定向鉆機(jī)在快速掘進(jìn)超前探測(cè)中的應(yīng)用

定向鉆機(jī)在快速掘進(jìn)超前探測(cè)中的應(yīng)用摘要：針對(duì)新集二礦-650～-750m新行人上山掘進(jìn)與探查巷道掘進(jìn)前方及兩幫垂向隱伏導(dǎo)（含）水通道查明巷道掘進(jìn)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(jìn)前方及巷幫瓦斯異常情況。鉆探與掘進(jìn)在時(shí)間上的沖突，提出采用定向鉆機(jī)進(jìn)行定向超前探測(cè)的方法，并結(jié)合其在實(shí)際應(yīng)用中的特性，總結(jié)出定向鉆機(jī)在定向超前探測(cè)中具有效率高和費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了定向鉆機(jī)在定向超前探測(cè)工作中的技術(shù)突破，具有一定的意義。關(guān)鍵字：定向鉆機(jī)；高效；安全；超前探測(cè)1工程背景新集-650～-750m新行人上山南為-650m西翼運(yùn)輸、皮帶大巷和-650m西翼運(yùn)輸大巷專用回風(fēng)巷，北為-735m皮帶石門(mén)和-750m西翼軌道大巷，巷道設(shè)計(jì)全長(zhǎng)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(jìn)。1.1水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)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(jìn)。1煤組頂板導(dǎo)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(xì)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(shí)揭出水點(diǎn)水量基本小于1m3/h，僅局部揭露小斷層、頂板裂隙時(shí)沿構(gòu)造面出水，最大出水量7.7m3/h（1煤組220116工作面風(fēng)巷揭露一裂隙時(shí)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(chǔ)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(jìn)期間實(shí)際揭露相關(guān)水文地質(zhì)資料分析，巷道掘進(jìn)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(yù)計(jì)鉆孔水壓由于鉆孔施工過(guò)程中可能遇垂向隱伏導(dǎo)水構(gòu)造，因此鉆孔預(yù)計(jì)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(jiǎn)述（1）4、5煤均為突出煤層，暫未進(jìn)行突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測(cè)，按突出危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行管理，1煤組在該巷道掘進(jìn)區(qū)域附近無(wú)基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)點(diǎn)。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(yù)計(jì)巷道掘進(jìn)期間絕對(duì)瓦斯涌出量0.5～1.2m3/min。2定向鉆機(jī)介紹及應(yīng)用2.1設(shè)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(jī)施工，主要包括鉆機(jī)系統(tǒng)、泥漿泵、孔底鉆具和隨鉆測(cè)量系統(tǒng)?？椎足@具包括上無(wú)磁鉆桿、測(cè)量探管、下無(wú)磁鉆桿、螺桿馬達(dá)四部分組成。2.2定向鉆機(jī)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)由孔口監(jiān)視器（電腦）、隨鉆測(cè)量探管、通纜式鉆桿、等組成，在采用孔底馬達(dá)鉆進(jìn)過(guò)程中，將隨鉆測(cè)量探管連接在孔底馬達(dá)后面，在鉆進(jìn)過(guò)程中，隨鉆測(cè)量探管采集鉆孔傾角、方位角、工具面向角等數(shù)據(jù)通過(guò)通纜式鉆桿傳送到孔口監(jiān)視器；通過(guò)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(guò)監(jiān)測(cè)軟件可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分析、數(shù)據(jù)處理和儲(chǔ)存、通訊等功能。3鉆孔施工（1）開(kāi)孔，采用1次鉆孔，根據(jù)需要1次或2次擴(kuò)孔鉆進(jìn)。開(kāi)孔使用φ120mm鉆頭鉆進(jìn)至22.5m，用φ153mm鉆頭φ193mm鉆頭擴(kuò)孔至22.5米，將φ146mm套管下至23米處，然后采用定向鉆進(jìn)技術(shù)一次性使用φ120mm鉆頭施工至設(shè)計(jì)位置。（2）鉆進(jìn)，φ120mm鉆頭+φ89mm螺桿馬達(dá)+φ89mm下無(wú)磁鉆桿+φ89mm測(cè)量短接+φ89mm上無(wú)磁鉆桿+通纜鉆桿+φ89mm水辯。正常定向鉆進(jìn)時(shí)，每施工3米對(duì)孔底馬達(dá)進(jìn)行一次參數(shù)測(cè)定，并消除了探放水時(shí)間和掘進(jìn)的接續(xù)矛盾。（3）取得的效果使用ZYW13000DS定向鉆機(jī)在新集二礦-650～-750m新行人上山超前探測(cè)定向鉆孔。用時(shí)2個(gè)月時(shí)間完成3個(gè)鉆孔，共計(jì)進(jìn)尺1075m，（包括鉆機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)）最深孔達(dá)396m。保證安全掘進(jìn)300米。從施工的過(guò)程來(lái)看，定向鉆機(jī)效率高，定向性好，具有在高壓隱伏導(dǎo)（含）水層中仍然可以無(wú)障礙的進(jìn)行超前探放水工作，取得了良好的實(shí)際效果，并消除了探放水時(shí)間和掘進(jìn)的接續(xù)矛盾。4定向鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用效果分析隨著國(guó)家對(duì)煤礦監(jiān)察力度的加大，超前探測(cè)鉆孔在巷道掘進(jìn)中使用越來(lái)越多，通過(guò)在新集二礦-650m～-750m新行人上山成功實(shí)施定向長(zhǎng)距離鉆孔超前探查任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了350m巷道的一次探測(cè)任務(wù)，與之前實(shí)行小循環(huán)探測(cè)相比，減少工程量約600m，同時(shí)減少3個(gè)鉆場(chǎng)的掘進(jìn)工作量，減少了巷道的停工時(shí)間，同時(shí)也減少了鉆探工的人數(shù)。普通探測(cè)和定向探測(cè)鉆孔費(fèi)用對(duì)比表1（以巷道1000m計(jì)算）類別單價(jià)造價(jià)需用人員工期備注小循環(huán)探測(cè)300-400元/m210萬(wàn)元以上（不包括掘鉆場(chǎng)費(fèi)用）266個(gè)月1000m巷道約16個(gè)鉆場(chǎng)，約7000m鉆孔定向鉆孔600-1000元/m210萬(wàn)元以上（不包括掘鉆場(chǎng)費(fèi)用）153個(gè)月約2個(gè)鉆場(chǎng)，6個(gè)孔，每孔約520m，共3000m鉆孔5普通鉆機(jī)和定向鉆機(jī)施工超前探測(cè)鉆孔的對(duì)比常規(guī)鉆孔和定向鉆孔對(duì)比表2類別單孔平均距離百米鉆孔影響掘進(jìn)時(shí)間有效鉆探距離鉆孔軌跡準(zhǔn)確位置普通鉆機(jī)150m600萬(wàn)元以上0精確可知定向鉆機(jī)500m400萬(wàn)元左右3位置5.1普通鉆機(jī)的超前探測(cè)鉆孔工藝特點(diǎn)（1）鉆場(chǎng)前置。根據(jù)先探后掘的原則，鉆場(chǎng)布置在巷道前方，并與掘進(jìn)形成探掘工作循環(huán)，將掘進(jìn)工作面逐步向前推移，完成巷道掘進(jìn)工作面，由于超前探測(cè)鉆孔與掘進(jìn)工作面循環(huán)進(jìn)行作業(yè)，對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生了制約。（2）開(kāi)孔距離相對(duì)密集。由于普通鉆機(jī)不具有開(kāi)分支鉆進(jìn)功能，那么探查面積大則所開(kāi)鉆孔就越多，鉆機(jī)方位角度調(diào)整和固定次數(shù)也就相應(yīng)增多，封孔個(gè)數(shù)也相應(yīng)增多，工作強(qiáng)度增大，浪費(fèi)工時(shí)量就很大。（3）以加尺來(lái)計(jì)算鉆孔位置或終孔層位。是通過(guò)孔深即開(kāi)孔方位及傾角來(lái)計(jì)算確定，是理論計(jì)算結(jié)果，由于鉆頭受力學(xué)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(jī)的優(yōu)點(diǎn)定向鉆機(jī)在掘進(jìn)工作面超前超前探測(cè)鉆孔工程中的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，千米定向鉆機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn):（1）定向鉆機(jī)具有超前探測(cè)效率高，工期短，很好地解決巷道掘進(jìn)進(jìn)度與超前探測(cè)工作在時(shí)間上的沖突，常規(guī)鉆機(jī)施工超前探測(cè)鉆孔時(shí)，掘進(jìn)工作面迎頭停止掘進(jìn)，準(zhǔn)備施工超前探測(cè)鉆孔，一個(gè)超前探測(cè)鉆孔最快施工也要一天時(shí)間左右，準(zhǔn)備的時(shí)間也要一兩天，這樣巷道掘進(jìn)工作就會(huì)耽誤幾天的時(shí)間，然而常規(guī)鉆機(jī)施工鉆孔深度受到限制，掘進(jìn)幾十米后，進(jìn)行下一次超前探測(cè)，長(zhǎng)期下去對(duì)礦方的巷道施工進(jìn)度極其不利，而定向鉆機(jī)至少500m，減少了掘進(jìn)巷道停頭打鉆次數(shù)，掘進(jìn)時(shí)間增加，而且在巷道的掘進(jìn)期間就可以在巷道側(cè)進(jìn)行下一輪次的超前定向探測(cè)，節(jié)約了大量的時(shí)間，為礦方進(jìn)行巷道掘進(jìn)贏得了充足的時(shí)間。（2）在進(jìn)行施工定向鉆孔時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況定向鉆機(jī)的開(kāi)孔方位、傾角可不必與目標(biāo)方位完全一致，在打鉆時(shí)可以通過(guò)調(diào)整孔底馬達(dá)彎頭位置來(lái)施工到預(yù)計(jì)位置，這樣可以使鉆機(jī)的選場(chǎng)和擺放更靈活。（3）目標(biāo)點(diǎn)準(zhǔn)確，終孔位置準(zhǔn)確，是保證高質(zhì)量探測(cè)的前提，使用定向鉆機(jī)進(jìn)行超前探測(cè)時(shí)，鉆孔軌跡上的任一點(diǎn)坐標(biāo)都是測(cè)定的，所以可以探測(cè)坐標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)鉆孔軌跡，通過(guò)定向鉆機(jī)進(jìn)行靶向鉆進(jìn)，能夠保證終孔位置準(zhǔn)確。結(jié)束語(yǔ)采用定向鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)了高效超前探測(cè)的目的,為新集-650～-750m新行人上山巷道掘進(jìn)和定位提供了安全保障實(shí)現(xiàn)了探測(cè)與掘進(jìn)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(jìn)進(jìn)度與井下超前探測(cè)之間的時(shí)間沖突,為礦方的施工進(jìn)度節(jié)省了大量的時(shí)