煤礦井下定向鉆孔施工工藝及技術(shù)研究

【摘要】煤礦井下施工定向鉆孔相對于施工常規(guī)鉆孔在工藝方面更復雜，要求條件更為苛刻。為了在煤礦井下應用好定向鉆孔施工技術(shù)，提高瓦斯抽采能力和解決地質(zhì)問題，文中先簡要介紹了定向鉆孔施工工藝原理，然后以頂板瓦斯抽采鉆孔為例介紹了煤礦井下定向鉆孔的設計方法及施工工藝技術(shù)，并且提出了定向鉆孔推廣應用時應注意的一些事項，總結(jié)了當前限制煤礦井下限制定向鉆進技術(shù)推廣的主要因素，最后分析了煤礦定向鉆進工藝應著力改進的地方。

【關(guān)鍵詞】定向鉆進；鉆孔設計；施工工藝；限制因素；改進

1、定向鉆孔施工的工藝原理

煤礦井下定向鉆進是采用水力排渣、隨鉆測量的一種鉆孔施工工藝，是利用泥漿泵將靜壓水通過加壓后，通過鉆桿內(nèi)側(cè)供水通道送達孔底，驅(qū)動孔底螺桿馬達旋轉(zhuǎn)，為鉆頭旋轉(zhuǎn)切削煤巖提供動力，水沿著鉆桿與孔壁之間的間隙排除孔內(nèi)鉆屑。施工過程中通過隨鉆測量系統(tǒng)實時測出孔底鉆具空間姿態(tài)參數(shù)（傾角、方位角、工具面向角等），操作人員通過對比施工參數(shù)與設計參數(shù)，調(diào)整孔底鉆具工具面向角，進行下一次鉆進，依次按照此步驟施工直至實際鉆孔軌跡沿著設計軌跡鉆進至終孔。

2、定向鉆孔的設計

定向鉆孔施工前必須預先設計好鉆孔軌跡，定向鉆孔軌跡的設計應考慮到以下因素：鉆孔的類型，施工鉆孔的個數(shù)及預計孔深、鉆孔分支孔的數(shù)量、孔深及分支位置等，軌跡設計前，盡可能多的收集到能準確反映鉆孔布孔平面和空間區(qū)域的地質(zhì)測量資料（包括煤層頂?shù)装宓雀呔€圖、綜合柱狀圖，采掘工程平面cad圖、局部探眼或鉆孔柱狀圖等），分析布孔區(qū)域煤層瓦斯含量及壓力、煤層頂?shù)装鍘r性變化及煤厚變化情況。下面以頂板瓦斯抽放鉆孔設計為例說明如何進行定向鉆孔軌跡設計：

2.1鉆孔方位角設計。設計鉆孔方位角時，必須先明確工作面頂?shù)装宓雀呔€圖的真方位角a，然后再確定鉆孔施工的主方位角b，頂板瓦斯抽采鉆孔距離回風巷平距一般為10～30m，可以設計2～5個定向主孔，開孔間距控制在0.5～1m，再確定分支鉆孔的個數(shù)及開孔位置，分支鉆孔開孔位置均布置在工作面收作線以內(nèi)，這樣可減少無效孔段的施工，鉆孔設計孔深在300～600m為宜，主孔方位在進入收作線后保持平行軌道順槽延伸，主孔方位角確定后，再設計分支孔的方位，使鉆孔終孔在平面上等間距分布，平均間距5～7m。

2.2鉆孔傾角設計。傾角的設計應兼顧到兩個方面，一是高位鉆孔最佳抽采高度，二是巖性情況。鉆孔的終孔垂高應分布在煤層頂板裂隙帶內(nèi)，淮南礦區(qū)高位鉆孔最佳終孔高度一般控制在煤層頂板垂距15～25m范圍內(nèi)。在確定最佳垂高范圍后，在通過綜合柱狀圖和沿軌順方向軌順頂煤層頂?shù)装鍘r性柱狀圖確定終孔目標層位，鉆孔的剖面軌跡應本著盡量在穩(wěn)定巖層中鉆進原則。鉆孔的平面和剖面軌跡手動繪制在cad平剖面圖上后再確定每個孔不同孔深段的方位角及傾角具體參數(shù)，將參數(shù)輸入專門的定向鉆孔軌跡設計表格，一般先進行方位角數(shù)據(jù)調(diào)整，觀察設計表格中鉆孔左右偏差數(shù)據(jù)情況，不斷調(diào)整方位角數(shù)據(jù)，直至左右偏差數(shù)據(jù)符合要求，方位角參數(shù)確定好后，再調(diào)整傾角參數(shù)，注意鉆孔上下偏差數(shù)據(jù)，直至上下偏差數(shù)據(jù)符合要求，調(diào)整方位角和傾角時還要注意鉆孔的彎曲強度數(shù)據(jù)，一般盡量不要超過2°/6m，最后將鉆孔的平面和剖面繪圖數(shù)據(jù)導入cad成圖，對比手動繪制cad平剖面軌跡和繪圖數(shù)據(jù)生成的cad平剖面軌跡，不斷調(diào)整方位角傾角參數(shù)，直至兩個圖形基本擬合為止。

3、定向鉆孔施工準備及施工過程

3.1施工準備。為保證定向鉆孔施工能夠有序的進行，施工前主要要做以下準備：鉆場選擇及布置，鉆場的選擇是個很重要的環(huán)節(jié)，應根據(jù)施工鉆孔的類型及空間布置進行選擇，同時還應兼顧鉆場周邊頂?shù)装鍘r性，由于施工定向鉆孔排水量大且施工周期長，對孔壁的破壞較大，故鉆場應盡量選擇在巖性較好的地段。鉆場的規(guī)格應根據(jù)定向鉆機的型號合理開拓，以西安院ZDY6000LD（F）型定向鉆機為例，一般為長×寬×高：6m×5.5m×3m。鉆場內(nèi)應該進行掛網(wǎng)噴漿，底部澆筑砼，定向鉆孔施工對供排水都有要求，必須使用清水作為沖洗介質(zhì)，而且供水量要求Q≥13mm2/h，因此要有完善的供排水系統(tǒng)，要有專門的排水泵，建議現(xiàn)場挖設兩個長×寬×深：1.5m×1.5m×1.5m規(guī)格的水漾，一個用于沉淀鉆屑，一個用于排水。另外定向鉆孔施工過程中需要用的工具設備很多，而且價格昂貴，應采用專用工具箱放置，避免遺失。鉆孔施工前，鉆場內(nèi)還必須提前標注清楚鉆孔設計開孔方位角，以便施工人員移鉆機對孔。

3.2定向鉆孔施工過程

定向鉆孔施工前必須將鉆孔的設計參數(shù)導入井下電腦以指導定向鉆進，定向鉆進一般按以下程序進行。

（1）回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)進：采用回轉(zhuǎn)鉆進配扶正器保直鉆進施工20-30m（具體孔深一般以穿過軟巖層為準），然后采用進Φ189mm鉆頭擴孔至孔底。（2）下護孔管：孔口段下入Φ127mm護孔管，然后注漿加固護孔管，如果遇到有垮孔時，則需要向孔內(nèi)進行高壓注漿，使孔內(nèi)形成水泥柱。（3）透孔：待孔內(nèi)水泥充分凝固后，進行透孔至孔底。（4）定向鉆進：透孔后，便可以下入定向鉆具→校正孔口工具面初值→定向鉆進3m或者6m→測量一次當前鉆孔孔底參數(shù)→對比設計軌跡參數(shù)→調(diào)整孔底馬達工具面→下一次鉆進，每鉆進一次后再進行一次探管檢測，檢測鉆孔孔底當前傾角、方位角，然后調(diào)整孔底馬達工具面繼續(xù)鉆進，依次進行下去至終孔，（見流程圖1）。

定向鉆孔施工過程中有一些注意的事項，如果不注重這些細節(jié)，可能會對施工帶來不必要的麻煩，因此這里有必要強調(diào)一下，定向鉆孔每班施工結(jié)束時作業(yè)人員應有意識的在電腦上保存好當班施工的數(shù)據(jù)。每次調(diào)整定向鉆具工具面前，需要將孔底鉆具提離孔底200mm左右，避免折壞孔底馬達。在調(diào)整工具面時，除了開分支孔的情況除外，盡量避免工具面呈180°定向鉆孔施工人員應認真仔細的記錄每班施工情況主要包括施工過程中泥漿泵壓力、鉆機給進、起把壓力變化情況，巖性變化情況等，及時反饋給施工技術(shù)管理人員，技術(shù)人員根據(jù)巖性變化情況及時調(diào)整施工方案，如鉆孔軌跡路線上有斷層或者裂隙帶發(fā)育時，可以采用開分支繞開或者提前對斷層或裂隙進行注漿加固，保護定向鉆進施工的安全。

4、限制煤礦井下定向鉆孔施工技術(shù)推廣的因素

目前定向鉆進技術(shù)的試驗，不管是使用國內(nèi)鉆機還是國外鉆機，施工過程中由于種種原因，使得使用定向鉆進施工瓦斯抽采鉆孔目前并未在煤礦井下廣泛推廣應用，總結(jié)起來主要是因為受到以下方面的因素制約：

定向鉆進對于巖性條件要求苛刻，地層適應能力較差，定向鉆孔施工時在遇到水敏性巖層及軟巖層如炭質(zhì)泥巖及砂質(zhì)泥巖時極易出現(xiàn)垮孔，而在硬巖如細砂巖中鉆進時，進尺效率太低，即所謂：“軟的打不了，硬的打不動”。

定向鉆孔的施工對于操作人員的素質(zhì)及技術(shù)水平要求較高，而現(xiàn)在煤礦井下職工由于文化水平有限，要學習好并充分掌握定向鉆進技術(shù)需要長時間的培訓。

由于定向鉆孔施工對施工現(xiàn)場供水及排水能力要求較高，施工的每個鉆孔孔口段基本都要進行下套管注漿，有的遇到垮孔時，需要多次注漿，施工工藝相對常規(guī)鉆進較復雜，而且鉆孔施工周期一般比較長，這些對于井下鉆探施工單位來講，人力和物力成本投入太大。

5、定向鉆機施工過程中需要改進的地方

煤礦定向鉆進工藝目前在我國煤礦井下主要還處在試驗階段，根據(jù)西安煤科院6000LD（F）型定向鉆機在淮南張集煤礦井下的使用情況，作者總結(jié)了常出現(xiàn)的一些問題，認為定向鉆進應致力于在以下方面進一步改進。

（1）鉆機設置及結(jié)構(gòu)：分體式定向鉆機的泥漿泵、電機與鉆機操作臺分開設置，操作人員在操作時很容易造成不能方便的看到泥漿泵壓力變化情況，易造成孔內(nèi)遇到緊急情況時，處理不及時，另外鉆機占用的體積過大，鉆機挪移不方便。

（2）隨鉆測量系統(tǒng)，隨鉆測量系統(tǒng)是整個定向鉆進的核心部分，但通過使用西安煤科院的6000LD（F）的隨鉆測量系統(tǒng)，最容易出現(xiàn)的問題就是通訊失敗，而造成通訊失敗原因主要來著硬件方面，通常是鉆桿接頭松動，或者是孔底測量探管故障，遇到這些問題通常要起出孔內(nèi)所有鉆桿檢查，既費時又費力，所以建議應該增強隨鉆測量系統(tǒng)抗震性及穩(wěn)定性，盡量避免施工時出現(xiàn)通訊故障。

（2）孔底馬達，孔底馬達在定向鉆進過程中起著承上啟下的作用，也是孔內(nèi)的主要動力轉(zhuǎn)換裝置，在定向鉆進時，我們發(fā)現(xiàn)施工部分軟巖及中硬巖石時，施工進度較慢，當遇到較硬巖層如含砂量較高的砂巖時，進尺效率極低，每班進尺都在幾米左右，而且孔底馬達也容易出故障，所以定向鉆進要想推廣，孔底馬達的性能應該得到更加的增強，這也是刻不容緩的事情。

6、小結(jié)

我國煤礦井下定向鉆機技術(shù)近年來雖然在鉆進技術(shù)工藝和隨鉆測量系統(tǒng)方面取得了很大進步，但是整個定向鉆進的工藝流程及技術(shù)還處不斷摸索與總結(jié)階段，定向鉆進的很多施工經(jīng)驗需要技術(shù)管理人員不斷的總結(jié)，從鉆孔設計到施工過程再到瓦斯抽采，應將出現(xiàn)的每一個問題進行認真分析，如果是施工工藝方面的問題，及時調(diào)整設計、施工方案，提高施工效率，如果是硬件方面的問題，則應將出現(xiàn)的問題及時反饋給生產(chǎn)廠家，有利于及時改進和更換設備，總之隨著定向鉆進的不斷試驗，也會有越來越多的定向鉆機投入煤礦井下使用，定向鉆進技術(shù)也會更一步的得到提高。