薄煤層井下定向鉆進技術試驗研究

申常利，王栓林

（1.山西離柳焦煤集團有限公司，山西呂梁 033000；2.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013）

薄煤層井下定向鉆進技術試驗研究

申常利1，王栓林2，3

（1.山西離柳焦煤集團有限公司，山西呂梁 033000；2.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013）

基于朱家店煤礦4號煤煤層薄、小構造較發育的現狀，為了解0402工作面進風巷頂板的含水情況，根據朱家店煤礦超前探放水鉆孔施工要求，沿掘進方向利用中煤科工集團西安研究院研制生產的ZDY6000LD鉆機和配套鉆具及井下隨鉆測量系統，通過鉆孔主孔和分支孔的方式進行井下定向鉆進試驗，試驗結果表明：薄煤層井下定向鉆進技術上可行，ZDY6000LD定向鉆機在該礦巖層中能很好的施工600m以內定向鉆孔，為大直徑長鉆孔區域瓦斯抽采鉆孔的施工奠定試驗基礎。

薄煤層；定向鉆進；探水；長鉆孔

1 定向鉆進應用概況

1.1定向鉆進應用現狀

定向鉆進起源于石油鉆井，后從石油行業逐漸延伸到煤炭、地質等領域，發揮著重要的作用[1-2]。段志國[3-7]等將不同方式定向鉆孔應用在工作面瓦斯治理當中，實現礦井瓦斯綜合治理的新突破。石智軍[8-11]等將定向鉆進技術在井下瓦斯抽采、地質構造探測及防治水領域進行應用，效果顯著，并研制煤層井下定向鉆進用隨鉆測量系統，實現定向鉆進設備的國產化。劉濤等[12]利用仿真技術對定向鉆進軌跡進行誤差分析與優化，提高隨鉆測量精度。定向鉆進已廣泛地應用于礦井瓦斯抽采與探放水等鉆孔的施工。

1.2應用礦井的概況

朱家店煤礦作為應用礦井，地處呂梁山系，井田位于離石市與中陽縣城之間，區內地形復雜，西高東低，位于中陽—離石斜軸部處。交通十分便利，屬于高瓦斯礦井。4號煤層厚度0m～2.28m，平均為1.1 m，硬度系數2～3，有一定韌性，參差狀、階梯狀斷口，內生裂隙發育，一般5 cm×5 cm內20條左右。煤層頂板巖性為泥巖、砂質泥巖，厚度約0.8m～1.2 m，上方為一層厚度約3 m左右的細砂巖裂隙發育；底板巖性為粉砂巖、細砂巖，平均厚度為2.8 m。

本次試驗目的是探查0402進風順槽掘進方向含水情況，目標煤層為4號煤層。

2 定向鉆進設備及鉆孔設計

2.1定向鉆進基本概念

定向鉆進技術是指利用鉆孔自然彎曲規律或采用人工造斜工具使鉆孔按設計要求進行延伸鉆到預定目標的一種鉆進方法。其內涵本質是定向鉆進有預定目標的。根據設計要求，該目標可以是地下某一點，也可以是孔眼軸線或特定方向和角度，采用一些科學的人為可以控制的技術方法與機具有目的地將鉆孔軸線由彎變直或由直變彎，使之達到目標要求。

鉆探工程中，各類鉆孔的特征通常是在空間用一條線來描述，這條線代表鉆孔軸線，是鉆孔軸線的軌跡線，所以，把表征鉆孔空間形態的軌跡線稱之為鉆孔軸線。鉆孔軸線的空間形態可以用軸線上的一些參數來表征。定向鉆孔軸線的空間要素包括：鉆孔軸線上各點的傾角、磁方位角和孔深，鉆孔垂深、水平位移和左右偏差，以及曲線段的曲率或彎曲強度等。

根據鉆孔軌跡的基本要素，將鉆孔軸線分成若干小段，根據每一小段端點的測斜數據，將每一小段鉆孔軸線看作為直線或曲線進行疊加計算，求出軌跡上每一點的空間坐標。

2.2定向鉆進設備

試驗所用鉆機是中煤科工集團西安研究院研制生產的ZDY6000LD履帶式全液壓定向鉆機。該鉆機具有搬遷方便、轉速調節范圍寬、扭矩大、結構合理、技術性能先進、工藝適應性強、操作省力、安全可靠等優點。主要用于煤礦井下地質勘探孔、抽放瓦斯孔、注水孔等。主要技術參數如表1所示。

表1 ZDY6000LD型鉆機主要參數

試驗使用的鉆桿分為兩種，一種是φ73 mm中心通纜鉆桿，另一種是φ73 mm無磁鉆桿，材料選用無磁性的鈹銅，主要用于鉆孔測斜時放置測量儀器，以避免普通鋼性鉆桿對測量方位角造成的干擾，保證測量數據準確。選用φ96 mm平底燒結胎體式金剛石復合片鉆頭。

鉆機配套使用YHD1-1000隨鉆測量系統，該系統主要由下無磁鉆桿、測量探管、上無磁鉆桿、通纜式鉆桿、通纜式送水器、通訊電纜、孔口監視器等組成。主要用于水平定向鉆進的測量和控制，形成定向鉆進系統。系統連接見圖1。

圖1 YHD1-1000隨鉆測量系統連接

2.3試驗鉆孔軌跡設計

1）設計要求

為了探查0402進風順槽掘進方向以及附近含水情況，軌跡設計需從4號總回風巷底部穿過，發揮鉆機定向鉆進優勢，軌跡盡可能沿煤層或貼近煤層延伸，實現探水的目的。

2）鉆孔布置

在4號南膠帶運輸巷設置鉆場，探查0402進風順槽掘進方向含水情況。鉆孔開孔之后，從4號南總回風巷底部穿過，之后主孔沿著0402進風順槽掘進方向延伸，分支孔相對于主孔一左一右，左分支孔最終相距主孔約30 m，右分支孔最終相距主孔約60m。設計鉆孔以0402進風順槽掘進方向為勘探線方位，為94.5°（磁方位角，以下同），以開孔點作為原點，沿著勘探線方位建立X軸，順時針旋轉90°建立Y軸，垂直向上為Z軸，建立三維坐標系，鉆孔軌跡平面布置圖見圖2。設計鉆孔開孔方位104.5°，主孔終孔方位為94.5°，設計孔深510m。

圖2 鉆孔軌跡平面布置

3 現場施工情況

3.1鉆場布置情況

鉆場設置在4號南膠帶運輸巷，向南距離0402進風順槽約25m，井下鉆場布置見圖3。

圖3 井下鉆場布置

3.2鉆孔施工情況

試驗起止時間自2015年3月25日至2015年4月30日，試驗煤層為4號煤。本次試驗施工1個定向探水孔，目的是探查0402進風順槽掘進方向含水情況，鉆孔主孔孔深525 m，分支孔330 m，總進尺855m，具體如表2所示。1號鉆孔軌跡上下偏差和左右偏差圖見圖4，鉆孔軌跡平面見圖5。

表2 鉆孔施工情況

圖4 1號鉆孔實測軌跡曲線

圖5 實際鉆孔軌跡（實線為實鉆軌跡，虛線為設計軌跡）

3.3存在的主要問題

本次試驗順利完成，施工期間主要存在三方面問題：

1）由于煤層較破碎，在水力沖刷作用下容易塌孔，因此鉆進時主要在煤層底板中鉆進，而巖層較硬，相對于煤層鉆進，鉆進速度較低。

2）每天兩個班，每班施工時間5 h～6 h，班進尺較低，人員學習和接受能力有待進一步加強。

3）孔內瓦斯涌出造成鉆場瓦斯超限，影響鉆進效率。

4 結論

1）根據朱家店煤礦超前探放水鉆孔施工要求，采用ZDY6000LD定向鉆機及其配套裝備進行定向鉆進，在技術上完全可行。

2）ZDY6000LD定向鉆機能力大，其配套裝備強度高、綜合性能較好，在該礦巖層中能很好的施工600m以內定向鉆孔。

3）4號煤層在水力沖刷作用下，容易塌孔，底板巖層較穩定，因此鉆孔主要控制在底板巖層與煤層之間，進行局部點探查。

4）施工時盡量在較穩定和完整地層中鉆進，以保證鉆具安全，降低事故發生的風險性，為防止鉆進過程中鉆場瓦斯超限，施工時安裝孔口瓦斯收集裝置，并連接好瓦斯抽放管路。

[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，2008，36(4):78-80.

[2]董昌樂.煤礦井下定向鉆進技術及其發展趨勢[J].煤炭科學技術，2015，43(5):106-110.

[3]段志國.不同方式的定向鉆孔在采面治理瓦斯上的應用[J].山西煤炭，2014，34(8):56-58.

[4]荊鴻飛.西山煤田區域瓦斯抽采深孔定向鉆進技術[J].煤炭科學技術，2013，41(11):90-94.

[5]凌志強，彭勇，周宗波，等.沿煤層定向鉆進瓦斯抽采技術在寧夏礦區的應用[J].煤炭科學技術，2008，36(11):47-51.

[6]蔡永樂，劉沂星.煤礦井下千米定向鉆進技術及其應用[J].山西煤炭，2011，31(4):65-67.

[7]姚寧平，姚亞峰，張杰，等.煤礦井下梳狀定向孔鉆進技術與裝備[J].煤炭科學技術，2012，40(10):12-16．

[8]李泉新，石智軍，史海岐.煤礦井下定向鉆進工藝技術的應用[J].煤田地質與勘探，2014，42(4):85-88，92.

[9]石智軍，董書寧，姚寧平，等.煤礦井下近水平隨鉆測量定向鉆進技術與裝備[J].煤炭科學技術，2013，41(3):1-6.

[10]石智軍，李泉新，姚克.煤礦井下1800m水平定向鉆進技術與裝備[J].煤炭科學技術，2015，43(2):109-113.

[11]石智軍，溫榕，方俊，等.煤層井下定向鉆進用隨鉆測量系統的研制[J].煤炭科學技術，2013，41(3):16-20，69．

[12]劉濤，王伯雄，崔園園，等.水平定向鉆進的軌跡誤差分析與優化[J].清華大學學報（自然科學版），2011，51(5):592-596．

（編輯：薄小玲）

Experim ental Study on Directional Drilling Technology for Thin Coal Seam

SHEN Changli1,WANG Shuanlin2,3
(1.Shanxi Liliu Coking Coal Group,Lvliang 033000,China; 2.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 3.State Key Laboratory of Efficient Exploitation and Clean Utilization of Coal Resources,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

Based on the thin,smallbutdeveloped structureof the No.4CoalSeam in Zhujiadian Coal Mine,a directional drilling testwas conducted using the ZDY6000ZD drilling rig,its supporting drilling tools,andmeasuring system along the driving direction in order to obtain the water contentof the roof of the air inlet of No.0402 working face and meet the requirement of the drilling with advanced water exploration and drainage technology.The rig is developed by Xi'an Research Institute of China Coal Technology&Engineering Group.The testwas conducted by themain and the branch borehole drilling. The results show that it is feasible to use the ZDY6000LD rig in the directional drillingwithin 600m in the rock strata,laying the experimental foundation for the construction of longand large diameter borehole in localgasdrainage.

thin coalseam;directional drilling;waterexploration;long borehole

TD 421

A

1672-5050（2016）06-039-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxm t.2016.12.012

2016-06-19

申常利（1963-），男，山西交城人，大學專科，工程師，從事礦井生產管理工作。