较低, 费用也较高。 且在地 面开展物探工作, 需大面积动工, 同样面临占地协 调难题, 工程将难以进行, 工期过长。 3 井下定向钻探 采用现代化千米钻机超 前探测技术, 将定向钻机置于掘进头侧后方硐室 内, 可实现探水作业与掘进作业同步进行, 互不干 扰, 有利于实现高产高效的生产能力[1-3]。 1． 2 定向钻探原理 在地质勘探中定向钻探是指利用钻孔自然弯曲 规律或采用人工造斜工具使钻孔按设计要求进行延 伸钻到预定目标的一种钻进方法。 千米定向技术是利用钻机的定向造斜纠偏功 能, 通过测量系统的精确测量和自动分析, 及时控 制和处理钻头方向, 进而控制钻进轨迹。 定向钻机施工时, 钻杆将高压水输送至孔内马 达, 高压水促使马达内的转子转动, 进而通过前端 轴承带动钻头旋转。 钻孔轨迹主要靠孔内马达的弯 接头控制, 弯头与钻杆之间的夹角决定了钻进的方 向和最终的轨迹。 配套的测量系统主要测量方位 角、 倾角和弯接头方向, 依此计算出测点坐标。 通 过所有测点坐标将描绘出当前的钻进位置, 通过对 比预设轨迹计算出轨迹偏差, 以此及时调整弯接头 方向, 最大限度地保证钻进轨迹与设计的一致性。 1． 3 定向钻探的优势 定向钻探技术的优越性主要体现在以下几个方 面 1 单孔成孔距离长、 探测范围大、 劳动强 度低[4] 常用的矿井钻机一般探测深度在 70 100m, 超前距30m, 有效距离只剩40 70m, 每掘 进 40 70m 便要重新搬运钻机, 重新布孔和固管, 正常钻探前准备时间较长; 且钻机较重, 搬家极为 不便, 在使用大型机械搬运钻机时存在很大的安全 02 第 21 卷 第 6 期 总第 133 期 2016 年 12 月 煤 矿 开 采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol． 21No． 6 Series No． 133 December 2016 隐患, 频繁的搬迁也使劳动强度过大, 工作效率也 随之降低。 千米定向钻孔一般施工 500 800m, 平 均以 700m 计算, 每 700m 常规钻机则需搬家 10 17 次, 而定向钻机是履带式钻机, 接电即可行走, 大大减少了搬运次数, 增加了工作效率。 2 钻探作业与掘进作业同步进行[1] 采用 常规钻探进行采空区探测需将钻机稳固在掘进工作 面, 在钻探作业期间, 无法进行掘进作业。 千米定 向钻施工地点可布置在掘进工作面侧后方, 通过控 制钻探轨迹使钻头绕过掘进工作面之后进行超前探 测, 从而实现了钻探作业与掘进作业同步进行。 3 钻探轨迹可控 常规钻机的钻头角度一 般不可调且易跑偏, 钻孔轨迹难以实现较精确地控 制, 甚至有导通含水层的可能。 而千米定向钻机具 有可调钻头和精确测量系统, 可较为精确地控制钻 头方向和钻进轨迹。 4 补充精确的地质资料[4] 千米钻探技术 钻探轨迹上的每一个测点的坐标都可以精确测出, 可以此用于地质情况的揭露和准确描述, 并作为地 质资料的补充。 5 提高钻探作业安全性 定向钻探时夹持 器始终保持夹紧状态, 不会发生突然退钻等伤人事 故; 而常规钻探时若发生孔底压力, 则易造成突然 退钻, 容易造成安全事故。 6 减少材料消耗[5] 常规钻探每次施工前 须施工孔口管, 各种管材、 注浆固管材料消耗较 多, 搬家、 固管次数多, 不利于快速高效掘进。 千 米定向钻探在施工钻孔时, 套管、 固管、 耐压试 验、 闸阀一次安装, 节约了材料消耗, 且提高了生 产效率。 2 实例分析 2． 1 布置依据 隆德煤矿 206 工作面、 202 工作面巷道先后要 掘进至井田东北边界, 为了确定 2 个工作面的切眼 位置必须先探明井田边界附近是否存在采空区, 为 此, 以南部已回采的208 工作面辅运巷 即206 回 风巷 正对切眼的位置为起点, 根据巷道掘进顺 序和接续需要, 分别向北、 向东沿巷道和切眼的设 计位置和方向依次布置超前钻孔, 探查井田范围内 是否有采空区, 并确定 2 个工作面的切眼位置。 2． 2 技术方案 选用 ZDY3500L A 履带式液压千米定向钻 机, 结合隆德煤矿 206 和 202 工作面的实际条件, 在保证正常掘进作业的前提下制定了钻探施工方 案[6]。 如图 1 所示。 图 1 钻孔布置 该施工方案共包括 6 个定向钻孔, 具体情况如 下 1 T1 定向钻孔 在 208 辅运巷 即 206 回 风巷 正对208 切眼位置, 垂直208 辅运巷向煤柱 施工 T1 钻孔。 钻孔设计长度 420m, 穿过 206 辅运 巷 50m, 初步探测临近煤矿采空区范围是否进入 206 工作面。 2 T2 定向钻孔 在 206 辅运巷 1900m 处硐 室 图 1 中 T2 线起点 内沿巷道延伸方向的外侧 施工 T2 定向钻孔, 设计深度 780m, 与 T1 呈包围 之势, 探测包围圈内有无越界采空区, 确保 206 胶 辅巷道可安全掘进。 3 T3 定向钻孔 在 206 辅运巷 2630m 处硐 室 图 1 中 T3 线起点 内继续沿巷道延伸方向的 外侧施工 T3 定向钻孔。 钻孔设计深度 382m, 探测 巷道前方及外侧有无越界采空区, 确保 206 胶辅巷 道可安全掘进。 4 T4 定向钻孔 在 206 胶运迎头钻机硐室 内沿 206 切眼方向施工 T4 定向钻孔。 钻孔设计深 度 378m, 探测前方有无越界采空区, 确保 206 切 眼可安全掘进。 5 T5 定向钻孔 206 工作面形成后, 在 206 辅运巷迎头联巷内沿保护煤柱向 202 工作面范围施 工 T5 定向钻孔, 设计深度 682m, 探测井田边界有 无越界采空区, 确保 202 探巷可安全掘进, 圈定 202 可采边界。 6 T6 定向钻孔 202 探巷形成后, 在 202 探巷迎头硐室内沿保护煤柱方向施工 T6 定向钻孔。 钻孔设计深度 700m, 探测井田边界有无越界采空 区, 确定 202 巷道开口位置及 202 胶辅巷道的安全 掘进, 待 202 巷道掘完之后定向钻探与常规钻探相 下转 5 页 12 冉星仕等 千米定向钻高效超前探测井田边界采空区技术与实践2016 年第 6 期 是 应具有较大的承载能力, 较为广泛地调节范围 甚至无级调节试验高度, 普遍具备外加载能力。 对 于国家支护中心来说, 除上述要求外, 还应配备具 有动载冲击的试验装置, 可更加真实地模拟井下实 际工况, 依据 GB25974． 2-2010 和 EN1804． 2-2011 的要求对缸径 ϕ630mm、 长度 8m 的立柱进行性能 考核。 阀类产品不断向大流量、 高压力发展, 新产品 层出不穷, 如何实现产品测试所需的大流量是未来 要重点解决的问题。 特别是大流量安全阀的测试, 随着公称流量的持续增加, 如何模拟产品工作环境 创造稳定的公称流量环境, 各种干扰影响如何被合 理消除或屏蔽, 软件如何修正, 使测试结果准确、 客观地反映产品的实际工况, 是需研究的方向。 另 外, 阀类产品种类众多, 试验装置的变化赶不上产 品更新的速度, 检测设备如何避免人为因素的干 扰, 实现控制和采集及结果判断自动化, 也是设备 发展趋势之一。 4 结束语 液压支架作为综采工作面主要设备之一, 其投 资占工作面设备资金投入的 60 以上。 液压支架 检测工作在质量把关、 监督检验中发挥着重要作 用, 通过试制样机的型式检验, 不仅可以模拟实际 工况验证液压支架工作参数能否达到设计要求、 功 能是否达到井下使用与安全要求, 对薄弱环节、 发 现的问题进行加强改进, 避免在大批量投产时的重 复性缺陷及重大经济损失。 而且可以配合煤矿安全 生产监督管理部门对产品安全性与质量进行监督检 验, 出现质量纠纷时, 进行技术鉴定, 维护双方正 当合法权益。 产品质量监督检验机构、 生产企业应 高度重视液压支架的检测工作, 及时研制、 配备适 应液压支架技术发展的检测装备, 为煤矿高产高 效、 安全生产提供技术支撑。 [参考文献] [1] 王国法 ． 高端液压支架及先进制造技术 [M]. 北京 煤炭工 业出版社, 2010． [2] 傅京昱 ． 煤矿支护设备与岩层控制技术标准体系研究 [J]. 煤炭工程, 2016, 48 5 1-7． [3] MT 312-2000, 液压支架通用技术条件 [S]. 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