復雜地質條件礦井水平定向鉆進施工技術分析

王躍東

（大同煤礦集團地質勘測處，山西大同 037003）

復雜地質條件礦井水平定向鉆進施工技術分析

王躍東

（大同煤礦集團地質勘測處，山西大同 037003）

我國引進的煤層水平定向鉆進技術，應用于煤礦井下地質構造探測和高瓦斯礦井抽采瓦斯收到了良好的效果，但在地質構造復雜的礦井，水平深孔鉆進受到諸多因素的制約。文章結合焦家寨煤礦工程實際，分析探討鉆進施工技術，對地質條件相似的煤礦進行水平定向鉆進具有借鑒作用。

煤礦地質；復雜條件；水平鉆進；瓦斯抽放

1 煤礦井下水平定向鉆進技術概述

1.1 國外技術發展

20世紀80年代初，英國研制出采樣孔底馬達定向鉆進技術的煤礦井下水平定向鉆機，水平鉆孔最大深度當時只達635m。80年代中期該技術成為澳大利亞煤礦抽放瓦斯和地質勘探的主要手段，孔深達700m左右。隨著設備和施工技術的改進，最大孔深紀錄不斷被刷新，2002年達到1 761m［1］。

1.2 國內應用情況

上世紀90年代中期，我國部分煤礦企業相繼從美國、澳大利亞進口9套km水平定向鉆機，如美國制造的LHD-15型鉆機、澳大利亞制造的LMC-75型和UDR系列水平定向鉆機，分別在松藻、鐵頭、淮南、撫順、平頂山等礦務局試用。由于各地礦井地質條件復雜程度不盡相同，配套的鉆桿壁較薄，強度有限，進口鉆機使用過程中時有鉆桿折斷、螺桿鉆具脫落等孔內事故發生，最深鉆孔也不足鉆機標定能力的1/2，成孔率很低。2003年，山西亞美大寧能源有限公司引進澳大利亞VLD深孔定向鉆機，進行地面煤礦瓦斯抽采和探測地質構造，主孔深度鉆達1 002m，終孔直徑94mm［2］。晉城寺河煤礦自2005年前后引進澳大利亞VLD-1000型水平定向鉆機6套，于2006年完成主孔深200～500m的沿煤層定向瓦斯抽采鉆孔。中煤柳林沙曲煤礦配備2臺澳大利亞1 000m水平定向鉆機、4臺德國抽采鉆機，專門用于井下煤層水平鉆進抽采瓦斯，水平鉆深達600多m。寧夏煤業集團白箕溝礦2007年引進澳大利亞的鉆機，在半煤半巖地層鉆進，孔深1 023m，終孔直徑94mm的水平鉆孔。2009年大同煤礦集團配備澳大利亞VLD-1000型水平定向鉆機，在軒崗煤電公司焦家寨煤礦井下鉆進，進行瓦斯抽放孔施工，效果良好。

2 水平定向鉆進技術原理與鉆進工藝

澳大利亞鉆機上配備的DDM-MECCA隨鉆測量系統在軒崗焦家寨煤礦使用，施工鉆孔直徑在89-96mm之間，鉆孔定向方位或傾斜角偏差可控制精度在0.5°/100m以內。該技術的關鍵是孔底馬達與隨鉆測斜技術的結合，控制鉆孔鉆進方向。水平定向鉆機采用螺桿鉆具（又稱螺桿馬達）。鉆頭驅動是以高壓沖洗液為傳遞動力介質的一種孔底動力鉆具，附帶有不同形式的造斜部件（彎外管或彎接頭），并配備隨鉆測斜儀器，可較靈活地調控鉆進方向。與傳統的回轉鉆具不同之處是螺桿馬達驅動鉆頭旋轉，鉆進時鉆桿柱和螺桿鉆具的外殼（包括選斜件）是不旋轉的，造斜件彎曲的方向即是鉆孔將要鉆進的方向［3］，鉆具結構見圖1。

圖1 孔內馬達驅動裝置示意圖

鉆孔過程中通過鉆桿柱（正轉孔口鉆具）調整螺桿鉆具上造斜件的工具面向角，控制鉆進的方位和傾角，使其朝向預定方向鉆進而達到定向的目的。鉆頭旋轉的基本原理是高壓水（水壓350 psi～900 psi）通過鉆桿輸送至孔內馬達，馬達內部的轉子在高壓水的沖擊作用下轉動，通過前端軸承帶動鉆頭旋轉。鉆孔時鉆桿本身主要是起推進作用而不旋轉，由孔底馬達驅動鉆頭作旋轉運動，達到破碎煤巖的目的，并有效地降低了鉆機的負載。孔內定向馬達的關鍵部件是彎接頭，它和鉆桿之間形成一定的夾角，鉆孔的軌跡不是傳統鉆機打直線，而是偏向彎接頭方向的空間曲線。通過選擇不同規格（0.75°，1°，1.25°，1.5°，2°，指每鉆進6m所能偏向的最小值）的彎接頭調控鉆孔曲率半徑，并在孔內預定的位置可再作分支孔鉆進［4］。鉆機配套的遠程通訊測量系統實時顯示鉆孔內前端方位角、傾角和彎接頭方向等測量參數和鉆孔軌跡曲線，保證深孔定向按照預定的軌跡進行鉆進。根據孔內測量參數可計算出每處測點的坐標值，自動描繪出鉆孔軌跡空間曲線在水平和垂直平面上的投影軌跡圖。隨鉆進實時進行軌跡線比對，及時調整彎接頭方向，使鉆進軌跡與設計預期軌跡達到最大限度吻合。

3 水平定向鉆進的工程問題與技術措施

3.1 鉆場地質基本概況

同煤集團軒崗煤電公司焦家寨礦位于寧武煤田，主要開采石炭系太原組5#煤層，煤層厚度約為11.0～13.9m，平均12.3m。井田內斷裂地質構造發育多為階梯狀正斷層，煤體被地質構造切割擠壓的破碎、松軟。礦井瓦斯含量較高，屬于高瓦斯礦井。為了排除焦家寨煤礦高瓦斯這一煤礦生產安全隱患，相繼在09#工作面和05#工作面4#，5#煤層和之上的頂板中施工了5個水平鉆孔，進行煤礦井下瓦斯預抽采和地質構造探測，水平定向鉆孔施工數據見表1。鉆孔軌跡見圖2，3。

表1 軒崗焦家寨礦水平定向鉆孔施工數據表

3.2 水平鉆進施工問題

由于焦家寨井田斷裂構造發育，井下地質條件復雜，按原設計開孔鉆進抽放瓦斯，鉆孔必然要穿過斷層破碎帶、薄煤層等松散、軟弱煤巖地層后才能到達目的層。鉆進中雖然對鉆具、鉆速、泵量及鉆進方式等技術工藝進行反復調試，鉆進效果仍不理想，施工難度很大。由于鉆孔有一定的仰角，當鉆具起出孔口時，孔內循環液隨即順孔壁全部流出孔口，導致孔中壓力急速降低，松散、軟弱層段垮落，當再次鉆入時就不能達到原孔深，必須重新鉆進，鉆進效率極低且易卡鉆。如09#工作面水平鉆進的前期施工中，孔內煤巖層垮落極為嚴重，雖然采取了多種技術措施，如注馬立休、馬立散、美多寶等多種化學鉆井漿體護孔，但效果不明顯，嚴重時定位測量系統被卡失靈。

圖2 05#工作面2#鉆場4#孔垂直剖面軌跡圖

圖3 05#工作面2#鉆場4#孔水平面軌跡圖

3.3 技術改進措施

綜合分析施工不利因素后，調整原設計方案，鉆進的層段選在5#煤層上部較穩定的砂巖及砂質泥巖中。鉆進過程中也遇到過巖層破碎、垮塌、斷層阻隔、巖石硬度增大、材料消耗增加等技術難題，但利用鉆機本身的造斜定向功能，根據地層巖性變化，結合分析以往的鉆進經驗，及時調整鉆進的傾角和方位，以及多次進行分支鉆進，完成了5個鉆孔的施工，達到了設計的基本要求和施工目的，抽放瓦斯其效果良好。

4 結論和建議

在地質構造復雜煤礦區鉆進松散、軟弱煤巖層段，特別是鉆遇斷層破碎帶、陷落柱等破碎松軟巖層時，極易出現孔內垮塌、卡鉆、埋鉆等事故，嚴重影響鉆進效率，建議采取以下措施：

1）在地質構造復雜的礦區，應選擇煤層上部較為穩定的煤巖層段內鉆進，實現水平深孔以及多分支鉆進，利于抽放瓦斯；

2）螺桿馬達對沖洗液的凈化技術要求高，同時也受配套鉆具結構的制約，需研制適合國內礦井地質條件的國產鉆液，降低鉆進成本；

3）巖石硬度過大的井田區域鉆具耗損嚴重，不適宜用此鉆機施工；

4）鉆具導向控制系統結構復雜價格昂貴，對操作人員的計算機應用能力和地質因素的判別水平要求較高，應培養具有良好敬業精神的技術骨干，保證鉆進質量和效率。

［1］姚寧平.我國煤礦井下近水平定向鉆進技術的發展［J］.煤田地質與勘探，2008（4）：81-83.

［2］石智軍，胡少韻，姚寧平.煤礦井下瓦斯抽采（放）鉆孔施工新技術［M］.北京：煤炭工業出版社，2008.

［3］韓廣德.中國煤巖工業鉆探工程學［M］.北京：煤炭工業出版社，2000.

［4］汪敏華.澳大利亞長孔水平鉆機在淮南煤礦井下的應用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2000（01）：29-30.

〔編輯 石白云〕

An Analysis of the Horizontal Drilling Technology in Coal Shafts with Complicated Geological Conditions

WANG Yue-dong
（Division of Geological Survey，Datong Coalmines Group，Datong Shanxi，037003）

The introduced horizontal drilling technology may well apply to geological structure detection，and for gas discharge.However，in shafts where the geological condition is complicated，this technology is restricted by many factors.This article，by taking the example of Jiajiazhai Coalmine，tires to analyze the drilling technology，which provides a good reference for coalmines with similar geological conditions.

coalmine geology；complicated conditions；horizontal drilling；gas discharge

TD219

A

1674-0874（2011）03-0069-03

2011-03-20

王躍東（1960-），男，山西大同人，工程師，研究方向：煤礦地質及管理。