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(fù)雜，要求條件更為苛刻。為了在煤礦井下應(yīng)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(shè)計(jì)方法及施工工藝技術(shù)，并且提出了定向鉆孔推廣應(yīng)用時應(yīng)注意的一些事項(xiàng)，總結(jié)了當(dāng)前煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)推廣的主要因素，最后分析了煤礦定向鉆進(jìn)工藝應(yīng)著力改進(jìn)的地方。

【關(guān)鍵詞】定向鉆進(jìn)；鉆孔設(shè)計(jì)；施工工藝；因素；改進(jìn)

1、定向鉆孔施工的工藝原理

煤礦井下定向鉆進(jìn)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(dá)孔底，驅(qū)動孔底螺桿馬達(dá)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(shí)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(shè)計(jì)參數(shù)，調(diào)整孔底鉆具工具面向角，進(jìn)行下一次鉆進(jìn)，依次按照此步驟施工直至實(shí)際鉆孔軌跡沿著設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)至終孔。

2、定向鉆孔的設(shè)計(jì)

定向鉆孔施工前必須預(yù)先設(shè)計(jì)好鉆孔軌跡，定向鉆孔軌跡的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到以下因素：鉆孔的類型，施工鉆孔的個數(shù)及預(yù)計(jì)孔深、鉆孔分支孔的數(shù)量、孔深及分支位置等，軌跡設(shè)計(jì)前，盡可能多的收集到能準(zhǔn)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(shè)計(jì)為例說明如何進(jìn)行定向鉆孔軌跡設(shè)計(jì)：

2.1鉆孔方位角設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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(fēng)巷平距一般為10～30m，可以設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)孔深在300～600m為宜，主孔方位在進(jìn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。傾角的設(shè)計(jì)應(yīng)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(yīng)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(biāo)層位，鉆孔的剖面軌跡應(yīng)本著盡量在穩(wěn)定巖層中鉆進(jìn)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(shè)計(jì)表格，一般先進(jìn)行方位角數(shù)據(jù)調(diào)整，觀察設(shè)計(jì)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(qiáng)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(dǎo)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(zhǔn)備及施工過程

3.1施工準(zhǔn)備。為保證定向鉆孔施工能夠有序的進(jìn)行，施工前主要要做以下準(zhǔn)備：鉆場選擇及布置，鉆場的選擇是個很重要的環(huán)節(jié)，應(yīng)根據(jù)施工鉆孔的類型及空間布置進(jìn)行選擇，同時還應(yīng)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(yīng)盡量選擇在巖性較好的地段。鉆場的規(guī)格應(yīng)根據(jù)定向鉆機(jī)的型號合理開拓，以西安院ZDY6000LD（F）型定向鉆機(jī)為例，一般為長×寬×高：6m×5.5m×3m。鉆場內(nèi)應(yīng)該進(jìn)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(shè)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(shè)備很多，而且價格昂貴，應(yīng)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(biāo)注清楚鉆孔設(shè)計(jì)開孔方位角，以便施工人員移鉆機(jī)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(shè)計(jì)參數(shù)導(dǎo)入井下電腦以指導(dǎo)定向鉆進(jìn)，定向鉆進(jìn)一般按以下程序進(jìn)行。

（1）回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)進(jìn)：采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)配扶正器保直鉆進(jìn)施工20-30m（具體孔深一般以穿過軟巖層為準(zhǔn)），然后采用進(jìn)Φ1mm鉆頭擴(kuò)孔至孔底。（2）下護(hù)孔管：孔口段下入Φ127mm護(hù)孔管，然后注漿加固護(hù)孔管，如果遇到有垮孔時，則需要向孔內(nèi)進(jìn)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(jìn)行透孔至孔底。（4）定向鉆進(jìn)：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(jìn)3m或者6m→測量一次當(dāng)前鉆孔孔底參數(shù)→對比設(shè)計(jì)軌跡參數(shù)→調(diào)整孔底馬達(dá)工具面→下一次鉆進(jìn)，每鉆進(jìn)一次后再

進(jìn)行一次探管檢測，檢測鉆孔孔底當(dāng)前傾角、方位角，然后調(diào)整孔底馬達(dá)工具面繼續(xù)鉆進(jìn)，依次進(jìn)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(xiàng)，如果不注重這些細(xì)節(jié)，可能會對施工帶來不必要的麻煩，因此這里有必要強(qiáng)調(diào)一下，定向鉆孔每班施工結(jié)束時作業(yè)人員應(yīng)有意識的在電腦上保存好當(dāng)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(dá)。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(yīng)認(rèn)真仔細(xì)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(jī)給進(jìn)、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(jìn)行注漿加固，保護(hù)定向鉆進(jìn)施工的安全。4、煤礦井下定向鉆孔施工技術(shù)推廣的因素

目前定向鉆進(jìn)技術(shù)的試驗(yàn)，不管是使用國內(nèi)鉆機(jī)還是國外鉆機(jī)，施工過程中由于種種原因，使得使用定向鉆進(jìn)施工瓦斯抽采鉆孔目前并未在煤礦井下廣泛推廣應(yīng)用，總結(jié)起來主要是因?yàn)槭艿揭韵路矫娴囊蛩刂萍s：

定向鉆進(jìn)對于巖性條件要求苛刻，地層適應(yīng)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(xì)砂巖中鉆進(jìn)時，進(jìn)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(xué)習(xí)好并充分掌握定向鉆進(jìn)技術(shù)需要長時間的培訓(xùn)。

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(jìn)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(jìn)較復(fù)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(jī)施工過程中需要改進(jìn)的地方

煤礦定向鉆進(jìn)工藝目前在我國煤礦井下主要還處在試驗(yàn)階段，根據(jù)西安煤科院6000LD（F）型定向鉆機(jī)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(rèn)為定向鉆進(jìn)應(yīng)致力于在以下方面進(jìn)一步改進(jìn)。

（1）鉆機(jī)設(shè)置及結(jié)構(gòu)：分體式定向鉆機(jī)的泥漿泵、電機(jī)與鉆機(jī)操作臺分開設(shè)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(jī)占用的體積過大，鉆機(jī)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(jìn)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(fèi)時又費(fèi)力，所以建議應(yīng)該增強(qiáng)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(dá)，孔底馬達(dá)在定向鉆進(jìn)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(jìn)時，我們發(fā)現(xiàn)施工部分軟巖及中硬巖石時，施工進(jìn)度較慢，當(dāng)遇到較硬巖層如含砂量較高的砂巖時，進(jìn)尺效率極低，每班進(jìn)尺都在幾米左右，而且孔底馬達(dá)也容易出故障，所以定向鉆進(jìn)要想推廣，孔底馬達(dá)的性能應(yīng)該得到更加的增強(qiáng)，這也是刻不容緩的事情。

6、小結(jié)

我國煤礦井下定向鉆機(jī)技術(shù)近年來雖然在鉆進(jìn)技術(shù)工藝和隨鉆測量系統(tǒng)方面取得了很大進(jìn)步，但是整個定向鉆進(jìn)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(jìn)的很多施工經(jīng)驗(yàn)需要技術(shù)管理人員不斷的總結(jié)，從鉆孔設(shè)計(jì)到施工過程再到瓦斯抽采，應(yīng)將出現(xiàn)的每一個問題進(jìn)行認(rèn)真分析，如果是施工工藝方面的問題，及時調(diào)整設(shè)計(jì)、施工方案，提高施工效率，如果是硬件方面的問題，則應(yīng)將出現(xiàn)的問題及時反饋給生產(chǎn)廠家，有利于及時改進(jìn)和更換設(shè)備，總之隨著定向鉆進(jìn)的不斷試驗(yàn)，也會有越來越多的定向鉆機(jī)投入煤礦井下使用，定向鉆進(jìn)技術(shù)也會更一步的得到提高。