復(fù)雜地質(zhì)條件礦井水平定向鉆進施工技術(shù)分析

王躍東

（大同煤礦集團地質(zhì)勘測處，山西大同 037003）

復(fù)雜地質(zhì)條件礦井水平定向鉆進施工技術(shù)分析

王躍東

（大同煤礦集團地質(zhì)勘測處，山西大同 037003）

我國引進的煤層水平定向鉆進技術(shù)，應(yīng)用于煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造探測和高瓦斯礦井抽采瓦斯收到了良好的效果，但在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的礦井，水平深孔鉆進受到諸多因素的制約。文章結(jié)合焦家寨煤礦工程實際，分析探討鉆進施工技術(shù)，對地質(zhì)條件相似的煤礦進行水平定向鉆進具有借鑒作用。

煤礦地質(zhì)；復(fù)雜條件；水平鉆進；瓦斯抽放

1 煤礦井下水平定向鉆進技術(shù)概述

1.1 國外技術(shù)發(fā)展

20世紀80年代初，英國研制出采樣孔底馬達定向鉆進技術(shù)的煤礦井下水平定向鉆機，水平鉆孔最大深度當時只達635m。80年代中期該技術(shù)成為澳大利亞煤礦抽放瓦斯和地質(zhì)勘探的主要手段，孔深達700m左右。隨著設(shè)備和施工技術(shù)的改進，最大孔深紀錄不斷被刷新，2002年達到1 761m［1］。

1.2 國內(nèi)應(yīng)用情況

上世紀90年代中期，我國部分煤礦企業(yè)相繼從美國、澳大利亞進口9套km水平定向鉆機，如美國制造的LHD-15型鉆機、澳大利亞制造的LMC-75型和UDR系列水平定向鉆機，分別在松藻、鐵頭、淮南、撫順、平頂山等礦務(wù)局試用。由于各地礦井地質(zhì)條件復(fù)雜程度不盡相同，配套的鉆桿壁較薄，強度有限，進口鉆機使用過程中時有鉆桿折斷、螺桿鉆具脫落等孔內(nèi)事故發(fā)生，最深鉆孔也不足鉆機標定能力的1/2，成孔率很低。2003年，山西亞美大寧能源有限公司引進澳大利亞VLD深孔定向鉆機，進行地面煤礦瓦斯抽采和探測地質(zhì)構(gòu)造，主孔深度鉆達1 002m，終孔直徑94mm［2］。晉城寺河煤礦自2005年前后引進澳大利亞VLD-1000型水平定向鉆機6套，于2006年完成主孔深200～500m的沿煤層定向瓦斯抽采鉆孔。中煤柳林沙曲煤礦配備2臺澳大利亞1 000m水平定向鉆機、4臺德國抽采鉆機，專門用于井下煤層水平鉆進抽采瓦斯，水平鉆深達600多m。寧夏煤業(yè)集團白箕溝礦2007年引進澳大利亞的鉆機，在半煤半巖地層鉆進，孔深1 023m，終孔直徑94mm的水平鉆孔。2009年大同煤礦集團配備澳大利亞VLD-1000型水平定向鉆機，在軒崗煤電公司焦家寨煤礦井下鉆進，進行瓦斯抽放孔施工，效果良好。

2 水平定向鉆進技術(shù)原理與鉆進工藝

澳大利亞鉆機上配備的DDM-MECCA隨鉆測量系統(tǒng)在軒崗焦家寨煤礦使用，施工鉆孔直徑在89-96mm之間，鉆孔定向方位或傾斜角偏差可控制精度在0.5°/100m以內(nèi)。該技術(shù)的關(guān)鍵是孔底馬達與隨鉆測斜技術(shù)的結(jié)合，控制鉆孔鉆進方向。水平定向鉆機采用螺桿鉆具（又稱螺桿馬達）。鉆頭驅(qū)動是以高壓沖洗液為傳遞動力介質(zhì)的一種孔底動力鉆具，附帶有不同形式的造斜部件（彎外管或彎接頭），并配備隨鉆測斜儀器，可較靈活地調(diào)控鉆進方向。與傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)鉆具不同之處是螺桿馬達驅(qū)動鉆頭旋轉(zhuǎn)，鉆進時鉆桿柱和螺桿鉆具的外殼（包括選斜件）是不旋轉(zhuǎn)的，造斜件彎曲的方向即是鉆孔將要鉆進的方向［3］，鉆具結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 孔內(nèi)馬達驅(qū)動裝置示意圖

鉆孔過程中通過鉆桿柱（正轉(zhuǎn)孔口鉆具）調(diào)整螺桿鉆具上造斜件的工具面向角，控制鉆進的方位和傾角，使其朝向預(yù)定方向鉆進而達到定向的目的。鉆頭旋轉(zhuǎn)的基本原理是高壓水（水壓350 psi～900 psi）通過鉆桿輸送至孔內(nèi)馬達，馬達內(nèi)部的轉(zhuǎn)子在高壓水的沖擊作用下轉(zhuǎn)動，通過前端軸承帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)。鉆孔時鉆桿本身主要是起推進作用而不旋轉(zhuǎn)，由孔底馬達驅(qū)動鉆頭作旋轉(zhuǎn)運動，達到破碎煤巖的目的，并有效地降低了鉆機的負載。孔內(nèi)定向馬達的關(guān)鍵部件是彎接頭，它和鉆桿之間形成一定的夾角，鉆孔的軌跡不是傳統(tǒng)鉆機打直線，而是偏向彎接頭方向的空間曲線。通過選擇不同規(guī)格（0.75°，1°，1.25°，1.5°，2°，指每鉆進6m所能偏向的最小值）的彎接頭調(diào)控鉆孔曲率半徑，并在孔內(nèi)預(yù)定的位置可再作分支孔鉆進［4］。鉆機配套的遠程通訊測量系統(tǒng)實時顯示鉆孔內(nèi)前端方位角、傾角和彎接頭方向等測量參數(shù)和鉆孔軌跡曲線，保證深孔定向按照預(yù)定的軌跡進行鉆進。根據(jù)孔內(nèi)測量參數(shù)可計算出每處測點的坐標值，自動描繪出鉆孔軌跡空間曲線在水平和垂直平面上的投影軌跡圖。隨鉆進實時進行軌跡線比對，及時調(diào)整彎接頭方向，使鉆進軌跡與設(shè)計預(yù)期軌跡達到最大限度吻合。

3 水平定向鉆進的工程問題與技術(shù)措施

3.1 鉆場地質(zhì)基本概況

同煤集團軒崗煤電公司焦家寨礦位于寧武煤田，主要開采石炭系太原組5#煤層，煤層厚度約為11.0～13.9m，平均12.3m。井田內(nèi)斷裂地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育多為階梯狀正斷層，煤體被地質(zhì)構(gòu)造切割擠壓的破碎、松軟。礦井瓦斯含量較高，屬于高瓦斯礦井。為了排除焦家寨煤礦高瓦斯這一煤礦生產(chǎn)安全隱患，相繼在09#工作面和05#工作面4#，5#煤層和之上的頂板中施工了5個水平鉆孔，進行煤礦井下瓦斯預(yù)抽采和地質(zhì)構(gòu)造探測，水平定向鉆孔施工數(shù)據(jù)見表1。鉆孔軌跡見圖2，3。

表1 軒崗焦家寨礦水平定向鉆孔施工數(shù)據(jù)表

3.2 水平鉆進施工問題

由于焦家寨井田斷裂構(gòu)造發(fā)育，井下地質(zhì)條件復(fù)雜，按原設(shè)計開孔鉆進抽放瓦斯，鉆孔必然要穿過斷層破碎帶、薄煤層等松散、軟弱煤巖地層后才能到達目的層。鉆進中雖然對鉆具、鉆速、泵量及鉆進方式等技術(shù)工藝進行反復(fù)調(diào)試，鉆進效果仍不理想，施工難度很大。由于鉆孔有一定的仰角，當鉆具起出孔口時，孔內(nèi)循環(huán)液隨即順孔壁全部流出孔口，導(dǎo)致孔中壓力急速降低，松散、軟弱層段垮落，當再次鉆入時就不能達到原孔深，必須重新鉆進，鉆進效率極低且易卡鉆。如09#工作面水平鉆進的前期施工中，孔內(nèi)煤巖層垮落極為嚴重，雖然采取了多種技術(shù)措施，如注馬立休、馬立散、美多寶等多種化學鉆井漿體護孔，但效果不明顯，嚴重時定位測量系統(tǒng)被卡失靈。

圖2 05#工作面2#鉆場4#孔垂直剖面軌跡圖

圖3 05#工作面2#鉆場4#孔水平面軌跡圖

3.3 技術(shù)改進措施

綜合分析施工不利因素后，調(diào)整原設(shè)計方案，鉆進的層段選在5#煤層上部較穩(wěn)定的砂巖及砂質(zhì)泥巖中。鉆進過程中也遇到過巖層破碎、垮塌、斷層阻隔、巖石硬度增大、材料消耗增加等技術(shù)難題，但利用鉆機本身的造斜定向功能，根據(jù)地層巖性變化，結(jié)合分析以往的鉆進經(jīng)驗，及時調(diào)整鉆進的傾角和方位，以及多次進行分支鉆進，完成了5個鉆孔的施工，達到了設(shè)計的基本要求和施工目的，抽放瓦斯其效果良好。

4 結(jié)論和建議

在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜煤礦區(qū)鉆進松散、軟弱煤巖層段，特別是鉆遇斷層破碎帶、陷落柱等破碎松軟巖層時，極易出現(xiàn)孔內(nèi)垮塌、卡鉆、埋鉆等事故，嚴重影響鉆進效率，建議采取以下措施：

1）在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的礦區(qū)，應(yīng)選擇煤層上部較為穩(wěn)定的煤巖層段內(nèi)鉆進，實現(xiàn)水平深孔以及多分支鉆進，利于抽放瓦斯；

2）螺桿馬達對沖洗液的凈化技術(shù)要求高，同時也受配套鉆具結(jié)構(gòu)的制約，需研制適合國內(nèi)礦井地質(zhì)條件的國產(chǎn)鉆液，降低鉆進成本；

3）巖石硬度過大的井田區(qū)域鉆具耗損嚴重，不適宜用此鉆機施工；

4）鉆具導(dǎo)向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜價格昂貴，對操作人員的計算機應(yīng)用能力和地質(zhì)因素的判別水平要求較高，應(yīng)培養(yǎng)具有良好敬業(yè)精神的技術(shù)骨干，保證鉆進質(zhì)量和效率。

［1］姚寧平.我國煤礦井下近水平定向鉆進技術(shù)的發(fā)展［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2008（4）：81-83.

［2］石智軍，胡少韻，姚寧平.煤礦井下瓦斯抽采（放）鉆孔施工新技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.

［3］韓廣德.中國煤巖工業(yè)鉆探工程學［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

［4］汪敏華.澳大利亞長孔水平鉆機在淮南煤礦井下的應(yīng)用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2000（01）：29-30.

〔編輯 石白云〕

An Analysis of the Horizontal Drilling Technology in Coal Shafts with Complicated Geological Conditions

WANG Yue-dong
（Division of Geological Survey，Datong Coalmines Group，Datong Shanxi，037003）

The introduced horizontal drilling technology may well apply to geological structure detection，and for gas discharge.However，in shafts where the geological condition is complicated，this technology is restricted by many factors.This article，by taking the example of Jiajiazhai Coalmine，tires to analyze the drilling technology，which provides a good reference for coalmines with similar geological conditions.

coalmine geology；complicated conditions；horizontal drilling；gas discharge

TD219

A

1674-0874（2011）03-0069-03

2011-03-20

王躍東（1960-），男，山西大同人，工程師，研究方向：煤礦地質(zhì)及管理。