李 浩

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

早期由于開采技術水平的限制、小煤窯無序開采等原因，我國煤礦平均回采率僅為30%～35%，小煤窯回采率低于20%，致使大量煤炭資源遺留在地下[1]。未知老空區(qū)影響巷道掘進及開采準備，甚至影響安全生產。因此，尤其是重組整合煤礦，加強對老空區(qū)、小煤窯邊界的探查工作，對于保障安全生產、最大限度地釋放開采空間具有重要的意義。

定向鉆技術具有軌跡可控、定位精度高、可隨鉆測量、一孔多用、超深探查等優(yōu)勢，近年來廣泛應用于煤礦瓦斯抽采、探放水等方面，該技術也成為精確探查老空區(qū)邊界及保障煤礦安全回采的主要技術手段之一[2-8]。以3個煤礦探查老空區(qū)定向鉆孔施工為例，分析了老空區(qū)定向探查鉆孔施工流程。針對老空區(qū)情況的不同，分析了對鉆孔軌跡控制精度的要求及影響因素、準確選擇磁偏角的重要性，總結了確保定向鉆具的安全施工措施及經驗。

1 定向鉆孔探查老空區(qū)技術裝備與工藝

1.1 老空區(qū)

老空區(qū)位置明確時，鉆孔靶點確定后，利用定向鉆技術控制鉆孔沿設計軌跡穿透靶點；老空區(qū)位置不明確時，鉆孔沿目標地層邊施工邊探查。當目標地層走勢也不明確時，還需要增加對地層走勢的探查。定向鉆孔探查老空區(qū)如圖1所示。

圖1 定向鉆孔探查老空區(qū)示意Fig.1 Directional boreholes for exploration of goaf

1.2 配套設備

煤礦井下探查老空區(qū)定向鉆孔施工推薦配套主要設備見表1。

表1 主要配套設備Tab.1 Main supporting equipment

1.3 施工工藝流程

根據《煤礦安全規(guī)程》及《煤礦防治水細則》老空區(qū)探放水要求，探放水鉆孔需要設置孔口止水套管，孔口安置閘閥等(圖2)，并采取防止瓦斯與其他有害氣體危害等安全措施。止水套管長度根據具體情況決定，老空積水范圍、積水量不清楚的，止水套管長度不得小于10 m；老空積水范圍、積水量清楚的，根據水頭值高低、煤(巖)層厚度、強度及安全技術措施等確定。止水套管應當進行耐壓試驗，耐壓值不得小于預計靜水壓值的1.5倍，并穩(wěn)定30 min以上；預計水壓大于1.5 MPa時，采用反壓和有防噴裝置的方法鉆進。

圖2 孔口裝置示意Fig.2 Structure of orifice device

綜上，井下老空區(qū)探查定向鉆孔施工工藝流程如圖3所示。

圖3 老空區(qū)探查定向鉆孔施工工藝流程Fig.3 Technological flowchart of directional boreholes for exploration of goaf

2 施工案例

2.1 石拉烏素煤礦泄水巷定向導通鉆孔

(1)施工目的。石拉烏素煤礦南部泄水巷沿2號煤掘進，北部泄水巷(密閉積水巷)沿2-2號煤掘進。北部泄水巷主要承擔201A工作面疏放水、222采區(qū)2-2上煤層、采空區(qū)積水疏放任務。為降低工作面回采期間疏放水壓力，同時保證南部泄水巷掘進工作面安全施工，擬施工定向鉆孔作為臨時泄水鉆孔，將北部泄水巷積水疏放至南部泄水巷。

(2)鉆孔設計。泄水巷尺寸：寬×高=5.0 m×3.5 m。鉆場位于南部泄水巷掘進面左幫。北部泄水巷距巷道端部15 m內為硬化底板，并在15 m處設有攔淤墻，靶區(qū)坐標位置明確，即為距巷道端部15 m，鉆孔軌跡控制對于層位、方位精度的要求都較高，軌跡控制時需兼顧傾角、方位調整。共設計2個鉆孔，鉆孔設計深度249 m，如圖4、圖5所示。

圖4 鉆孔設計剖視示意Fig.4 Section view of boreholes design

圖5 鉆孔設計俯視示意Fig.5 Top view of boreholes design

(3)施工情況。石拉烏素煤礦泄水巷定向導通鉆孔施工情況見表2。

表2 石拉烏素煤礦泄水巷定向導通鉆孔施工情況Tab.2 Construction schedule of directional boreholes in Shilawusu Coal Mine

(4)施工過程中遇到的問題及處理方法。①地層資料信息不準確。在1號鉆孔施工過程中，孔深234m(距離設計靶鉆15m)時更換回轉鉆具，249m時并未穿入積水巷道，繼續(xù)施工至261 m仍未能穿入積水巷，也沒鉆遇煤層。處理方法：分支探明地層，根據1-1號鉆孔探煤情況顯示，設計靶點位置比實際靶點(積水巷)低了約2.0 m，調整靶點高度。②磁偏角誤差。1-1號孔從煤層底板穿過煤層頂板，但未進入積水巷，表明左右偏出巷道。分析可能是采用的磁偏角存在誤差造成的。處理方法：開分支孔分別將靶點向右、向左偏移積水巷寬度的1/2距離。1-2號鉆孔向右偏移2.2m未穿入積水巷，1-3號鉆孔向左偏移2.0 m成功穿入積水巷。并根據1-1號鉆孔、1-2號鉆孔和1-3號鉆孔的偏移位置關系，反算磁偏角，對磁偏角進行粗略修正。2號鉆孔采用修正后的磁偏角一次成功穿入積水巷。③卡鉆處理。1-3號鉆孔從積水巷底部穿入時發(fā)生卡鉆事故，采用慢速回轉+慢速起拔的方法提出孔內鉆具。2號鉆孔調整靶點高度后，從巷道側幫穿入積水巷，未出現卡鉆事故，出水量也由18 m3/h增大至40 m3/h。

2.2 張雙樓煤礦采空區(qū)定向放水鉆孔

(1)施工目的。張雙樓煤礦93604工作面采空區(qū)和92608工作面采空區(qū)在低洼處存有積水，影響93606工作面和92610工作面安全回采。根據地質資料分析，93604工作面積水量11 500 m3，92608工作面預計最大積水量8 300 m3。擬施工定向鉆孔對93604工作面采空區(qū)和92608工作面采空區(qū)積水進行疏放。

(2)鉆場位置。93606刮板輸送機道探放93604采空區(qū)老空水鉆孔及92610刮板輸送機道探放92608采空區(qū)老空水鉆孔工程，施工地點分別在93606刮板輸送機道L21點往南5 m處、92610刮板輸送機道A35點前約8 m處。靶區(qū)位置明確，鉆孔軌跡控制對于層位要求較高、對于方位精度要求較低。

(3)施工情況。張雙樓煤礦采空區(qū)定向放水鉆孔施工情況見表3。

表3 張雙樓煤礦采空區(qū)定向放水鉆孔施工情況Tab.3 Construction schedule of directional boreholes in Zhangshuanglou Coal Mine

(4)施工總結。采空區(qū)位置明確時，鉆孔軌跡控制對于層位要求較高、對于方位精度要求較低，以控制傾角變化為主。鉆進時注意觀察鉆進壓力及孔內返水情況，孔內返水增大時表明接近采空區(qū)裂隙區(qū)域，此時應提鉆更換回轉鉆具。1號鉆孔定向鉆進施工至207 m時，孔內出水增大，提鉆更換回轉鉆具，228 m鉆遇穿入采空區(qū)，最大出水量為112.5 m3/h。2號鉆孔定向鉆進施工至195 m時，孔內出水增大，提鉆更換回轉鉆具，207 m鉆遇穿入采空區(qū)，最大出水量100.5 m3/h。3號鉆孔定向鉆進施工至201 m時，孔內出水增大，提鉆更換回轉鉆具，213 m鉆遇穿入采空區(qū)，最大出水量90.7 m3/h。3個鉆孔均成功穿入采空區(qū)，孔內未發(fā)生卡鉆事故。接近或鉆遇采空區(qū)的現象：孔內出水量增大、有輕微卡鉆現象、孔內出水水體發(fā)熱、水體有異味、返水發(fā)黃、鉆進壓力減小、鉆具有空跑現象等。

2.3 雙龍煤礦老空區(qū)定向探查鉆孔

(1)施工目的。雙龍礦107工作面巷道掘進時遇到小煤窯老空巷道，影響了煤礦的正常生產計劃。為了探明礦井北區(qū)東翼小窯破壞區(qū)范圍，擬施工定向鉆孔對礦井北區(qū)東翼進行探查。

(2)鉆場位置。結合鉆機施工場地及工期要求，在回風大巷里程0～3 300 m段內布置13個鉆場，由北向南依次進行定向鉆孔探查礦井北區(qū)東翼小窯破壞區(qū)范圍。老空區(qū)層位明確，坐標位置不清楚。鉆孔設計沿目標煤層施工。當目標煤層走勢變化時，還需要增加分支鉆孔對煤層走勢的探查。

(3)施工情況。雙龍煤礦老空區(qū)定向探查鉆孔施工見表4。

表4 雙龍煤礦老空區(qū)定向探查鉆孔施工Tab.4 Construction schedule of directional boreholes in Shuanglong Coal Mine

(4)施工總結。老空區(qū)沒有積水時可采用分支孔方式時行布孔探查，可以減少開孔數量、減少下止水套管工序，縮短施工工期。鉆孔軌跡需沿煤層控制，當地層條件變化不明確時，應主動探明地層走勢、起伏情況。

3 經驗總結

(1)提高軌跡控制精度的經驗。對于案例一石拉烏素煤礦泄水定向鉆孔，巷道寬度小，要求軌跡控制精度高，為了提高軌跡的控制精度，有3個方面：①提高準確的地層資料信息，靶點的位置坐標要精確；②磁偏角的準確程度，根據磁偏角選取方法及時更新磁偏角值[9-11]；③地層信息不能準確提供時，應先施工探查孔，找標志層位置，隨時核對地層信息，及時調整鉆孔設計軌跡。

(2)卡鉆處理及預防。案例一石拉烏素煤礦泄水定向鉆孔1-3號鉆孔從積水巷底部穿入時發(fā)生卡鉆事故，采用慢速回轉+慢速起拔的方法提出孔內鉆具。2號鉆孔調整靶點高度后，從巷道側幫穿入積水巷，未出現卡鉆事故，出水量也由18 m3/h增大至40 m3/h。卡鉆預防：觀察鉆進壓力、返水量變化、更換回轉鉆具。采空區(qū)位置明確時，疏放水鉆孔設計應由上至下，放水由高至低逐步放水，可以有效避免采空區(qū)沉積的碎巖隨水流帶入孔內而發(fā)生卡鉆事故。

(3)接近或鉆遇采空區(qū)的現象?？變瘸鏊吭龃蟆⒂休p微卡鉆現象、鉆孔出水水體發(fā)熱、水體有異味、返水發(fā)黃、返水有淤泥、返水量變小甚至無返水、鉆進壓力減小、鉆具有空跑現象等。

4 結論

(1)靶區(qū)較小時，鉆孔軌跡控制對于層位、方位精度的要求都較高，軌跡控制時需兼顧傾角、方位調整。同時需要準確選取磁偏角，認真核算靶區(qū)坐標位置。

(2)采空區(qū)位置一般比較明確，鉆孔軌跡控制對于層位要求較高、對于方位精度要求較低，以控制傾角變化為主。疏放水鉆孔設計應由上至下，放水由高至低逐步放水。

(3)接近老空區(qū)時的現象有出現孔內出水量增大、有輕微卡鉆現象、鉆孔出水水體發(fā)熱、水體有異味、返水發(fā)黃、返水有淤泥、返水量變小甚至無返水、鉆進壓力減小、鉆具有空跑等現象。為保障定向鉆具安全，接近老空區(qū)時應更換回轉鉆具進行施工。

(4)老空區(qū)位置不明確，鉆孔軌跡控制在目標地層之中。當地層條件也不明確時，需增加分支鉆孔主動探明地層走勢、起伏情況。探查老空區(qū)可采用分支孔方式時行布孔探查，減少開孔數量，縮短施工工期。老空區(qū)情況不明，應采取防止瓦斯與其他有害氣體危害等安全措施。