定向鉆機在快速掘進超前探測中的應用

定向鉆機在快速掘進超前探測中的應用摘要：針對新集二礦-650～-750m新行人上山掘進與探查巷道掘進前方及兩幫垂向隱伏導（含）水通道查明巷道掘進前方及兩幫巖層富水性及構(gòu)造發(fā)育情況，及探查巷道掘進前方及巷幫瓦斯異常情況。鉆探與掘進在時間上的沖突，提出采用定向鉆機進行定向超前探測的方法，并結(jié)合其在實際應用中的特性，總結(jié)出定向鉆機在定向超前探測中具有效率高和費用低等優(yōu)點，實現(xiàn)了定向鉆機在定向超前探測工作中的技術突破，具有一定的意義。關鍵字：定向鉆機；高效；安全；超前探測1工程背景新集-650～-750m新行人上山南為-650m西翼運輸、皮帶大巷和-650m西翼運輸大巷專用回風巷，北為-735m皮帶石門和-750m西翼軌道大巷，巷道設計全長486m左右；巷道主要在4-1煤底板和1煤組頂板巖石層位中掘進。1.1水文地質(zhì)條件簡述（1）1煤組頂板砂巖含水層巷道主要在4-1煤底板和1煤組頂板巖石層位中掘進。1煤組頂板導水裂隙帶發(fā)育范圍內(nèi)砂巖厚33.05～44.19m，平均38.6m，巖性以中～細砂巖為主。根據(jù)井下采掘?qū)嶋H揭露及鉆孔探查資料，井下實揭出水點水量基本小于1m3/h，僅局部揭露小斷層、頂板裂隙時沿構(gòu)造面出水，最大出水量7.7m3/h（1煤組220116工作面風巷揭露一裂隙時出水，但水量衰減較快，兩天后衰減至1m3/h）；綜合分析，該砂巖含水層整體弱富水性，以靜儲量消耗型為主，易疏干，但含水層裂隙發(fā)育不均一，存在局部含水的可能。結(jié)合-750m西翼軌道大巷及-735m西翼皮帶大巷掘進期間實際揭露相關水文地質(zhì)資料分析，巷道掘進期間遇構(gòu)造發(fā)育段可能出現(xiàn)頂板淋、滴水等現(xiàn)象。（2）預計鉆孔水壓由于鉆孔施工過程中可能遇垂向隱伏導水構(gòu)造，因此鉆孔預計水壓采用奧陶系灰?guī)r水壓，水頭壓力為5.98MPa。1.2瓦斯地質(zhì)條件簡述（1）4、5煤均為突出煤層，暫未進行突出危險性區(qū)域預測，按突出危險區(qū)進行管理，1煤組在該巷道掘進區(qū)域附近無基礎參數(shù)測點。4煤、5煤煤層群綜合瓦斯壓力最大值為0.62～2.65MPa，5-2煤原始瓦斯含量6.4m3/t、5-1煤6.1m3/t、4-2煤5.2m3/t、4-1煤4.2m3/t。（2）預計巷道掘進期間絕對瓦斯涌出量0.5～1.2m3/min。2定向鉆機介紹及應用2.1設備構(gòu)成采用中煤科工重慶研究院研制的ZDY-13000LD千米定向鉆機施工，主要包括鉆機系統(tǒng)、泥漿泵、孔底鉆具和隨鉆測量系統(tǒng)?？椎足@具包括上無磁鉆桿、測量探管、下無磁鉆桿、螺桿馬達四部分組成。2.2定向鉆機隨鉆測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)由孔口監(jiān)視器（電腦）、隨鉆測量探管、通纜式鉆桿、等組成，在采用孔底馬達鉆進過程中，將隨鉆測量探管連接在孔底馬達后面，在鉆進過程中，隨鉆測量探管采集鉆孔傾角、方位角、工具面向角等數(shù)據(jù)通過通纜式鉆桿傳送到孔口監(jiān)視器；通過系統(tǒng)軟件的分析處理，在孔口監(jiān)視器上顯示鉆孔參數(shù)和鉆孔軌跡等信息，通過監(jiān)測軟件可實現(xiàn)系統(tǒng)分析、數(shù)據(jù)處理和儲存、通訊等功能。3鉆孔施工（1）開孔，采用1次鉆孔，根據(jù)需要1次或2次擴孔鉆進。開孔使用φ120mm鉆頭鉆進至22.5m，用φ153mm鉆頭φ193mm鉆頭擴孔至22.5米，將φ146mm套管下至23米處，然后采用定向鉆進技術一次性使用φ120mm鉆頭施工至設計位置。（2）鉆進，φ120mm鉆頭+φ89mm螺桿馬達+φ89mm下無磁鉆桿+φ89mm測量短接+φ89mm上無磁鉆桿+通纜鉆桿+φ89mm水辯。正常定向鉆進時，每施工3米對孔底馬達進行一次參數(shù)測定，并消除了探放水時間和掘進的接續(xù)矛盾。（3）取得的效果使用ZYW13000DS定向鉆機在新集二礦-650～-750m新行人上山超前探測定向鉆孔。用時2個月時間完成3個鉆孔，共計進尺1075m，（包括鉆機轉(zhuǎn)場）最深孔達396m。保證安全掘進300米。從施工的過程來看，定向鉆機效率高，定向性好，具有在高壓隱伏導（含）水層中仍然可以無障礙的進行超前探放水工作，取得了良好的實際效果，并消除了探放水時間和掘進的接續(xù)矛盾。4定向鉆進技術應用效果分析隨著國家對煤礦監(jiān)察力度的加大，超前探測鉆孔在巷道掘進中使用越來越多，通過在新集二礦-650m～-750m新行人上山成功實施定向長距離鉆孔超前探查任務，實現(xiàn)了350m巷道的一次探測任務，與之前實行小循環(huán)探測相比，減少工程量約600m，同時減少3個鉆場的掘進工作量，減少了巷道的停工時間，同時也減少了鉆探工的人數(shù)。普通探測和定向探測鉆孔費用對比表1（以巷道1000m計算）類別單價造價需用人員工期備注小循環(huán)探測300-400元/m210萬元以上（不包括掘鉆場費用）266個月1000m巷道約16個鉆場，約7000m鉆孔定向鉆孔600-1000元/m210萬元以上（不包括掘鉆場費用）153個月約2個鉆場，6個孔，每孔約520m，共3000m鉆孔5普通鉆機和定向鉆機施工超前探測鉆孔的對比常規(guī)鉆孔和定向鉆孔對比表2類別單孔平均距離百米鉆孔影響掘進時間有效鉆探距離鉆孔軌跡準確位置普通鉆機150m600萬元以上0精確可知定向鉆機500m400萬元左右3位置5.1普通鉆機的超前探測鉆孔工藝特點（1）鉆場前置。根據(jù)先探后掘的原則，鉆場布置在巷道前方，并與掘進形成探掘工作循環(huán)，將掘進工作面逐步向前推移，完成巷道掘進工作面，由于超前探測鉆孔與掘進工作面循環(huán)進行作業(yè)，對生產(chǎn)產(chǎn)生了制約。（2）開孔距離相對密集。由于普通鉆機不具有開分支鉆進功能，那么探查面積大則所開鉆孔就越多，鉆機方位角度調(diào)整和固定次數(shù)也就相應增多，封孔個數(shù)也相應增多，工作強度增大，浪費工時量就很大。（3）以加尺來計算鉆孔位置或終孔層位。是通過孔深即開孔方位及傾角來計算確定，是理論計算結(jié)果，由于鉆頭受力學因素影響，隨鉆孔孔深變化的增加，偏差將急劇增大。5.2定向鉆機的優(yōu)點定向鉆機在掘進工作面超前超前探測鉆孔工程中的應用中發(fā)現(xiàn)，千米定向鉆機有如下優(yōu)點:（1）定向鉆機具有超前探測效率高，工期短，很好地解決巷道掘進進度與超前探測工作在時間上的沖突，常規(guī)鉆機施工超前探測鉆孔時，掘進工作面迎頭停止掘進，準備施工超前探測鉆孔，一個超前探測鉆孔最快施工也要一天時間左右，準備的時間也要一兩天，這樣巷道掘進工作就會耽誤幾天的時間，然而常規(guī)鉆機施工鉆孔深度受到限制，掘進幾十米后，進行下一次超前探測，長期下去對礦方的巷道施工進度極其不利，而定向鉆機至少500m，減少了掘進巷道停頭打鉆次數(shù)，掘進時間增加，而且在巷道的掘進期間就可以在巷道側(cè)進行下一輪次的超前定向探測，節(jié)約了大量的時間，為礦方進行巷道掘進贏得了充足的時間。（2）在進行施工定向鉆孔時，可根據(jù)實際情況定向鉆機的開孔方位、傾角可不必與目標方位完全一致，在打鉆時可以通過調(diào)整孔底馬達彎頭位置來施工到預計位置，這樣可以使鉆機的選場和擺放更靈活。（3）目標點準確，終孔位置準確，是保證高質(zhì)量探測的前提，使用定向鉆機進行超前探測時，鉆孔軌跡上的任一點坐標都是測定的，所以可以探測坐標來設計鉆孔軌跡，通過定向鉆機進行靶向鉆進，能夠保證終孔位置準確。結(jié)束語采用定向鉆機實現(xiàn)了高效超前探測的目的,為新集-650～-750m新行人上山巷道掘進和定位提供了安全保障實現(xiàn)了探測與掘進的同步作業(yè),極大提高了生產(chǎn)效率,有效地解決了礦井掘進進度與井下超前探測之間的時間沖突,為礦方的施工進度節(jié)省了大量的時