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煤矿地质勘查中全自动钻机的探放水应用

2025-04-03 60 上传者：管理员

摘要：地质探放水是煤矿开采作业前一项重要工作，对保证煤矿工作面生产安全具有重要作用，为此提出全自动钻机在煤矿地质探放水中的应用。根据煤矿地质探放水需求选择全自动钻机搭配泥浆泵；在工作面的顺槽呈扇形布设钻孔，并且设计钻孔参数；利用全自动钻机在布设的孔位上钻孔，对孔内水进行测量和排放，实现基于全自动钻机的地质探放水。通过应用实例，地质探放水后工作面顶板水压得到了有效的降低，并且在安全范围内，探放水效果良好。

关键词：
全自动钻机
扇形
探放水
泥浆泵
矿井水文地质条件
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随着煤矿开采的深入,矿井水文地质条件日益复杂,地下水问题逐渐凸显,成为制约煤矿安全高效开采的重要因素｡地下水不仅可能导致矿井涌水､顶板垮塌等地质灾害,还可能对矿井设备造成腐蚀,增加维护成本,甚至威胁到矿工的生命安全｡因此,深入研究煤矿地质探放水方法,对于确保煤矿安全生产､提高开采效率､保护生态环境具有重要意义｡煤矿地质探放水的主要任务是通过技术手段对矿井水文地质条件进行探测,分析地下水位的动态变化､水质特征及其对矿井生产的影响,进而制定相应的探放水措施,及时将井下积水安全有效地排放至地面,防止地下水对矿井生产和安全造成危害｡这一过程涉及地质､水文､工程等多个学科的知识,需要综合运用多种技术手段和方法,以确保探放水的准确性和有效性｡

近年来,随着科技的进步和煤矿开采技术的不断发展,煤矿地质探放水技术也取得了显著进展｡范强[1]针对石圪台煤矿探放水,应用了自动钻机,阐述了基于自动钻机的地质探放水要点和流程;熊晓勃等[2]提出了中等复杂条件下的地质探放水技术,并对其进行了实践应用｡尽管煤矿地质探放水技术取得了显著进展,但仍存在一些不足之处,需要进一步完善和改进｡部分煤矿仍采用传统的探放水方法和*华电煤业集团有限公司科技项目(CHDKJ20-02-99)设备,效率低且存在安全隐患,为此提出了全自动钻机在煤矿地质探放水中的应用｡

1、钻机选型及探放水钻孔布置

在当前煤矿地质探放水施工日益复杂化的背景下,传统钻机所能提供的回转力矩即便达到3~6kN·m,也难以满足高效､精准探放水作业的需求｡特别是地质条件复杂的区域,其独特且多变的地质条件对井下钻机的性能提出了更为严苛的要求｡

首先,考虑到井下作业环境的严苛限制与高效作业需求,钻机需实现高度集成化设计,其调整角度范围需覆盖-10°~+20°,且在该范围内角度调整精度需达到0.1°,以确保在复杂多变的岩层中能够灵活应对并实现精准定位与钻孔作业｡该钻机单次角度调整时间不能超过2min,相对于传统钻机,作业效率提升30%以上[3]｡同时,集成化设计还大幅简化了操作流程,降低了作业人员的操作难度,减少了人为误差,进一步提升了整体工作效率｡其次,针对多级套管下入的需求,钻机在钻孔轨迹控制上必须达到较高的平顺度｡具体而言,钻机需配备先进的轨迹控制系统｡该系统能够实时监测钻孔路径,并通过高精度伺服电机驱动,实现钻孔轨迹的微调,确保孔壁光滑､无偏移,平顺度控制在±0.5mm以内[4]｡此外,该系统还能够根据岩层变化自动调整钻进速度和扭矩,以避免由岩层硬度不均导致的钻孔偏差｡在实际应用中,该钻机所钻出的孔径误差应小于1mm,为多级套管的顺利下入创造有利的条件｡

根据以上需求,选择型号为HKFA-AS4FG8的全自动钻机,其主要参数:

为了在钻进过程中冷却全自动钻机钻头､给螺杆马达提供充足的动力,为该钻机配备1台泥浆泵,型号为JGHFA-A4F4｡

根据煤矿地质的实际情况,为确保区域探放水作业的安全与顺利进行,在工作面的2条顺槽(即运输顺槽与回风顺槽)及切眼区域,精心布设了钻孔｡这些钻孔以扇形布局展开,总进尺规划为5000m,孔径设计在φ90~120mm,且每个扇形区域内的钻孔间距初步设定为20m,以确保全面覆盖并精确评估工作面的水文地质状况[5]｡在实施过程中,采用高精度水文监测设备实时追踪钻孔探放水的效果,一旦发现水量较大的区域,立即采取灵活策略,如将钻孔间距缩短至10m以加密布置,从而大幅提升疏放水效率至少30m3/h,有效缓解或彻底消除地下水对工作面安全开采的潜在威胁｡

2、探放水钻孔结构设计

布设好孔位后,鉴于全自动钻机在深入不稳定煤岩层时极可能遭遇涌水风险的实际情况,为此决定采取下入多级套管的策略,以应对孔口段地质不稳定的挑战,确保整个探放水作业平稳进行｡多级套管能够提供稳定的孔壁支撑,有效防止由地质不稳定导致的孔壁坍塌或涌水事故｡每一级套管都经过精心设计和选材,以确保能够承受预期的地下压力和涌水量｡通过逐级下入套管,可以逐步深入到更复杂的煤岩层中,而无需担心孔壁失稳的问题｡

将探放水钻孔的设计划分为套管段､定向造斜段和定向稳斜段,如图1所示｡

图1探放水钻孔结构设计图

探放水钻孔的孔身结构设计采用三级结构体系,具体参数如表1所示｡

表1全自动钻机探放水参数

一级孔身作为初始段,其长度设定为13m,随后下入套管至10m深处,并通过水泥固管技术加固,同时安装套管及控水阀门,以有效隔离不稳定岩层,确保后续施工的安全环境[6]｡二级孔身长度扩展至69m,三级孔身的孔径进一步缩小至φ100mm,以适应更为复杂的定向造斜与稳斜钻进需求,该段长度设定为11m｡

3、基于全自动钻机的地质探放水

按照以上钻孔设计利用全自动钻机进行地质探放水钻孔,钻头以18°~50°的仰角向工作面顶板进行钻孔,以确保能够精准地穿透潜在含水层,有效实施疏放水作业｡全自动钻进初期,钻孔的开口孔径被设定为φ100mm,提供足够的空间以便后续设备的安装与操作[7]｡随着钻孔的深入,当施工达到6m深度时,安装一根φ108mm的封口管｡该管外部缠绕麻绳以增强密封性,并注入封孔液以确保止水效果｡封口管通过锚杆牢固地固定在顶板上,以防止在后续施工中发生位移或脱落｡

随后,在封口管上安装一个φ100mm的闸阀,以控制水流并便于后续的维护与检修｡之后,钻孔作业将继续进行,直至达到预定的终孔深度｡在整个钻进过程中,采用长度为0.75m的φ73mm铣削式螺旋逆止钻杆,配合φ94mmPDC(聚晶金刚石复合片)胎体式复合片钻头｡此外,为了有效清除钻孔过程中产生的岩屑,采用巷道静压水作为介质进行反渣作业[8]｡通过向钻孔内注入静压水,利用水流的力量将岩屑冲刷至孔口,再由专门的设备收集处理,从而保证钻孔的畅通无阻｡整个钻进过程中全自动钻机参数严格按照表1设置｡当达到钻孔深度时,利用专业设备对孔内水位､水量及水质进行测量并记录,探测煤矿地下水文特征;然后向孔内施加压力,压力控制在10~15MPa,在压力的作用下孔内水通过钻孔向外排放,直到钻孔内没有水涌出为止;使用水泥对钻孔进行封固,至此完成基于全自动钻机的煤矿地质探放水过程｡

4、应用实例与分析

(1)工程概况

以某煤矿地质工程为背景｡该煤矿工作面走向为南北方向,北侧为采空区,南侧为主辅运大巷,东西两侧为井田边界｡煤矿工作面地面平均标高为856.42m,地面相对高差为53.41m,开采区平均煤厚为4.15m,煤层整体趋势为西高东低｡采煤作业结束后自然形成冒落带与导水裂隙带,对矿井安全构成了直接威胁｡随着煤层的开采,上方岩层失去支撑,发生垮落形成冒落带;同时,由于应力重新分布,岩层中产生了一系列导水裂隙带,这些裂隙如同网络般错综复杂,极大地增强了岩层的渗透性｡导水裂隙带的形成不仅限于煤层直接顶板的范围,其影响范围可能向上延伸,直接触及并沟通上覆的采空区,甚至穿透至更为广泛的第四系松散沙层含水层或直抵地表｡这种穿透性极强的结构一旦形成,成为了地表水､大气降水及地下水涌入井下的主要通道｡在多雨季节或地下水位上升时,这种渗透作用尤为显著,大量水体在重力作用下迅速涌入矿井,给工作面带来了前所未有的充水压力｡因此在煤矿开采前进行煤矿地质探放水｡

(2)探放水效果检验

根据该煤矿地质实际情况,布设了15个钻孔,准备了1台全自动钻机和1台泥浆泵,在现场将全自动钻机和泥浆泵安装,按照以上流程开展煤矿地质探放水,探放水钻孔累计进尺251m,工作面安全回采的老空水量基本疏放完毕,累计放水量65263.25m3｡

为了检验煤矿地质探放水效果,对煤矿地质水压进行检测,随机选取8个钻孔,使用JKHFA-A5F85测量仪测量工作面顶板水压,检验其是否在安全水压范围内,测量结果如表2所示｡

表2煤矿地质水压(MPa)

由表2可知,该煤矿使用全自动钻机进行地质探放水后水压明显降低,并且均在安全水压范围内,不会对工作面煤矿开采作业造成危胁,地质探放水效果良好｡

5、结语

结合相关文献资料,对全自动钻机在煤矿地质探放水中的应用进行了研究｡全自动钻机的引入,不仅极大地提高了探放水作业的效率,还显著降低了工人的劳动强度,提升了作业安全性｡通过一键全自动钻进施工､关键钻进参数的实时监测及故障自诊断等功能,全自动钻机实现了对复杂水文地质条件的精准应对,为煤矿的安全生产提供了有力保障｡未来随着科技的持续进步和煤矿开采需求的不断增长,全自动钻机在煤矿地质探放水中的应用前景将更加广阔｡更多创新技术的应用和融合将推动全自动钻机在性能､智能化水平及环保性等方面实现新的突破｡

参考文献:

[1]范强.自动钻机在石圪台煤矿探放水钻孔中的应用[J].煤矿机械,2024,45(9):129-131.

[2]熊晓勃,李明华,王维,等.中等复杂条件下露天采坑探放水技术研究与实践[J].中国水运(下半月),2024,24(6):144-146.

[3]孙长斌,王赫乾,李坤.全自动钻机在煤矿地质探放水中的应用[J].煤矿机械,2024,45(8):152-154.

[4]李飞龙,叶军委,连志伟,等.整合矿井老空水防治及探放水防卡钻技术研究[J].能源与环保,2024,46(8):78-85.

[5]赵辉.定向钻机在远距离地质构造精准探测及探放水中的应用[J].能源与节能,2023(10):189-191.

[6]张博成,孙常民.水文地质极复杂矿井探放水成套技术研究与应用[J].中国煤炭,2023,49(S2):95-100.

[7]黄浩.顶板探放水工作在工作面水文地质条件分析中的应用[J].煤炭技术,2022,41(11):133-137.

[8]刘振,庆先斌,赵成洲,等.复杂地质条件下定向长钻孔远距离精准探放老空水技术及应用[J].科技创新与应用,2022,12(19):150-153+157.

基金资助:华电煤业集团有限公司科技项目(CHDKJ20-02-99);

文章来源:丁磊,刘满昊,唐龙飞,等.煤矿地质勘查中全自动钻机的探放水应用[J].煤矿机械,2025,46(04):166-168.