井下定向钻进技术在防治水工作中的应用.pdf

当代化工研究 47 Modern Chemical Research 峠 f2020 16 技术应用与研究 井下定向 钻进技术在防治水工作中 的应用 *缪小成 大同煤矿集团有限责任公司地质勘测处山西037003 摘耍井下定向钻进技术具有施工精度高、靶向探测以及探测深度长等特点，一是有效解决了地面孔施工的地形限制、井下系统限制， 二是大大降低了地面钻孔占地、修路、水电服务等困难，三是弥补了井下常规钻机探测深度及准确性差等缺陷.集团公司从2009年开始引 进井下定向钻进技术，先后应用到瓦斯抽放、构造探测、水害防治等方面，取得了大量成功经验，为矿井安全生产工作作出巨大贡献，在 近几年来更是逐步将井下定向钻进技术作为防治水工作中的常规手段，为矿井提能、减负创造条件，为实现绿色、高效矿井提供保障. 关键词煤矿防治水；精准探查；定向钻进技术；构造探测；水害防治 中阖分类号TD745 文献标识码A Application of Downhole Directional Drilling Technology in Water Prevention Mia o Xia o c h en g Geo l o gic a l Sur vey Offic e o f Da to n g Co a l Min e Gr o up Co ., Ltd ., Sh a n xi, 037003 Abstract Downhole directional drilling technology has the characteristics of high construction precision, targeted detection and long detection depth. First, it electively solves the terrain limitation and underground system limitation of undergroundface construction. S econd, it greatly reduces the difficulties of surface borehole occupation, road repair, water and electricity service and so on. Third, it makes up for the defects of poor detection depth and accuracy of underground conventional drilling machines. S ince 2009, the group company has introduced underground directional drilling technology, which has been successively applied to gas drainage, structural detection, water disaster prevention and control, and has achieved a large number of successfill experiences, making great contributions to mine safety in production. In recent years, the group company has gradually adopted underground directional drilling technology as a conventional in water prevention and control work, creating conditions for mine energy improvement and burden reduction, and providing guarantee for the realization ofgreen and efficient mines. Key words coal mine water prevention and controh accurate exploration directional drilling technology structural exploration water disaster prevention and control 众所周知，当前煤矿的五大自然灾害是“水、火、瓦 斯、煤尘、顶板”,水害排在首位，原因有以下几方面一 是水害具有隐蔽性，不好探测与防治；二是水害一般具有突 发性、瞬时性，一但突水，往往造成群死群伤、系统瘫痪等 严重后果；三是由于水灾发生往往伴随大量煤泥，灾后恢复 生产较难。近年来，随着同煤集团各矿开采深度不断增加， 矿井的水患类型已由单一的侏罗系采空积水、小窑积水向双 系煤层采空积水、灰岩承压水、地表水、顶板水并存的局面 转变，水害类型日趋复杂。虽然当前水害防治手段有“探、 防、堵、疏、排、截、监”七项综合治理措施，但最为保 守、保险，从根源上治理的手段主要是疏水、排水。疏水、 排水孔的施工方法目前主要有2种，一种是地面探放，另一 种是井下探放。其中地面分别为普通钻机作业和车载钻机大 孔径抽水作业。普通钻机在无巷道情况下不能放水，且定向 性差，不能准确与采空区、巷道打通；车载钻机施工大孔径 探放水技术还不太成熟，抽水工作受地形、电以及环保等方 面因素制约严重。井下探放水钻机主要采用液压回转钻机， 该类钻机最深能钻进200米左右，且由于煤岩互层、夹石、 构造及钻杆重力影响，钻孔精度很低，终孔位置难以确定， 钻探结果不可靠。面对目前日趋复杂的水害防治局面和精准 度不够高的钻探工艺问题，必须找到一种可同时具有准确定 位和可长距离钻进的安全、经济钻探工艺方法加以推广，解 决集团公司各类水患，而井下定向钻进技术恰恰可以同时满 足这两点要求。 仁定向钻机技术 1孔底动力定向钻进工作原理 在操纵系统的控制下，由动力系统的电动机提供原动 力，再经由液压泵将机械能转变成流体压力能，传递到给进 系统的动力头和给进油缸。动力头夹住钻杆由给进油缸牵引 链条拉动动力头向前给进，为向前钻进提供推力。此时水系 统的高压水在高压泥浆泵的作用下，通过钻杆流向螺杆马 达，驱动螺杆马达旋转并带动钻头旋转对煤体进行切削。水 从钻杆壁外流回排除钻头切削下的煤屑，并冷却钻头，达到 向前钻进的目的。 造斜功能的实现，是通过操纵系统的控制使动力头旋 转，进而带动螺杆马达前端的弯接头旋转，从而改变弯接头 朝向既钻头朝向，以此改变钻进方向达到造斜的目的。 ⑵测斜系统 通过造斜功能改变钻进轨迹后,经无磁钻铤内的测量探 管探测运算后，将此时轨迹的倾角，方位角和工具面角及温 度参数等通过钻杆内的导线传输到钻机上的电脑中，经处理 后显示出钻进的轨迹和方位等参数供钻手参考和与事先设计 的轨迹对比，进而确定下部如何改变钻进方向。 ⑶孔口回转钻进的工作原理 首先明确一点，孔口回转钻进时，不能进行受控造斜， 即测量系统不起作用，原因是此时的钻进直接由钻杆钻头 构成。 孔口回转钻进与孔底动力定向钻进相比，除不具备受控 造斜功能外其它操纵都一样，只是钻头回转动力由动力头提 供。 48 技术应用与研究 2020 ・ 16 当代化工研究 Modem Chemical Rewafch 2定向钻机应用实例 1井下定向钻进技术在煤峪口矿探放刀柱区采 空积水工程中的应用 煤峪口井田的水害主要集中在井田东部向斜轴及两翼 的四层复杂采空区里，东西两翼被落差17m断层及其保护煤 柱隔开。根据地面物探和14个探水钻孔资料分析3、9、 11、14四层采空区积水总量185.7万mb其中402盘区3层 43. 5万mb 9层26. 6万曲，11层65. 7万mb 14层406盘区 东北53. 7万n 。为了解决采空积水影响，解放402盘区煤炭 资源，在900大巷共施工4个井下定向钻孔疏放11层采空积 水，累计进尺2200m,截止目前已累计放水63万方，仍以每 天700方排水中。如图1所示。 图1煤峪口 900大巷定向探放水钻孔设计平面图 ⑵ 井下定向钻机技术在同忻矿探放侏罗系同家 梁矿碾子沟水仓中的应用 同忻井田上覆存在已关闭的同家梁矿侏罗系采空区，矿 井关闭后采空区积水及日常涌水点对同忻矿安全生产造成威 胁。井底水仓做为矿井相对最低位置，矿井日常补给水均将 汇聚到井底水仓，因此，利用井下定向钻进技术对同家梁井 底水仓施工定向钻孔，即可解除同家梁矿井关闭后日常补给 水威胁。如图2所示。 两条断层倾向相反，形成地嵌，间距为300-380m,该区奥灰 水位标高1060m,该处4号煤层底板标高715-667m。 图3麻家梁千米定向钻探构造导水性设计图 为探清两条断层具体落差以及断层导水性，在2措 施巷附近采用千米定向钻进技术对断层进行探测，工程于 2012年10月开工，2013年6月完工，共施工2组钻孔，总进尺 1450m,探清了断层落差及充水情况，累计疏放断层水37. 2 万方，得出断层未导通奥灰水结论。如图3所示 3总结 心菲下千米定向钻进技术弥补了同煤集团探放水工作中原 有老式钻机在复杂的水患情况下探放水方面存在精度差、钻 探距离短等问题。该项技术适用范围广范，在探放采空水、 小窑水、刀柱水、顶板水、构造水、承压水以及构造探测、 瓦斯抽放等方面均有不可替代的优越性，目前已在集团公司 多矿进行了试验应用，效果良好，以后将作为一项常规探测 手段在各矿推广应用。 【参考文献】 [1] 杜军.采空区瓦斯抽采高位钻孔施工技术及发展趋势探析 [J].能源与节能, 2020 0390-91. [2] 陈元朋.定向钻进工艺技术在神东矿区应用浅析[J].西部 探矿工程，2020, 32 02 88-9094. [3] 潘卓轩，马君奎，张素惠定向钻进技术在马兰煤矿巷道掘 进的应用[J].西部探矿工程,2020, 32 03 64-6668. [4] 庞乃勇定向钻进技术在煤矿地质防治水工作中的应用 [J].煤矿安全，2018, 49 S1 76-80. [5] 洪建俊，张杰，刘杰.复杂岩层高位定向长钻孔成孔技术应 用研究[J].煤炭工程，2020, 52 03 57-61. [6] 王延蒙.承压水作用下底板突水机理及防治技术研究[D]. 中国矿业大学,2015. [7] 石智军，李泉新，姚克.煤矿井下智能化定向钻探发展路径 与关键技术分析[J/0L].煤炭学报1-9 [2020-05-30]. https //doi. org/10. 13225/j. cnki. jccs. ZN20. 0336. [8] 刘新成.小沟煤矿定向探放水设计与应用[J].山东煤炭科 技, 2020 02 131-134. 图2同家梁矿碾子沟水仓1定向探放水钻孔设计水平投影图 2018年11月完成在同忻矿三盘区皮带大巷联络巷探放同 家梁碾子沟水仓工程于2018年11月施工完成，孔深493m,于 当月中旬开始放水，已累计排水18万方，目前仍以1000方/ 天水量排水。 ⑶井下千米定向钻进技术在麻家梁东部盘区探 断中的应用 麻家梁矿井东部开拓巷道掘至距主井915m, 2号措施巷 东部时，再向前掘进将遇DF9、DF5两条正断层，根据三维地 震资料，DF9断层落差40m, DF5断层落差40m正断层。DF9断 层距2号措施巷240-280m, DF5断层距2号措施巷610-620m, 【作者简介】 缪小成 1986-,男，河北遵化人，工程师，大同煤矿集团 有限责任公司地质勘测处；研究方向煤矿地质防治水。