定向鉆進技術(shù)在1930煤礦疏放水中的應(yīng)用

韓 磊，莫海濤，郝世俊

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077）

煤礦井下千米定向鉆機利用螺桿馬達作為孔底動力機具，依靠隨鉆測量系統(tǒng)，運用鉆孔軌跡設(shè)計與控制理論，實現(xiàn)井下近水平長鉆孔定向鉆進。配套裝備主要包括履帶式定向鉆機、螺桿鉆具以及隨鉆測量系統(tǒng)；已經(jīng)廣泛運用于煤礦井下瓦斯抽采、地質(zhì)探測、底板注漿加固、巷道防滅火、搶險堵水等領(lǐng)域，現(xiàn)使用煤礦井下定向鉆機進行工作面、巷道疏放水。

1 礦區(qū)概況

1930煤礦改擴建礦井井田地處新疆天山山脈，位于烏魯木齊市以南的艾維爾溝礦區(qū)的中東部，距烏魯木齊市130km。1930平硐設(shè)計生產(chǎn)能力為90×104t/a，采用平硐、單翼、暗斜井、集中運輸石門開拓方式，開采方式為單翼采區(qū)后退式綜合機械化開采采煤方法，掘進采用綜采、炮掘的開拓方式。主要開采煤層為4#、5#、6#、7#煤層?？刹善骄偤穸葹?6.91m，礦井煤層為單斜構(gòu)造，走向近東西，傾向南，傾角東緩西陡，煤層傾角17°～25°。

2014年8月15日，1930煤礦二采區(qū)因+1870m水平5#煤層自燃發(fā)火封閉，隨后二采區(qū)排水系統(tǒng)停止使用。2014年9月12日，二采區(qū)積水線上升至三采區(qū)6#主運輸大巷+1800m水平5-4#運輸石門位置，三采區(qū)臨時排水系統(tǒng)開始運轉(zhuǎn)。二采區(qū)封閉后近一年半，巷道積水水位上升至二、三采區(qū)+1811m水平，使得二采區(qū)+1811m水平以下工作面、巷道積水。礦方組織安排常規(guī)鉆孔施工，施工30個孔，歷時2個月未能鉆進至目標巷道。按照1930煤礦生產(chǎn)接續(xù)計劃，為確保二采區(qū)縮封工作順利實現(xiàn)，最大限度減小采區(qū)積水對縮封工作的影響，現(xiàn)計劃從改擴建+1710m運輸石門與+1690m消突巷交岔口處使用西安院研制的ZDY6000LD煤礦井下定向鉆機對二采區(qū)積水進行探查排放。

2 施工目的

通過在1930煤礦+1710m水平5#煤層底板施工定向疏放水鉆孔，使得二采區(qū)+1811m水平以下工作面、巷道積水順利排出，為后續(xù)煤礦生產(chǎn)接續(xù)提供保障。

3 定向鉆進定義與鉆進工藝

煤礦井下對定向鉆進技術(shù)的定義：是指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律或采用專用工具使近水平鉆孔軌跡按設(shè)計要求延伸鉆進至預(yù)定目標的一種鉆探方法，即有目的地將鉆孔軸線由彎變直或由直變彎[1-2]。

與常規(guī)鉆孔的區(qū)別：定向鉆孔設(shè)計有特殊的軌跡，鉆進中必須研究和利用地層自然彎曲規(guī)律、鉆孔控制理論或人工造斜工具控制鉆孔軌跡，最終鉆達預(yù)定目標要求。定向鉆進工藝流程如圖1所示。

4 疏放水定向鉆孔設(shè)計

疏放水鉆孔暫設(shè)計定向鉆孔3個，分別計孔號F1、F2、F3鉆孔總共工程量802m。鉆孔平面軌跡示意圖如圖2所示，鉆孔主要參數(shù)見表1。

5 設(shè)備機具

為保證現(xiàn)場試驗的順利進行，按照需要的鉆進工藝配套并使用了定向鉆進設(shè)備如圖3所示。

圖1 定向鉆進工藝流程

5.1 定向鉆機

圖2 疏放水鉆孔軌跡設(shè)計示意圖

為了滿足煤礦井下本煤層定向鉆孔及大直徑頂?shù)装宥ㄏ蜷L鉆孔施工需要，西安研究院研制了ZDY6000LD型大功率定向鉆機以及配套機具，施工用ZDY6000LD型鉆機鉆孔傾角調(diào)整范圍-10°～20°，最大回轉(zhuǎn)扭矩6000～1600N·m。具有搬遷方便、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍寬、結(jié)構(gòu)合理、技術(shù)性能先進、工藝適應(yīng)性強、操作省力、安全可靠等優(yōu)點，主要用于煤礦井下地質(zhì)勘探孔、抽放瓦斯孔、探放水孔、注水孔等。

5.2 隨鉆測量系統(tǒng)

YHD2-1000（A）型隨鉆測量系統(tǒng)可實時監(jiān)測定向鉆孔軌跡主要參數(shù)，并能動態(tài)輸出鉆孔參數(shù)、軌跡。系統(tǒng)的連接示意圖如圖4所示[3-4]。

表1 疏放水鉆孔主要參數(shù)表

6 施工用鉆具組合

6.1 主孔施工用鉆具組合

主孔為兩級孔身結(jié)構(gòu)，一級孔身結(jié)構(gòu)主要目的為下入套管；二級孔身結(jié)構(gòu)主要是沿著目標巷道靶點定向鉆進。

一級孔身結(jié)構(gòu)施工用鉆具組合依次為：

開孔：?98mmPDC鉆頭+?73mm普通鉆桿串，鉆進至孔深20m；

一級擴孔：?98mm/?153mmPDC鉆頭+?73mm普通鉆桿串；

孔口管下深，?127mm套管×8mm，下深12m，固孔水泥返漿至孔口。

二級孔身結(jié)構(gòu)施工用鉆具組合為：

圖3 定向鉆進設(shè)備

圖4 YHD1-1000（A）隨鉆測量系統(tǒng)連接示意圖

定向鉆進：?98mmPDC鉆頭+?73mm孔底馬達+隨鉆測量儀器+?73mm上無磁鉆桿+?73mm通纜鉆桿串。

6.2 分支孔施工用鉆具組合

分支孔采用懸空側(cè)鉆的方法，以前進式或后退式2種工藝成孔，其鉆頭外徑與主孔二級孔徑一致，所用鉆具組合為：

開分支/定向鉆進：?98mmPDC鉆頭+?73mm孔底馬達+隨鉆測量儀器+?73mm上無磁鉆桿+?73mm通纜鉆桿串。

開分支亦采用定向鉆進的工藝方法，在實鉆過程中，由于設(shè)計變更、地質(zhì)資料不準確及地層坍塌等原因，需要進行開分支鉆進，本次放水孔如若透巷不成功也要進行相應(yīng)的開分支孔鉆進。在礦山井下定向鉆眾多開分支工藝上，目前采用懸空側(cè)鉆開分支的方法是使用最多的一種工藝方法，該方法通過調(diào)整孔底馬達彎頭朝向，通過控制鉆壓、排量等工藝參數(shù)，根據(jù)鉆頭處鉆壓情況、孔口返渣及實鉆參數(shù)測定來確定分支是否成功開出。

7 鉆孔施工

截至目前，本項目共施工3個定向鉆孔。F1孔、F2孔、F3孔2016年11月7日開鉆，2016年11月21日終孔；施工周期15d。施工地點位于+1710m水平運輸石門與1690水平消突巷岔口處。F1孔累計鉆孔工程量為252m；F2孔累計鉆孔工程量330m；F3孔累計鉆孔工程量為255m；總工程量837m。鉆孔參數(shù)詳見表2，鉆孔平面軌跡示意圖見圖5。

表2 定向鉆孔基本情況一覽表

圖5 定向鉆孔實鉆軌跡示意圖

8 結(jié)論

（1）本次鉆探工程施工過程中，F(xiàn)2-1孔由于靶點較小，鉆探垂高達到設(shè)計要求，但是因為方位誤差沒有在巷幫透巷，退鉆開分支，繼續(xù)沿著與鉆探方向垂直巷道方向定向鉆進，精準透巷，因此疏放水鉆孔垂直巷道透巷比平行巷道透巷難度相對較低，透巷精確度較高。

（2）1710水平3個定向鉆孔經(jīng)過半年疏排水，使得二采區(qū)+1811m水平以下工作面、巷道積水得到緩解。F1號孔最大出水量在70m3/h左右，F(xiàn)2號孔最大出水量在156m3/h左右，F(xiàn)3鉆孔最大出水量100m3/h，出水量穩(wěn)定，日疏放水量在7000m3左右，滿足礦方的要求；同時本次施工工期短、效率高，為1930煤礦生產(chǎn)得到接續(xù)，確保了二采區(qū)縮封工作順利實現(xiàn)，最大限度減小采區(qū)積水對縮封工作的影響；截至2018年2月初，3個定向疏放水鉆孔仍在高效使用。

參考文獻：

[1] 趙永哲.煤礦井下近水平定向孔螺桿鉆具鉆進受控機理研究[D].煤炭科學(xué)研究總院西安研究院，2008.

[2] 孫榮軍.煤礦井下隨鉆測量技術(shù)及鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理方法研究[D].煤炭科學(xué)研究總院西安研究院，2009.

[3] 石智軍，溫榕，方俊，等.煤層井下定向鉆進用隨鉆測量系統(tǒng)的研制［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(3)：16-20，69.

[4] 陸軍，熊克劍.近水平千米定向鉆機在礦井瓦斯抽采中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011(12)：92-95.