定向抽采钻机地质探测研究

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摘要：屯兰矿选用VLD-1000定向钻机施工叶脉状定向长钻孔精准探测，利用已有巷道向采区边界地质构造复杂区域施工探明构造、小窑破坏范围钻孔，对B2301工作面涉及区域进行全面探测。实践得出，通过定向长钻孔探明B2301区域地质构造及水文地质情况，确定具备回采条件，为后续工作面布置提供了有利的地质参考条件。

关键词：地质条件定向钻机新盘区头面开发

1矿井概况

屯兰矿为山西焦煤集团公司主力生产矿井，生产能力450万t/年，为煤与瓦斯突出矿井。矿井井田面积73.34km2，井田内含煤18层，为煤层群开采，其中主采煤层2号、8号煤层均为突出危险煤层。矿井绝对瓦斯量达277.74m3/min，相对瓦斯涌出量达31.76m3/min。矿井全区承压开采，地质条件复杂。

2新盘区头面概况

北三盘区位于屯兰矿+750水平北翼，属矿井井田西北部，地层走向为北西30°~60°，倾角2°~13°，平均为4°，南北长4942m，东西宽约2900m，总面积7.3km2。盘区区东邻北一采区，西接马兰矿，南以南二、南三采区为界、与马兰矿接壤，北与镇城底矿接壤，区内断层发育，均属高角度正断层，走向为北东方向，带有压扭性质，断层交错切割，成组出现，水文地质条件上组煤为中等，下组煤为复杂，区内带压开采。盘区2号、6号、8号、9号四层稳定煤层可采储量4792.9万t，为可靠可采储量，设计暂确定生产能力为90万t/a，则北三采区可采煤层服务年限38年。盘区瓦斯相对涌出量为19.88m3/t，绝对涌出量为50m3/min。北三盘区分为左翼、右翼两翼开采，右翼工作面布置为由西北向东南方向依次布置，目前22301工作面已形成，在风坪岭断层与22301胶带巷之间存在不规则区域约0.5km2，为了提高资源回收率及延长盘区服务年限，故布置B2301工作面，工作面布置如图1所示。该区域受后风坪岭断层影响，地质构造复杂，伴生断层较多，具体情况不明，地质条件的掌握情况直接决定新工作面的巷道布置、回采方式、瓦斯治理办法等。

3断层探测情况

普通全液压钻机受材料、装成、技术条件限制，不能完成大区域、大走向长度、复杂地质条件下的探测工作，且打钻所需的时间、空间大，生产成本高，为此屯兰矿选用VLD-1000定向钻机施工叶脉状定向长钻孔精准探测，利用已有巷道向采区边界地质构造复杂区域施工探明构造、小窑破坏范围钻孔，为B2301工作面设计、资源高回收率回采提供可靠依据。VLD-1000定向千米钻机为履带行走式液压推进钻机，钻进过程中钻杆不转动，钻头由通过中空钻杆提供的高压水驱动，做功之后的水携带钻屑从钻杆与钻孔之间流出。钻头能够随时显示空间位置，并能够实现钻进方向的调节，实现定向钻进。该钻机组共包括VLD-1000型钻机、DGS孔底测量仪、孔内马达、CHD70重型MECCA钻杆等部件。根据矿生产衔接要求，参考实际情况，利用22301胶带巷里程牌1800m处现有钻场施工该区域地质探测钻孔，钻场编号B2301-1号。再利用该巷道里程牌700m处钻场施工工作面后部风坪岭断层，该钻场编号为B2301-2号。B2301-1号钻场施工跨区域地质钻探孔，初步设计8个孔，其中4个长孔，设计孔深600~750m；4个短孔，设计孔深550m。所有钻孔先沿着2号煤施工，若在2号煤钻进区域遇到异常区则在该孔下方开分支施工一个4号煤钻孔，长孔主要探测断层保护煤柱30m范围内地质构造情况及小窑破坏区，短孔主要控制风坪岭断层走向，为将来工作面布置提供地质资料。B2301-2号钻场布置7个孔，其中3个长孔（以及6~8个钻探分支孔）；其中一个长孔沿4号煤钻探；4个短孔，均沿2号煤施工，1号短孔开孔方位与巷道呈45°角，设计孔深300m，终孔位置过预测风坪岭断层30m，2号长孔沿风坪岭断层上盘走向钻进，目标方位与22301胶带巷掘进方向相反，设计孔深750m；3号短孔设计孔深约为300m，与22301胶带巷方位呈60°角，终孔位置过断层30m；4号长孔沿断层上盘走向钻进，设计孔深800m，目标方位与22301胶带巷掘进方向接近，5号孔与4号主孔钻进方向一致，目标层位4号煤，6/7号孔覆盖两侧钻孔中间空白区域，具体钻孔编号以实际施工先后顺序为准。B2301-3号钻场布置4个孔，其中2个孔沿2号煤钻进，2个孔沿4号煤钻进，设计孔深380m，钻探目标区域为B2301工作面切眼位置。

4实际施工钻孔情况

实际主孔总工程量约为10300m。由于该工作面地质构造较为复杂，煤质松软，2号、3号煤层属于合采煤层，中间夹矸松软，较容易造成垮孔，预测断层发育，因此在此区域施工有一定的难度。且工作面北东邻近小窑破坏边界，最近距离仅45m，部分探水线与警戒线位于工作面内部，小窑破坏区内有积水，钻进过程中严格观测孔内情况，并与屯兰矿地测及相关部门保持密切联系，随时汇报钻进情况，反馈钻进信息，防止钻进贯穿小窑引起突水事故。故在实际施工中，根据实际情况，钻孔设计的相关参数应做相应的调整，孔深以能够施工的实际深度为准，实际施工图如图2所示。

5钻孔效果分析

B2301轨道钻场所有钻孔均按照设计要求施工，经过细致的钻探，可以完全确定钻进区域的风坪岭断层位置及走向，并探明设计工作面范围内无特大地质构造及周边小窑破坏积水区，未发现倒水通道，钻进过程钻探过程与掘进消突工作同步进行，在探明地质构造及水文情况的同时，形成了B2301胶带巷条带式掘进区域预抽钻孔，有效地缩短了巷道掘进预抽时间，延长了预抽周期，为掘进安全施工奠定了坚实的基础。同时以条带区域预抽钻孔代替以往的递进消突短钻孔的消突方式，避免了过多的无效进尺，大幅度缓解了打钻衔接紧张，同时又提高了掘进消突效果，为矿井生产衔接赢得了宝贵的时间[1]。通过定向长钻孔探明此区域地质构造及水文地质情况，确定具备回采条件，为后续工作面布置提供了有利的地质参考条件，拓宽盘区回采面积约0.4417km2，增加盘区可回收资源量月179万t，按设计暂定生产能力90万t/年,可延长盘区服务年限约2年，后风坪岭断层实际位置变化见图3。

6安全经济效益

定向钻机施工叶脉状掘进条钻孔可达到探测断层的目的，同时条带式达到预抽消突作用，条带式预抽消突在屯兰矿多个掘进工作面的应用成功，单个预抽条带长度大于700m，每个采煤工作面掘进巷道划分为2~4个预抽条带，能够做到在巷道掘进前全部预抽达标，满足掘进巷道连续掘进要求，取代了“一队二面”或“一队三面”模式，避免了掘进工作面频繁搬家倒面，减少了生产头、面，节约了大量的生产、通风设备，提高了矿井通风能力，同时探明了待掘（采）区域地质构造，为优化工作面设计提供了准确资料，消灭了无效进尺，大幅降低了生产成本，扭转了矿井“抽、采、掘”衔接紧张的困难局面，安全效益和经济效益十分可观[2]。

7应用前景

叶脉状掘进条带预抽钻孔消突技术，利用定向钻机的特性，解决了掘进巷道条带一次消突连续掘进技术难题，并探明工作面轮廓线地质构造，发现大量可采资源，为日益紧张的煤矿资源以及生产衔接不平衡找到了有效的解决办法，大幅度减少了利用普通钻机施工进尺及预抽时间，成为解决高突矿井“抽、掘、采”矛盾的有效途径，具有广泛的推广应用价值[3]。

参考文献

[1]吴迪.瑞利波勘探原理及应用实例[J].地质装备，2009（4）：26-29.

[2]杨孟达.煤矿地质学[M].北京：煤炭工业出版社，2006：121-125.

[3]姬光喜.矿井瓦斯抽采[M].北京：中国矿业大学出版社，2011：91-103.

作者:丁小峰 单位:山西焦煤西山煤电集团公司屯兰矿