定向钻机在快速掘进超前探测中的应用

定向钻机在快速掘进超前探测中的应用摘要：针对新集二矿-650～-750m新行人上山掘进与探查巷道掘进前方及两帮垂向隐伏导（含）水通道查明巷道掘进前方及两帮岩层富水性及构造发育情况，及探查巷道掘进前方及巷帮瓦斯异常情况。钻探与掘进在时间上的冲突，提出采用定向钻机进行定向超前探测的方法，并结合其在实际应用中的特性，总结出定向钻机在定向超前探测中具有效率高和费用低等优点，实现了定向钻机在定向超前探测工作中的技术突破，具有一定的意义。关键字：定向钻机；高效；安全；超前探测1工程背景新集-650～-750m新行人上山南为-650m西翼运输、皮带大巷和-650m西翼运输大巷专用回风巷，北为-735m皮带石门和-750m西翼轨道大巷，巷道设计全长486m左右；巷道主要在4-1煤底板和1煤组顶板岩石层位中掘进。1.1水文地质条件简述（1）1煤组顶板砂岩含水层巷道主要在4-1煤底板和1煤组顶板岩石层位中掘进。1煤组顶板导水裂隙带发育范围内砂岩厚33.05～44.19m，平均38.6m，岩性以中～细砂岩为主。根据井下采掘实际揭露及钻孔探查资料，井下实揭出水点水量基本小于1m3/h，仅局部揭露小断层、顶板裂隙时沿构造面出水，最大出水量7.7m3/h（1煤组220116工作面风巷揭露一裂隙时出水，但水量衰减较快，两天后衰减至1m3/h）；综合分析，该砂岩含水层整体弱富水性，以静储量消耗型为主，易疏干，但含水层裂隙发育不均一，存在局部含水的可能。结合-750m西翼轨道大巷及-735m西翼皮带大巷掘进期间实际揭露相关水文地质资料分析，巷道掘进期间遇构造发育段可能出现顶板淋、滴水等现象。（2）预计钻孔水压由于钻孔施工过程中可能遇垂向隐伏导水构造，因此钻孔预计水压采用奥陶系灰岩水压，水头压力为5.98MPa。1.2瓦斯地质条件简述（1）4、5煤均为突出煤层，暂未进行突出危险性区域预测，按突出危险区进行管理，1煤组在该巷道掘进区域附近无基础参数测点。4煤、5煤煤层群综合瓦斯压力最大值为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）预计巷道掘进期间绝对瓦斯涌出量0.5～1.2m3/min。2定向钻机介绍及应用2.1设备构成采用中煤科工重庆研究院研制的ZDY-13000LD千米定向钻机施工，主要包括钻机系统、泥浆泵、孔底钻具和随钻测量系统。孔底钻具包括上无磁钻杆、测量探管、下无磁钻杆、螺杆马达四部分组成。2.2定向钻机随钻测量系统测量系统由孔口监视器（电脑）、随钻测量探管、通缆式钻杆、等组成，在采用孔底马达钻进过程中，将随钻测量探管连接在孔底马达后面，在钻进过程中，随钻测量探管采集钻孔倾角、方位角、工具面向角等数据通过通缆式钻杆传送到孔口监视器；通过系统软件的分析处理，在孔口监视器上显示钻孔参数和钻孔轨迹等信息，通过监测软件可实现系统分析、数据处理和储存、通讯等功能。3钻孔施工（1）开孔，采用1次钻孔，根据需要1次或2次扩孔钻进。开孔使用φ120mm钻头钻进至22.5m，用φ153mm钻头φ193mm钻头扩孔至22.5米，将φ146mm套管下至23米处，然后采用定向钻进技术一次性使用φ120mm钻头施工至设计位置。（2）钻进，φ120mm钻头+φ89mm螺杆马达+φ89mm下无磁钻杆+φ89mm测量短接+φ89mm上无磁钻杆+通缆钻杆+φ89mm水辩。正常定向钻进时，每施工3米对孔底马达进行一次参数测定，并消除了探放水时间和掘进的接续矛盾。（3）取得的效果使用ZYW13000DS定向钻机在新集二矿-650～-750m新行人上山超前探测定向钻孔。用时2个月时间完成3个钻孔，共计进尺1075m，（包括钻机转场）最深孔达396m。保证安全掘进300米。从施工的过程来看，定向钻机效率高，定向性好，具有在高压隐伏导（含）水层中仍然可以无障碍的进行超前探放水工作，取得了良好的实际效果，并消除了探放水时间和掘进的接续矛盾。4定向钻进技术应用效果分析随着国家对煤矿监察力度的加大，超前探测钻孔在巷道掘进中使用越来越多，通过在新集二矿-650m～-750m新行人上山成功实施定向长距离钻孔超前探查任务，实现了350m巷道的一次探测任务，与之前实行小循环探测相比，减少工程量约600m，同时减少3个钻场的掘进工作量，减少了巷道的停工时间，同时也减少了钻探工的人数。普通探测和定向探测钻孔费用对比表1（以巷道1000m计算）类别单价造价需用人员工期备注小循环探测300-400元/m210万元以上（不包括掘钻场费用）266个月1000m巷道约16个钻场，约7000m钻孔定向钻孔600-1000元/m210万元以上（不包括掘钻场费用）153个月约2个钻场，6个孔，每孔约520m，共3000m钻孔5普通钻机和定向钻机施工超前探测钻孔的对比常规钻孔和定向钻孔对比表2类别单孔平均距离百米钻孔影响掘进时间有效钻探距离钻孔轨迹准确位置普通钻机150m600万元以上0精确可知定向钻机500m400万元左右3位置5.1普通钻机的超前探测钻孔工艺特点（1）钻场前置。根据先探后掘的原则，钻场布置在巷道前方，并与掘进形成探掘工作循环，将掘进工作面逐步向前推移，完成巷道掘进工作面，由于超前探测钻孔与掘进工作面循环进行作业，对生产产生了制约。（2）开孔距离相对密集。由于普通钻机不具有开分支钻进功能，那么探查面积大则所开钻孔就越多，钻机方位角度调整和固定次数也就相应增多，封孔个数也相应增多，工作强度增大，浪费工时量就很大。（3）以加尺来计算钻孔位置或终孔层位。是通过孔深即开孔方位及倾角来计算确定，是理论计算结果，由于钻头受力学因素影响，随钻孔孔深变化的增加，偏差将急剧增大。5.2定向钻机的优点定向钻机在掘进工作面超前超前探测钻孔工程中的应用中发现，千米定向钻机有如下优点:（1）定向钻机具有超前探测效率高，工期短，很好地解决巷道掘进进度与超前探测工作在时间上的冲突，常规钻机施工超前探测钻孔时，掘进工作面迎头停止掘进，准备施工超前探测钻孔，一个超前探测钻孔最快施工也要一天时间左右，准备的时间也要一两天，这样巷道掘进工作就会耽误几天的时间，然而常规钻机施工钻孔深度受到限制，掘进几十米后，进行下一次超前探测，长期下去对矿方的巷道施工进度极其不利，而定向钻机至少500m，减少了掘进巷道停头打钻次数，掘进时间增加，而且在巷道的掘进期间就可以在巷道侧进行下一轮次的超前定向探测，节约了大量的时间，为矿方进行巷道掘进赢得了充足的时间。（2）在进行施工定向钻孔时，可根据实际情况定向钻机的开孔方位、倾角可不必与目标方位完全一致，在打钻时可以通过调整孔底马达弯头位置来施工到预计位置，这样可以使钻机的选场和摆放更灵活。（3）目标点准确，终孔位置准确，是保证高质量探测的前提，使用定向钻机进行超前探测时，钻孔轨迹上的任一点坐标都是测定的，所以可以探测坐标来设计钻孔轨迹，通过定向钻机进行靶向钻进，能够保证终孔位置准确。结束语采用定向钻机实现了高效超前探测的目的,为新集-650～-750m新行人上山巷道掘进和定位提供了安全保障实现了探测与掘进的同步作业,极大提高了生产效率,有效地解决了矿井掘进进度与井下超前探测之间的时间冲突,为矿方的施工进度节省了大量的时