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煤层走向探测钻孔施工中定向钻进技术的应用

2021-07-29 109 上传者：管理员

摘要：针对回转钻进技术进行煤层走向探测钻孔存在钻孔轨迹不可控、探测距离短、结果误差大等问题，提出采用定向钻进技术进行煤层走向探测钻孔的施工。介绍了定向钻进原理，以某矿15311工作面为例，根据矿井地质资料和已揭露煤层走向，设计了定向钻孔轨迹，采用ZYWL-6000DS全液压定向钻机施工，运用多次探顶、回退开分支的方法，不断调整钻孔参数，精确地探明了该工作面200m内煤层走向，修正了矿井地质资料。为煤矿井下煤层走向的探测提供了一种新方法，具有较高的推广应用价值。

关键词：
分支孔
定向钻进
煤层走向
煤矿煤层走向
矿井地质
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目前，国内煤矿煤层走向主要是根据煤层底板等高线图确定。等高线图是根据地质勘探取样结果绘制而成，地质勘探取样孔是在矿区地表面每隔一段距离布置一个取样钻孔，据此绘制的等高线图不够精确，只能作为参考。巷道掘进前或治理工作面瓦斯时，一般在掘进迎头或工作面布置钻场，采用回转钻进技术进一步探测煤层走向。这种方法钻孔轨迹不可控、探测距离短、结果误差大，给煤矿生产带来一定的资源浪费。定向钻进技术能实现钻孔轨迹的可知可控，可详细地记录整个钻孔数据，因此本文应用定向钻进技术进行煤层走向探测钻孔的施工，在某矿15311工作面进行了现场试验。

1、定向钻进原理

定向钻进是一种煤矿井下精确定向的钻孔施工技术，能够对钻孔轨迹进行控制和纠偏，同时能够施工分支孔，主要用于中硬煤层或顶、底板岩层的瓦斯抽放钻孔施工，是当前煤矿瓦斯抽放钻孔施工最先进的一种钻孔施工工艺。

钻孔轨迹的纠偏是采用连续调整工具面向角Ω进行控制的，通过工具面向角的调整改变钻孔轨迹各点的倾角和方位角。工具面向角对倾角的影响如图1所示，当工具面向角位于Ⅰ、Ⅳ象限时，其效应是增倾角；当工具面向角位于Ⅱ、Ⅲ象限时，其效应为减倾角；当Ω=0或Ω=180°，其效应是极速增倾角或极速减倾角。工具面向角对方位角的影响如图2所示，当工具面位于Ⅰ、Ⅱ象限时，其效应是增方位；当工具面位于Ⅲ、Ⅳ象限时，其效应是减方位；当Ω=90°或Ω=270°时，其效应是极速增方位或极速减方位。因此，当工具面向角位于任一象限时，钻孔轨迹控制点的倾角和方位角均会按上述原理变化，从而实现钻孔轨迹的调整和控制。

2、工作面概况

新疆某矿三采区有原小窑3座，分别为1901主井、1901西小井、1901东小井，小窑上部为荒山，基岩出露。其中1901主井位于2线西80m，对5#煤层的浅部进行过小规模开采，开采水平+1820m，开采范围东翼550m、西翼550m。按照矿井生产接续计划，三采区15311运输巷现与15311开切眼贯通。15311运输巷设计布置在矿井一水平、三采区5#煤层中，设计长度560.4m，设计方位155°。5#煤层为单斜构造，赋存条件比较稳定，结构简单；煤块体密度1312.52kg/m3、泊松比0.421、弹性模量0.755GPa、单轴抗压强度为6.135MPa、单轴抗拉强度为0.537MPa、坚固性系数为0.67；以光亮型、半亮型为主。

根据地勘资料与巷道实际揭露情况，5#煤层厚度为2.46～3.96m，平均厚度3.21m，煤层倾角13°～19°，平均倾角16°。15311运输巷开口标高+1771m，地表标高+1864m；到位点标高+1840m，地表标高+1958m。根据井上井下对照关系，巷道位于南公园冲积沟以南，地表为荒山，无建筑物，工作面与地表垂距90～149m。现有水文地质资料显示，该工作面回采期间受1901小窑积水威胁，为保证工作面在掘进期间的安全，需对小窑内积水进行探、放施工。因此必须探明该工作面未揭露煤层走向倾角。

3、定向钻进装备

本次探测煤层走向倾角钻孔施工装备主要包括ZYWL-6000DS双履带式全液压定向钻机、高压水流量无级调节的大流量泥浆泵车、ZSZ-1500随钻测量系统、Φ94mm胎体式PDC钻头、Φ94/153mm扩孔钻头、4LZ×73-3.2有磁螺杆马达、Φ73mm无磁钻杆和通缆定向钻杆、Φ73mm定向水辫、Φ127mm封孔钢管等。

4、钻孔设计与施工情况

（1）钻孔轨迹设计

根据已揭露煤层走向，结合矿井地勘资料，设计开孔倾角8°，方位角155°，终孔孔深200m，终孔直径Φ94mm。钻孔设计参数：

开孔倾角/（°）8

终孔倾角/（°）8

开孔方位角/（°）155

终孔方位角/（°）155

终孔孔深/m200

终孔直径准/mm94

终孔上下位移/m27.97

终孔左右位移/m0

钻孔设计轨迹如图3所示。

(2）开孔和封孔

钻孔开孔采用准94mm胎体式PDC定向钻头配合Φ73mm通缆定向钻杆施工，开孔深度18m。退钻后，采用Φ94/153mm扩孔钻头配合Φ73mm通缆定向钻杆扩孔，扩孔至18m后退钻。下入Φ127mm封孔钢管，采用马丽散封堵孔口，从孔壁注入快凝高强度封孔材料，封孔深度18m。由于该工作面未揭露煤层存在小窑，为防止发生透水事故，在封孔管法兰盘处安装球阀，并进行水压试验。水压试验结果表明，封孔质量满足《煤矿防治水细则》要求。封孔及水压试验装置现场布置如图4所示。

(3）具体施工情况

依次联接Φ94mm胎体式PDC钻头、4LZ×73-3.2有磁螺杆马达、无磁钻杆、ZSZ1500随钻测量和Φ73mm通缆定向钻杆，组成定向钻进成套钻具。将上述定向钻进成套钻具送至孔底（18m处），联接Φ73mm定向水辫，调定泥浆泵车高压水流量，开始施工。

(1)施工至51m处时，钻压激增至10MPa，水压激增至8MPa，返水呈乳白色，结合矿井地质资料，判断钻遇顶板白砂岩。测量该点数据：倾角11.20°，方位角152.60°，上下偏差8.70m，左右偏差0.37m。

(2)回退至30m处施工分支孔，施工至144m处时，钻压激增至8MPa，水压激增至7MPa，返水呈灰褐色，判断钻遇底板粉砂岩。测量该点数据：倾角1.10°，方位角154.90°，上下偏差15.53m，左右偏差0.48m。

(3)回退至135m处施工分支孔，施工至144m处时，再次出现上述现象。

(4)回退至120m处施工分支孔，略微增加倾角，将钻孔轨迹上移，以避开煤层底板。施工至144m处时，再次出现憋压现象，测量该点数据：倾角2.40°，方位角157.30°，上下偏差16.02m，左右偏差-0.70m。综合上述现象，结合矿井地质资料判断：144m处钻遇煤层顶板。

(5)回退至54m处施工分支孔，适当减小倾角，将钻孔轨迹下移，以避开煤层顶板。施工至201m处时，钻压激增至15MPa，水压激增至10MPa，无返水，判断201m处煤质变软，无法钻进，退钻。测量该点数据：倾角-5°，方位角156.10°，上下偏差10.81m，左右偏差-0.18m。

5、探测钻孔结果

施工完成后，从ZSZ-1500随钻测量系统导出实钻轨迹，成孔轨迹上下视图如图5所示，成孔轨迹左右视图如图6所示。

根据上述实钻轨迹图，结合矿井地质资料，修正了该工作面200m内煤层底板等高线图，据此重新设计了煤层走向钻孔轨迹图，如图7所示。由图7可知：该工作面0～144m段煤层走向向上，144～201m段煤层走向向下。煤层走向具体变化情况：0～45m段走向由8°逐渐增加至11.3°；45～102m段走向由11.3°逐渐减小至1.2°；102～123m段走向由1.2°逐渐增加至5.8°；123～165m段走向由5.8°逐渐减小至-6.1°；165～183m段走向由-6.1°逐渐增加至-2.7°；183～201m段走向由-2.7°逐渐减小至-5.0°。

6、结语

(1)15311工作面煤层走向探测钻孔施工中，分别在51m和144m处钻遇顶板，其中144m处钻遇3次顶板，证明此处煤层走向出现较大拐点，与探测结果相符；

(2）钻遇顶板后，依次在30m、135m、120m和54m处施工分支孔，探测清楚了该工作面200m内煤层走向，即0～144m煤层走向向上，144～201m煤层走向向下；

(3）根据钻孔实钻轨迹，结合矿井地质资料，修正了该工作面200m内煤层底板等高线图，为矿井下一步探测小窑积水边界提供了可靠的数据支持；

(4）总结了一套高效的精确探测煤层走向钻孔施工方法，即多次探顶、回退开分支的方法，有效地解决了回转钻进技术轨迹不可控、探测距离短、结果误差大等问题，具有较高的推广应用价值。

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