定向钻孔在矿井地质方面的技术应用

孙建维

（晋能控股煤业集团 胡底煤业有限公司，山西 晋城 048200）

1 概 况

煤矿水害、地质构造是煤矿生产过程中遇到的主要隐蔽灾害，探测并掌握富水区范围、积水量及地质构造的性质、范围是保证安全采掘的地质基础。目前，国内大多数矿井采用常规钻孔进行探测，但在实际施工过程中存在以下问题：钻探工作量大，施工所需钻孔数量多，施工周期长，布置分散；钻孔轨迹不可控，不能精确探测地质体异常位置，易出现探测盲区；钻孔深度浅，钻孔利用率较低。

定向钻进技术近些年越来越成熟，该技术具有钻孔深度大、钻孔轨迹可控、施工目标精确控制等优势，在矿井地质领域也进行了应用，如定向钻孔长距离探测地质构造、富水区及煤层趋势等，减少了钻探工作量，增加了探测准确性，为矿井安全生产提供了准确的地质基础。

2 定向钻孔在水害防治方面的应用

2.1 实施案例

按照山西省整体要求，为进一步加强煤矿防治水管理工作，坚持“预测预报、有掘必探、有采必探、先探后掘、先探后采”的原则，巷道在掘进过程中要严格执行有掘必探，为提高探测精确度、巷道掘进效率，决定采用定向钻机实施。

以晋能控股煤业集团胡底煤业1309 底抽巷、大巷水害探测为例。

（1） 1309 底抽巷每200 m 施工1 个千米钻场用于施工“有掘必探”钻孔，每次探测距离330 m，允许掘进距离300 m，同时预留100 m 巷道掘进的平行作业时间。设计分支分为225 m 和330 m两组分支钻孔，组与组之间24 m 超前距，如图1所示。

图1 1309 底抽巷“有掘必探”钻孔平面图Fig.1 Drilling hole plane of'excavation with exploration'in No.1309 floor gas extraction roadway

主孔施工到位后，钻孔由内向外逐步开分支分别覆盖左右帮及巷道底板，底板分支钻孔终孔位置与巷道底板距离为10 m；左右帮分支钻孔终孔位置与巷道左右帮间距为20 m。

（2） 2018 年9 月1 日起，执行《煤矿防治水细则》，细则第三十九条规定：有条件的矿井，钻探可采用定向钻机，开展长距离、大规模探放水。针对此项要求，胡底煤业结合矿井生产衔接情况，组织开展长距离、大规模探放水作业，以保障生产的顺利进行。

胡底煤业1102、1103、1104 巷自进风11 号横川至设计停头位置的长度为430 m，巷道间距30 m，北部、南部均为尚未进行采掘活动的区域，西部为已掘进的5 条大巷，东部至矿界。在11 号横川布置2 个探放水钻场，定向钻孔以开分支形式，覆盖大巷南北向超过设计巷道20 m 范围、东向超过设计巷道30 m 范围。

通过本次长距离、大规模定向钻孔施工，可保证大巷掘进430 m 范围，不在重复进行探放水作业，不仅提高探测精确度，也提高了巷道掘进效率。

图2 大巷长距离、大规模“有掘必探”钻孔平面图Fig.2 Drilling hole plane of'excavation with exploration'in long distance and large scale of main roadway

2.2 实施结果

与常规普钻钻孔相比较，定向钻孔具有钻孔轨迹可视、钻孔分布均匀全面、探测距离长、探测频次少的优势，满足《煤矿防治水细则》工作要求，解决了“有掘必探”钻孔施工与巷道掘进的制约关系。

3 定向钻孔在探测地质构造方面的应用

3.1 实施案例

以晋能控股煤业集团胡底煤业探测X8 陷落柱为例，三维地震勘探发现矿区大巷掘进前方发育一X8 陷落柱，其长轴呈NE 向，长轴238 m、短轴220 m，面积38 711 m2，在平面上呈近圆状，在剖面上呈反漏斗状，该陷落柱为控制可靠陷落柱。

为掌握X8 陷落柱发育，采用定向钻机探测地质构造。探测区域位于奥灰水承压区，3 号煤层底板标高最低处为+126 m 左右，奥灰水位标高为+578 m 左右，属于带压开采，探测区域又处于陷落柱发育地带和向斜轴部，因此具有底板突水威胁。

探测前在钻场附近配备2 台排水量不小于60 m3/h 的排水设备，扬程不小于120 m，排水管路能满足排水需要，直接排至中央水仓。靠帮挖好排水沟与水窝，水窝尺寸长×宽×高=6 m×2 m×1.5 m。加强钻孔附近的巷道支护，在距离巷道顶底板各1 m 位置补打2 条W 钢带（W 钢带长度略小于巷道尺寸），防止岩壁突然鼓出。对钻探地点巷道帮部进行注浆处理（水泥强度不低于42.5，水泥浆质量比为1∶1，注完后待凝固24 h 可以进行扫孔），填充裂隙，使岩层成为整体。钻孔孔口处安装止水套管，保证安全探放水，施工前预先固结孔口套管，套管间用丝扣链接，套管口安装闸阀。

定向钻孔全覆盖X8 陷落柱内二盘区集中回风巷、二盘区辅助运输巷、二盘区主运输巷、二盘区辅助进风巷和二盘区辅助回风巷巷道区域，如图3所示。钻孔开孔后，进入到3 号煤层，沿3 号煤层钻进，若探测过程中出现塌孔、压力大等异常情况时，则沿3 号煤层顶板钻进。探测每30 m 穿过煤层顶、底板不少于10 m。

图3 定向钻孔探测X8 陷落柱平面图Fig.3 No.X8 collapse column plane detected by directional drilling hole

3.2 实施结果

根据千米钻孔资料分析X8 陷落柱范围内3 号煤层赋存情况，探测所覆盖区域3 号煤层整体连续，煤层有变薄的现象，该区域不存在陷落柱。

此次探测结果表明，与常规钻孔相比，定向钻孔具有探测距离长、探测准确度高、轨迹可视的优势，能够保证探测地质构造的准确性。

4 定向钻孔在探测煤层发育方面的应用

4.1 实施案例

地面三维地震勘探广泛用于探测煤矿地质构造、煤层赋存等方面，具有探测精度高、探测范围广的优势。但地面三维地震勘探易受外部工作环境影响，地震资料解释过程中存在多样性，致使三维地震资料与实际情况存在一定的偏差，故需在生产过程中需进一步钻探验证。

以晋能控股煤业集团胡底煤业为例，胡底煤业为煤与瓦斯突出矿井，使用定向钻机进行区域递进式模块抽采降量，在采掘活动前，定向钻孔已超前覆盖采掘区域，如图4 所示。由于定向钻机具有测定钻孔轨迹可视化的优势，能够计算出探测区域煤层顶、底板标高。

胡底煤业13072、13091 巷巷道掘进前，定向钻孔已覆盖巷道掘进区域，通过计算钻孔探测煤层顶、底板的标高，可预测巷道沿煤层掘进的角度。在三维地震煤层底板等高线的基础上，根据定向钻孔探测的煤层顶底板标高绘制的巷道剖面，更加准确直观地展现巷道掘进区域煤层赋存情况、地质构造发育情况。

图4 定向钻孔分布平面图Fig.4 Plane of directional drilling hole distribution

4.2 实施结果

13072、13091 巷道施工结束后，通过实测巷道剖面、三维地震解释的煤层趋势剖面以及根据定向钻孔修订的煤层趋势剖面，三者对比可以较为直观的看出，三维地震解释的煤层趋势具有较大误差，尤其是在煤层倾角变化区域，而定向钻孔修订的煤层趋势与实测的巷道剖面基本一致。

图5 定向钻孔探测煤层发育剖面图Fig.5 Coal seam development profile detected by directional drilling hole

5 结 语

综合上述研究可知，定向钻孔具有探测距离长、轨迹可视、精确度高的优点，不仅局限于瓦斯抽采方面，其在水害防治、构造探测、煤层探测等矿井地质领域同样具有独特的优势。随着定向钻进技术的成熟，其在矿井地质领域的应用范围、方式也会越来越广泛。