順層鉆孔打鉆偏斜規(guī)律研究及防范措施

白彥龍，葛 林

(河南能源化工集團(tuán) 永煤公司城郊煤礦，河南 永城 476600)

受有效抽采半徑影響，本煤層抽采鉆孔應(yīng)均勻布置在煤層中(開孔間距、終孔間距)，以防止出現(xiàn)瓦斯抽采空白帶。而施工順層鉆孔期間，受人、機(jī)械設(shè)備、地質(zhì)條件等因素影響，施工鉆孔往往出現(xiàn)偏斜，導(dǎo)致鉆孔未能按照預(yù)定軌跡施工到位，浪費(fèi)工程量，甚至造成瓦斯抽采空白帶，成為影響煤礦安全生產(chǎn)的重大隱患。學(xué)者針對鉆孔偏斜規(guī)律與預(yù)防措施進(jìn)行了研究，吳萬榮等[1]通過對鉆孔偏斜的影響因素及力學(xué)特征進(jìn)行分析，建立了鉆頭偏載的力學(xué)模型，并提出了控制鉆孔偏斜的推進(jìn)力控制方案；趙國法等[2]根據(jù)開化黃山礦區(qū)螢石礦勘查鉆孔偏斜數(shù)據(jù)，從地質(zhì)條件和施工工藝等方面對鉆孔偏斜的原因進(jìn)行了分析；付帥等[3]研究了高位鉆孔偏斜對抽采效果的影響；李旭東等[4-9]對鉆孔偏斜規(guī)律進(jìn)行研究分析，給出了影響鉆孔偏斜因素及預(yù)防措施；李運(yùn)剛[10]分析了鉆孔施工中產(chǎn)生偏斜的原因及危害，提出了正確的安裝施工設(shè)備方法，采用合理的鉆具結(jié)構(gòu)組合的預(yù)防措施；王毅等[11-14]分析了導(dǎo)致偏斜的各種因素，提出了控制鉆孔偏斜的措施；彭橋梁等[15]對造成鉆孔偏斜原因及規(guī)律進(jìn)行分析，提出采用移動孔位法、改變傾角法等預(yù)防措施，減少了鉆孔偏斜強(qiáng)度；王智育等[16]對鉆孔保直鉆進(jìn)進(jìn)行了研究；王紅勝等[17]基于設(shè)計(jì)鉆孔測斜結(jié)果提出了角度補(bǔ)償糾偏方法；張文輝等[18-19]研究了鉆孔偏斜控制技術(shù)；安秀娟[20]闡述了如何確保定向鉆孔透孔精度，并給出了施工過程中應(yīng)采取的措施。為得到城郊煤礦鉆孔偏斜規(guī)律，通過測斜方法對鉆孔軌跡進(jìn)行測定并分析，制定防范措施，以降低工程量浪費(fèi)，并提高鉆孔質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化。

1 鉆孔施工角度對偏斜影響

煤層賦存情況以及單元內(nèi)選擇鉆孔布置類型(平行鉆孔、平行斜鉆孔、扇形鉆孔)影響井下順層鉆孔施工角度，通過研究施工傾角、夾角對偏斜的影響，找到偏斜拐點(diǎn)、偏斜程度隨施工角度變化的一般規(guī)律，并根據(jù)偏斜規(guī)律提出處理措施。

1.1 施工傾角對鉆孔偏斜影響

將井下測斜數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并繪制圖形，偏斜隨施工傾角變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 偏斜隨施工傾角變化規(guī)律Fig.1 Variation law of deflection with construction inclination

由圖1可知，鉆孔的偏斜拐點(diǎn)、偏斜度與鉆孔傾角之間并無一般規(guī)律。但整體來看，受煤層賦存、煤巖性質(zhì)及打鉆期間鉆頭受力不均勻影響，鉆孔一般向上偏斜。統(tǒng)計(jì)的30個鉆孔軌跡數(shù)據(jù)中，19個鉆孔向上偏斜，占63.3%。

通過觀測圖1中局部偏斜點(diǎn)數(shù)據(jù)可以看出，由于穩(wěn)鉆傾角誤差、鉆機(jī)固定位置距幫部較遠(yuǎn)及卡瓦松弛不能緊固鉆桿，開孔時銜接鉆桿較長使開孔鉆進(jìn)過程中鉆桿上下擺動，鉆頭旋轉(zhuǎn)過程中受力不均勻、鉆機(jī)上支撐立柱與下支撐腿未扎實(shí)扎牢，導(dǎo)致初始偏斜位置基本上處于開孔位置。根據(jù)以上分析，穩(wěn)鉆時應(yīng)先檢查鉆機(jī)各個部件是否完好，異常部件應(yīng)及時更換，鉆機(jī)盡量靠近幫部，并將鉆機(jī)扎實(shí)扎牢。

1.2 施工夾角對鉆孔偏斜影響

由于測斜鉆孔施工地點(diǎn)不同，為方便分析施工夾角對鉆孔偏斜影響，需要將鉆孔夾角統(tǒng)一?，F(xiàn)制定如下規(guī)則重新定性鉆孔施工夾角：鉆孔夾角以面向煤壁，左偏為正、右偏為負(fù)。通過對測斜數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到鉆孔偏斜隨夾角變化規(guī)律(圖2)。

圖2 偏斜隨施工夾角變化規(guī)律Fig.2 Variation law of deflection with construction angle

由圖2可知，偏斜點(diǎn)、偏斜度隨鉆孔夾角并無一般變化規(guī)律。但整體來看，由于車輪效應(yīng)導(dǎo)致鉆孔一般向鉆頭旋轉(zhuǎn)方向偏斜，在統(tǒng)計(jì)的30組數(shù)據(jù)中，22組鉆孔軌跡數(shù)據(jù)顯示鉆孔左右偏斜以右偏為主，占73.3%。

分析圖2偏斜點(diǎn)數(shù)據(jù)可知，開孔位置產(chǎn)生偏斜的占33.3%，這是由于開孔位置穩(wěn)鉆誤差及開孔時鉆機(jī)受到反向作用力產(chǎn)生跑偏，導(dǎo)致鉆孔在開孔位置產(chǎn)生偏斜。為防止鉆孔在開孔位置產(chǎn)生偏斜，在以后施工過程中，嚴(yán)格按照要求拉巷道中線，做到穩(wěn)鉆零誤差；使用后支撐油缸以及將鉆機(jī)上支撐立柱及下支撐腿扎實(shí)扎牢，防止鉆機(jī)跑偏。

2 孔徑對鉆孔偏斜影響

當(dāng)鉆頭直徑無限小時，由于煤體各向異性，鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生較大的偏斜度；當(dāng)鉆頭直徑無限大時，由于操作人員能夠時刻觀察到施工情況。因此，鉆頭軌跡具有可控性，此時偏斜度最小。由于條件限制，無限大與無限小鉆頭無法實(shí)現(xiàn)。在常規(guī)采用的鉆頭中，鉆孔偏斜主導(dǎo)影響因素由煤體各向異性逐漸變換為鉆頭擺動影響，呈現(xiàn)二次多項(xiàng)式規(guī)律。

2.1 孔徑對鉆孔上下偏斜影響

由于加權(quán)平均方法計(jì)算孔徑對鉆孔上下偏斜影響能夠考慮孔深因素，此次研究利用加權(quán)平均進(jìn)行計(jì)算。另同一孔徑各個鉆孔測深不同與不同鉆孔孔徑鉆孔施工總進(jìn)尺不同，則利用加權(quán)平均方法計(jì)算時以各個鉆孔測深為權(quán)重。計(jì)算見式(1)：

(1)

式中，δ為平均偏斜度；m為各個鉆孔孔深；ψ為各個鉆孔偏斜度。

利用式(1)分別計(jì)算孔徑為75 mm與92 mm平均上下偏斜度，經(jīng)計(jì)算，平均偏斜度分別為2.176 m與3.483 m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，利用φ92 mm鉆頭鉆孔平均偏斜度要比利用φ75 mm鉆頭大。這是由于鉆頭直徑大，開孔孔徑大，導(dǎo)致開孔不均勻程度也隨之升高；另外，鉆頭直徑大，在鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)過程中上下浮動較大。

2.2 孔徑對鉆孔左右偏斜影響

利用式(1)分別計(jì)算采用φ75、φ92 mm鉆頭鉆進(jìn)時平均左右偏斜度，經(jīng)計(jì)算(數(shù)據(jù)見表1、表2)，平均左右偏斜度為4.144 m與5.081 m。

表2 孔徑92 mm鉆孔偏斜度與測深Tab.2 Deviation and sounding of 92 mm boreholes

表1 孔徑75 mm鉆孔偏斜度與測深Tab.1 Deviation and sounding of 75 mm boreholes

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，由于采用不同直徑鉆頭在同一回轉(zhuǎn)速度時，鉆頭周圍煤體卸壓范圍隨著鉆頭直徑增加而增加，鉆進(jìn)過程中鉆頭逐漸偏向卸壓范圍大的一方。因此，利用φ92 mm鉆頭鉆進(jìn)平均偏斜度要比利用φ75 mm鉆頭大。根據(jù)以上分析結(jié)果，為防止大的偏斜，在以后地質(zhì)超前探鉆孔施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格使用φ75 mm鉆頭，防止因鉆孔偏斜太大而造成探測失準(zhǔn)和工程量浪費(fèi)。

3 防范措施

根據(jù)以上研究，提出如下措施用以防止鉆孔偏斜。

(1)鉆進(jìn)過程裝鉆桿時，一次性不得裝超過1根鉆桿，防止外露鉆桿過長，開孔、鉆進(jìn)過程中上下大幅度擺動導(dǎo)致偏斜。

(2)鉆機(jī)跑道支撐(斜支撐、立柱支撐)螺栓必須緊固，防止施工過程中由于鉆機(jī)受反向作用力而出現(xiàn)跑道擺動，影響鉆機(jī)跑道角度。

(3)利用后支撐油缸，防止鉆進(jìn)過程中由于反向作用力導(dǎo)致鉆機(jī)出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。

(4)打鉆過程中，必須保證輕壓慢進(jìn)，壓力升高時，應(yīng)降低鉆進(jìn)速度。

(5)地質(zhì)超前探鉆孔使用φ75 mm鉆頭鉆進(jìn)。

(6)開孔鉆進(jìn)過程中，必須保證穩(wěn)、慢，以確保開孔精度。

4 結(jié)論

通過研究鉆孔角度與鉆頭直徑對偏斜度影響可以發(fā)現(xiàn)：

(1)偏斜與鉆孔傾角之間并無一般變化規(guī)律，但是整體來看，鉆孔一般向上偏斜，一些鉆孔產(chǎn)生上下偏斜基本處于開孔位置。

(2)偏斜與鉆孔夾角之間無一般變化規(guī)律，但由于車輪效應(yīng)鉆孔一般向鉆頭旋轉(zhuǎn)方向偏斜，因穩(wěn)鉆誤差、開孔反向作用力影響在開孔位置產(chǎn)生偏斜。

(3)利用加權(quán)平均計(jì)算方法得到鉆頭直徑為75 mm與92 mm，上下偏斜度分別為2.176 m與3.483 m，左右偏斜度分別為4.144 m與5.081 m。鉆孔實(shí)際施工過程中，深度超過60 m鉆孔，設(shè)計(jì)鉆孔施工傾角時，在根據(jù)等高線計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上下調(diào)2°～3°。