復雜地質(zhì)條件礦井水平定向鉆進施工技術

張廣強ZHANG Guang-qiang

（中煤第五建設有限公司第四十九工程處，邯鄲056003）

0 引言

由于復雜地質(zhì)條件下的煤礦區(qū)中存在的煤巖層大都比較松軟、易碎，在進行水平定向鉆機工作的過程中，往往需要更加的仔細和小心，如果遇到斷層破碎帶、陷落柱等特殊的巖層時，稍不留意就會造成孔內(nèi)事故，出現(xiàn)孔內(nèi)垮塌、埋鉆、卡鉆等情況，而致使鉆進效率低下。一旦孔遇到松軟、易碎巖層時，就要采用有效的措施將損失降至最小。

1 煤礦井下水平定向鉆進技術概述

在二十世紀八十年代初期，首次由英國研制出煤礦井下水平定向鉆機，其鉆孔深度可高達六百米左右，繼而鉆進技術得到持續(xù)發(fā)展，在八十年代中期鉆孔可深入井下七百米。近年來，科技與時代不斷得到發(fā)展，鉆進設備與施工技術也在隨之改進，直到今天鉆孔深度可達一千七百米左右。我國煤礦行業(yè)起步比較緩慢，有些企業(yè)從國外引進多套規(guī)格、參數(shù)不同的水平定向鉆機，首先在鐵頭、松藻、淮南、平頂山等地試用。礦井地質(zhì)結構比較復雜，由于受到地域、自然、氣候等方面的影響，因此提高了對鉆進技術的要求。在鉆進的過程中由于配套的鉆桿壁比較薄，強度有限，致使鉆機在實施鉆進時會出現(xiàn)鉆桿折斷、螺桿鉆具脫落等情況，造成孔內(nèi)事故。最深鉆孔與其鉆機標定能力會因為井下情況的不同，難以成孔。在二零零三年山西某公司引入國外深孔定向鉆機，用于探測地質(zhì)構造、開展地面煤礦的瓦斯抽采，鉆孔深度可達到一千米左右。隨后我國連續(xù)從國外引進多套水平定向鉆機，分別應用于不同地質(zhì)條件下的鉆孔工作，均得到良好的效果。

2 水平定向鉆進技術原理與工藝

水平定向鉆機上可對各種復雜地質(zhì)條件下的礦井進行探測，本文將對澳大利亞鉆機鉆進技術與工藝作出具體分析，其施工鉆孔直徑可約達九十毫米左右，鉆孔定向方位以及傾斜角偏差控制精度在規(guī)定數(shù)值以內(nèi)。這套技術就是將孔底馬達與隨鉆測斜技術聯(lián)系起來，以便對鉆孔鉆進方向進行控制，水平定向鉆機通過螺桿鉆具的應用驅(qū)動鉆頭，以高壓沖洗作為一種關鍵的原動力，向設備傳遞出源源不斷的動力，帶動機械的運作。水平定向鉆機配備各種不同功能的造斜部件，例如彎外管、彎接頭等，附帶隨鉆測斜儀器，以便靈活控制鉆進方向。此種鉆機和以往的回轉鉆具最大的差異是其運作驅(qū)動的不同，通過螺桿鉆具驅(qū)動鉆頭旋轉，在鉆進的過程中，鉆桿柱、選斜件以及螺桿鉆具的外殼是不受影響的，若鉆頭是工作的狀態(tài)，其造斜件彎曲方向也就是鉆孔鉆進的方向。

水平定向鉆機工作時根據(jù)鉆桿柱來調(diào)節(jié)螺桿鉆具上造斜件的角度，可自由隨意的調(diào)整鉆進方位、鉆進傾角，按照操作的方位來控制螺桿鉆具上造斜件的面向角，實現(xiàn)鉆進定向的作用。如上文所述，鉆頭旋轉的控制原理是通過高壓水沖洗鉆桿傳遞動力至孔內(nèi)馬達，使其內(nèi)部的轉子得到充足的動力進而有效轉動，運用前端軸承帶動鉆頭做旋轉運動。在鉆孔工程中鉆桿有助于加快鉆頭旋轉，但鉆桿本身是不具備旋轉功能的，只有依靠孔底馬達帶動鉆頭旋轉，才能減少鉆機負荷，實現(xiàn)破碎煤巖的目的。孔內(nèi)定向馬達最重要的工作部件是彎接頭，使其與鉆桿處于夾角的方位，以往的鉆機呈直線操作，而這種彎接頭所呈現(xiàn)出鉆孔軌跡是具有彎接頭方向的曲線操作，根據(jù)其夾角的規(guī)格不同，又被分為多規(guī)格的彎接頭，這些不同夾角參數(shù)的彎接頭將影響鉆孔曲率半徑，還可根據(jù)孔內(nèi)預定，在同一位置進行分支孔鉆進。水平定向鉆機附帶遠程通訊測量系統(tǒng)可及時對鉆孔工作中多角度、多方向進行監(jiān)測，例如內(nèi)前端方位角、傾角、彎接頭方向等參數(shù)與軌跡做出評判，可保證鉆孔定向是按照事前計劃的方向與軌跡鉆進。并且還可通過孔內(nèi)測量的多參數(shù)對與其對應的觀測點位置進行計算，有利于描繪出垂直平面、水平面的鉆孔軌跡空間曲線，構成一幅精準的投影軌跡圖，在水平定向鉆進的過程中觀測軌跡線，一旦發(fā)現(xiàn)與預定目標不符出現(xiàn)差錯的情形，可通過及時改變彎接頭方向，使其恢復原定的軌跡曲線，實現(xiàn)與預定軌跡目標的最佳重合。

3 水平定向鉆進的控制與技術措施

由于大部分煤礦井下環(huán)境的復雜性，其煤層厚度、鉆進技術都對煤礦生產(chǎn)造成一定的影響。有些井下還存在較多的斷裂地質(zhì)，形成階梯狀正斷層，煤物質(zhì)也因為地質(zhì)的影響致使其性質(zhì)發(fā)生了變化，逐漸變得質(zhì)地松軟，易于破碎。為提高煤礦開采的安全可靠性，減少生產(chǎn)與人身安全的隱患，對煤礦支護頂板的設計就顯得尤為重要，可通過多個水平鉆孔，提高煤礦支護頂板的安全性。首先運用水平定向鉆機對其礦井地質(zhì)結構進行探測，并且抽采井下瓦斯樣本。水平鉆進施工的過程中可能會遇到一些問題，例如煤層斷裂、巖石下沉、頂板坍塌等，這些問題通常大部分是因為井下地質(zhì)條件過于復雜，其中的不穩(wěn)定因素較多風險性較高。這些風險性是無可估算的，最行之有效的方式就是做好事前防范工作，水平定向鉆孔施工技術對探測井下地質(zhì)有著絕對的優(yōu)勢。

按照預定的開孔位置鉆進抽放瓦斯，在鉆孔時要通過斷層破碎帶、薄煤層等巖層，最后才是目的層。由于復雜地質(zhì)井下條件過于惡劣，造成施工難度系數(shù)過大，鉆進效果得不到提升，因此，在鉆進的過程中要注重鉆具、泵量、鉆速、鉆進方式等工藝，并進行多次的試驗，有利于提高鉆進效果。在鉆孔時其角度對技術活動有著重要的影響，如果鉆孔仰角超過孔口的時候，就會導致孔內(nèi)沖洗液隨著孔壁流出，頓時造成孔中壓力的降低，致使脆弱松軟的巖層出現(xiàn)斷裂或坍塌的情況。如果再次對原定位置進行鉆孔，由于達不到之前的鉆孔深度，往往會出現(xiàn)容易卡鉆的情況，嚴重阻礙了鉆進效率。在對礦井進行水平鉆進施工初期，如果發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)煤巖層出現(xiàn)坍塌情況，并且此種情形得不到改善，致使煤巖層持續(xù)垮落。此時再對其采取事前控制措施，例如注射多種化學鉆井漿體護孔馬立休、馬立散等，效果并不太理想，甚至會出現(xiàn)定位測量系統(tǒng)被卡鉆，無法對孔內(nèi)環(huán)境進行測量，導致定位測量系統(tǒng)失靈。首先對影響施工效率與質(zhì)量的原因進行了分析，然后通過不斷改進和創(chuàng)新水平定向鉆機的技術措施，在原定計劃方案的基礎上對其失誤進行了調(diào)整，選取較穩(wěn)定、安全的巖層或泥巖開展鉆進工作，在這個新計劃方案的引導下，得到良好的鉆進效果。當然在整個鉆進過程中，也出現(xiàn)巖層破碎、斷層阻隔、垮塌等情況，但通過合理利用鉆機的定向功能，堅持按照預定軌跡調(diào)整鉆進方向，最終符合設計要求，實現(xiàn)施工目的。

4 結束語

綜上所述，水平定向鉆進技術是一種先進的、實用性高、適用范圍廣的施工技術，對于提高鉆進效果、礦井生產(chǎn)效率有著重要作用。

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