煤矿防治水作业中定向钻探技术研究论文

 

　　在煤炭开采中，一旦出现积水，就会影响井下采矿设备的正常运行，降低采煤效率。同时，积水也会影响煤体的采煤质量，如煤体含水率增加等，所以，开展防治水可以保证良好的井下采矿条件，也可以有效控制地下水渗漏，防止地面塌陷事故的发生。在进行防治水作业中，应用定向钻探技术，既可以提升防治水效果，也不会损坏煤矿。

 

 

　　定向钻探技术是一种可以控制钻井方向和倾斜角度的钻井技术。在概念上，定向钻探与传统直钻探相比，可以实现钻井方向和角度的精确控制，通过在钻井过程中不断调整钻头的倾斜角度，实现钻井方向的灵活定向。在煤矿防治水工作中应用定向钻探技术，则可以精确控制排水井的位置和方向，实现井斜部位的有效排水，解决传统直井难以排水的问题”]。同时也可以避开煤层和瓦斯难以排出的区域，安全高效地钻通井斜部位，根据地层结构的变化实时调整钻头倾斜角度，提高钻井成功率。可以实现多支井联合排水，从多个方向对井斜部位进行排水，提高防治效果。与传统直井相比，单位长度可以有效排水区域更大，利用效率更高，可实现定向排水井的回填，防止地面塌陷。总之，定向钻探技术可以精确控制排水井的位置和方向，从而更好地解决传统直井难以排水的问题，其在煤矿防治水工作中的应用具有明显优势。

 

 

 

　　定向钻探技术可以充分探查煤矿内老空积水现象，首先是根据地质条件和采矿历史，选择可能存在老空积水的区域进行钻探。然后利用钻井定位系统，确定钻探点位置，并设计定向钻井方案，一般情况下，探水孔需要设置在大巷北侧，来探测采空区边界情况，保证大巷掘进是安全的，此外，也需要在运输巷和回风大巷两侧布设钻孔，这样能够对水害隐患进行探查，具体如图1所示。

 

　　接下来就廾始定向钻井，利用液压糸统实时调整钻头倾斜角度，角度控制在70.9。，开孔与底板的距离要控制在1 500mm，灵活控制钻井方向。钻进过程中监测钻井参数，如转速、推进速度等，掌握钻头位置，一旦钻入老空区，参数会明显变化。进入老空区后，停止钻进，利用测并仪器对并壁进行扫描，记录老空形态数据，根据井壁扫描结果，进一步调整钻头位置，对老空内部进行扫描。记录老空形态数据，如长宽高、水深等，一般老空形态不规则，水深1~10 m不等。根据多点钻探结果，利用三维软件重建老空分布情况，选择老空位置进行水质取样，分析是否存在重金属污染，最终绘制老空分布图和三维模型，为后期防治提供依据。通过定向钻探的多点探测，可以精确掌握煤矿内老空的分布规律和水质状况，为后期防治工作提供依据[]。

 

 

　　首先需要使用定向钻设备进行探测，这种设备可以打入煤层底板，进行地层探测和取芯。在进行探测时，需要选择合适的钻孔位置和角度，确保可以探测到作业面底板，通常会选择与作业面平行或斜交的钻探方向，斜长为280~335 m。定向钻探进时要不断检测钻头扭矩、推力、转速、流量等参数，判断钻头是否进入煤层，进入煤层后要立即提钻，取出煤屑样本，具体如表1所示。将取出的煤屑样本进行分析，判断其含水率、压实度等参数，来推断底板的承压能力。根据样本分析结果，可以计算出底板的承压强度指标，如底板安全厚度、底板安全系数等。将钻孔探测结果绘制成底板厚度剖面图，标明各测点的厚度和承压强度指标。根据探测结果，可以判断底板强度是否满足需求。一旦探测结果显示异常，那么就要再布设2个定向钻孔进行重复验证，根据最终结果，来布置优化防治水方案，如增设支护、提高抽水量等。需要定期进行定向钻探测，更新底板强度数据，以便及时调整防治水措施。

 

 

 

　　使用定向钻探技术也可以充分探测煤矿顶板含水层，首先是根据矿井地质资料和水害分布情况，确定需要探测的顶板区段。使用定向钻设备，选择与顶板平行或斜交的钻孔方向，以30。的倾斜角度开始定向钻探，钻入顶板一定深度。钻孔过程中，记录钻头的扭矩、推力、转速、流量等参数的变化情况，当这些参数发生明显改变时，表示进入含水层。将钻出的岩屑和水样进行分析，检测其含水率、孔隙率、渗透率等参数。例如，当定向钻孔设备进入破碎带后，停止钻进，利用测井仪器对井壁进行扫描，扫描结果显示，发现一条长10 m、宽2~3 m的破碎带，带内充满水。根据破碎带走向，调整钻头位置，再次钻入破碎带内部。钻进5 m后，水压突然增加,钻头无法前进，表明探到了压力较大的顶板水。停止钻进，放下水压监测仪，记录水压为1.2 MPa，取水质样本后抽出钻头。记录含水层的厚度、深度、涌水量等数据，通过分析岩屑，可以确定是砂岩、粉砂岩、碎屑岩等含水层的岩性。将钻孔列入水文地质观测网，定期监测其涌水量、水质等变化，判断顶板含水层受采动影响的情况[3]。根据钻探结果绘制顶板含水层剖面图，标明各含水层的位置、厚度、涌水特征等，为制定防治水措施提供依据。需要定期向钻探测，更新顶板含水层数据，以便及时采取增设抽水工程等措施，控制顶板水灾害。总之，定向钻探技术可以精确定位到顶板水，获取第一手的地层及含水信息，数据准确可靠。可以取出岩心和水样进行分析，不仅确定含水层位置，还可以判断岩性、含水率等参数，钻孔可以转化为地下水观测点，实现对顶板含水层的动态监测，是煤矿开展防治水工作的有效手段。

 

 

　　在煤矿防治水作业中，利用定向钻探技术精确钻掘排水钻孔的技术。开始定向钻掘，实时监测钻头参数，并根据需要调整倾斜角度，保持钻孔方向，钻入水聚集区后，根据水流动方向继续调整钻头倾斜角度。钻至设计深度后，进行井壁扫描，确保钻孔通达水聚集区，根据扫描结果，如有必要可再次调整钻头位置，确保有效对接水聚集区。完成钻孔后进行井壁锚固，防止崩塌，安装排水管后对接地面排水系统，多点钻掘后形成定向排水钻孔网，实现有效排水。例如，山东某煤矿，通过探测发现3#采空区域下存在较大规模的老空积水，经过勘察设计，决定采用定向探水钻孔进行排水。确定5个钻点，钻孔编号分别为D1~D5。D1钻孔位置为N35。08′29.46′′，E117。02′48.12′′，倾角35。。开始钻掘，于深度120 m钻入水聚集区，水流量50 m3/h，根据水流动方向调整倾角至31。，继续钻至设计深度150 m。井壁扫描显示钻孔已贯通老空主体，老空长30 m，宽8 m，水深平均3 m。其他4孔数据情况为，D2孔水流100 m3/h，老空长20 m，宽5 m，水深2 m；D3孔水流80 m3/h，老空长15 m，宽3 m，水深1.5 m；D4孔水流60 m3/h，老空长10 m，宽2 m，水深1 m；D5孔水流40 m3/h，老空长8 m，宽1.5 m，水深0.8 m。在进行防治7个月后，老空完全排干，达到了良好的防治效果[4]。总的来说，利用钻探定位系统可以精确控制钻孔方向，精确对接水聚集区，可以根据水流动方向实时调整钻头位置，使钻孔有效对接水体，提高排水效率。通过多点钻掘可以形成覆盖性的定向排水系统，有效对接广大区域的积水，钻掘过程中监测参数，一旦遇障碍可及时调整，防止事故，提高作业质量。与传统水平井相比，不需要设置大型机械设备，投入成本更低，单个钻孔堵塞时，可以灵活选择位置进行替换钻掘，不影响整体排水。

 

 

　　为了保证定向钻探技术在煤矿防治水作业中的效果较好，所以就要开展注水耐压试验，选择已钻掘完成且通过井壁扫描确认排水效果好的定向排水钻孔。在钻孔口装设注水管道和水压传感器，按一定流量使用泵车向钻孔内注入水，一般注水流量控制在50~100 m3/h。注水过程中实时监测和记录钻孔内水压变化，持续增加注水流量，观察水压变化情况，一旦水压剧烈波动或突然增加，表明出现了裂缝或破碎区，应立即停止注水。最高记录水压作为该钻孔的耐压值，一般耐压值在1.0~1.5 MPa之间，持续注水2~3 h后，关闭注水，观察钻孔是否有水涌出，进一步验证排水效果。对多个钻孔重复上述流程，统计和比较各钻孔的耐压值，为后期排水设计提供参考。根据耐压试验结果，可以进一步优化排水钻孔布局[5]。此外，在注水过程中可以实时监测水压变化，一旦出现异常可以及时停止，防止事故发生，通过测试可以直接获取钻孔的耐压值，为后期排水设计提供依据。与传统水压试验相比，不需要设置水压站等辅助设施，更加经济实惠，同时测试多个钻孔，可以对比分析各钻孔的耐压特性，为优化排水布局提供数据支持。同一钻孔可以多次开展测试，观察水压变化规律，检验排水效果，注水过程中一旦遇障碍能及时发现问题，有利于排障和排水效果的提升。通过注水耐压试验，可以全面和实效地评价定向排水钻孔的排水性能，为煤矿防治水管理提供技术支撑。

 

 

　　在煤矿防治水作业中应用定向钻探技术，可以提升煤矿防治水效果，保证井下作业安全，增强防治水效率。在应用定向钻探技术的时候，主要是从探查积水、底板承压、顶板水、钻孔防治、注水耐压试验等方面入手，让防治水效果更好，进而提升定向钻探防治积水的水平。

 

 

　　[1]牛乔南.煤矿防治水作业中定向钻探技术的应用研究[J].山西化工，2023，43（8）：176-177.

 

　　[2]郭江鹏.定向钻探技术在煤矿防治水中的应用[J].矿业装备，2023（7）：155-157.

 

　　[3]杨超.煤矿防治水作业中定向钻探技术的作用及应用微探[J].矿业装备，2022（6）：12-13.

 

　　[4]李建功.定向钻探技术在井下防治水作业中的应用探析[J].矿业装备，2022（3）：36-37.

 

　　[5]王跃.煤矿防治水作业中定向钻探技术的应用分析[J].当代化工研究，2021（16）：82-83.