鉆孔偏離影響因素及解決方法研究

傅雙玲

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400039；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

鉆孔偏離影響因素及解決方法研究

傅雙玲1,2

(1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400039；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

分析研究了煤礦井下鉆孔施工中常出現的鉆孔偏離問題及影響因素。煤礦井下鉆孔施工時，鉆孔軌跡偏離有時是受某一個因素影響，有時受好幾個因素共同作用，鉆孔偏離的影響輕則不能達到抽放效果，重則產生鉆孔空白帶，在后續作業時有巨大的突出風險，導致安全事故的發生。通過采用合理的解決鉆孔偏離方法，可消除由鉆孔偏離帶來的安全隱患，為煤礦井下安全生產提供了積極的參考價值。該解決方法適應性較強，同時對于地質鉆孔有一定的借鑒作用。

鉆孔偏離；鉆孔軌跡；地質條件

根據國家安監總局對煤礦井下瓦斯治理“先抽后采”的要求[1]，鉆進瓦斯抽放孔是煤礦井下瓦斯治理、煤層氣開采利用最有效、最便捷的途徑；然而由于種種因素，實際鉆孔軌跡或多或少均與設計軌跡有一定的偏離，如若不加以重視，輕則達不到抽采要求，影響抽放效果，重則引發突出事故，造成人身傷亡的悲慘事件。因此，對于鉆孔偏離問題進行研究分析就顯得尤為重要。本文將圍繞鉆孔偏離的產生原因以及解決方法進行深入分析。

1 鉆孔偏離產生原因

鉆孔偏離產生的因素主要包括鉆具自重、地質條件、鉆進參數、鉆進工藝以及設備和人員因素。

1.1 鉆具自重

目前，煤礦鉆孔大部分是采用鉆機驅動鉆具回轉鉆進切削煤巖的方式。鉆具包含鉆桿和鉆頭(有的也包含保直或提高鉆孔質量的附件，比如扶正器或聚晶擴孔器)，其中，質量最大的是鉆桿，受鉆桿自重的影響，鉆孔會有一定的偏離，程度取決于鉆孔對鉆桿的支承效果及鉆桿自身的撓度。鉆桿自重對鉆孔軌跡影響的示意圖如圖1所示。圖1中，H是鉆孔的理論軌跡；h是鉆孔因鉆具自重的實際軌跡；Δ是理論軌跡與實際軌跡的偏移量；g是鉆具重力。

圖1 鉆桿自重對鉆孔軌跡影響示意圖

鉆具自重對于鉆孔偏離是時刻存在的，是不以人的意志而轉移的，它同時伴隨于其他幾個影響因素中。

1.2 地質條件

地質條件對于鉆孔軌跡的影響包括：1)松軟與堅硬交匯的地帶，如煤層鉆孔遇到較硬的矸石。因為軟硬煤巖抵抗破碎的能力不同，鉆具一般會偏向于松軟的一方，造成鉆孔軌跡的偏離；2)特殊的地質構造，如斷層、溶洞等。因為切削阻力的變化，同樣會導致鉆孔偏離設計軌跡；3)巖石的各向異性對于鉆孔偏離有一定影響。鉆頭沿垂直于巖層方向鉆進時巖石破碎效率最高，平行層理方向效率最低，鉆孔彎曲的強度與巖石各向異性強弱和鉆孔層角大小有關[2]。

1.3 鉆進參數

鉆進參數對鉆孔偏離的影響亦不容忽視，主要的鉆進參數包括鉆進壓力、沖洗液流量等。

實踐證明，在一定鉆進條件下，鉆進壓力與鉆進速度之間存在如圖2所示的關系。在圖2中，在“0”至“2”點之間的區域鉆進速度較小，鉆進壓力較低，對于鉆孔軌跡的偏離沒有太大的影響；“2”點之后的區域鉆進壓力過大，鉆頭還沒有完全切削煤巖便被壓入切削介質中，在給進壓力的擠壓下導致鉆孔與設計軌跡背離，出現偏差。

圖2 鉆進壓力與鉆進速度關系圖

沖洗液流量對于鉆孔彎曲的影響主要表現在鉆進松散易坍塌地層中，選取不恰當的沖洗液或沖洗液流量不合理，導致沖垮孔壁，造成鉆孔超徑，引起鉆孔偏離[3-4]。

1.4 鉆進工藝

鉆進工藝對鉆孔偏離的影響主要體現在孔徑與鉆具之間的間隙。一般來說，鉆進擴孔現象為硬質合金鉆進鉆孔直徑為鉆頭直徑的1.1～1.3倍；金剛石鉆進孔壁間隙最小，在7～8級巖石中間隙為1.0～3.0 mm,11～12級巖石中僅為0.2～0.5 mm；因此，硬質合金鉆進比金剛石鉆進可能引起的鉆孔偏離程度大[5]。

1.5 設備及人員因素

有的鉆進設備導軌磨損嚴重，主軸回轉時擺動過大導致鉆具晃動幅度太大，從而引起鉆孔偏離；有的鉆機設備錨固不穩定或者錨固在不夠堅固的地基上，鉆進過程中由于作用力與反作用力的關系導致設備擺動，從而引起鉆孔偏離；還有的在鉆進開孔時定位不夠準確，從一開始鉆孔就發生了偏離，鉆進深度越深鉆孔偏離越大。

綜上所述，引起鉆孔偏離的因素是多方面的，有的甚至是幾種因素同時作用。國內煤礦曾經發生過因為鉆孔偏離導致煤層瓦斯泄壓不完全引起局部突出事故，雖然沒有造成人員傷亡，但是其破壞程度不容小覷；因此，瓦斯礦井對于鉆孔偏離應引起足夠的重視，并采取有效的方法進行干預。

2 鉆孔偏離對應解決方法

本文針對上述鉆孔偏離原因研究了對應的解決方法。

2.1 鉆具自重

雖然鉆具自重因素是不以人的意志而轉移的，但是實際鉆孔過程中可以采取一定的措施進行補償，減小因鉆具自重而引起的鉆孔偏移。例如，在開孔操作時，適當的增大鉆孔傾角，以補償因鉆具自重下墜引起的鉆孔偏離；也可以在近孔底端設置穩定組合鉆具，使鉆具前端保持上仰態勢，從而對鉆具因重力因素導致的下墜進行一定的抵消。

2.2 地質條件

地質條件對于鉆孔偏離的影響或多或少的存在，對于這類問題可以采取預防、監測以及跟蹤的方法。預防就是采用超聲波雷達進行地質構造超前探測，繪制出地質構造圖。監測就是鉆孔過程中采取類似定向鉆機隨鉆測量系統的設備，在空口防爆計算機上實時顯示鉆孔軌跡各項參數。上述這2個方法成本均比較高，應用也不多。常用的解決這類問題的方法是跟蹤監測，即在鉆具近孔底端加接鉆孔軌跡測量儀，完整記錄整個鉆孔軌跡，鉆孔完成后在電腦上讀取數據，根據偏離程度進行補孔。

YCSZ型鉆孔軌跡測量儀在某礦53011巷6#鉆場1#鉆孔軌跡圖(孔深120 m)如圖3和圖4所示。其工作原理是利用傳感器磁強計和加速度計，將近鉆頭位置的傾角和方位角測量并計算出來，并存儲在探管內；鉆孔完成后將數據取出；最后利用數據處理軟件進行處理顯示。該方法是目前行之有效且成本較低的。

圖3 鉆孔傾角偏離

圖4 鉆孔方位角偏離

2.3 鉆進參數

鉆進參數對鉆孔傾斜的影響主要體現在轉速與鉆壓匹配太差方面，一般來說，鉆速與鉆壓滿足如下公式：

v=K(P-P0)

(1)

式中，v是鉆進速度；K是系數，即圖2中直線Ⅰ的斜率；P是總鉆壓；P0是單位鉆壓，主要取決于巖層性質。其中，總鉆壓P可以采取如下方法進行計算：

P=σSmn

(2)

式中，σ是巖石的抗壓強度；S是切入巖石的面積；m是鉆頭唇面上的合金數；n是加壓系數，取1.15～1.25。合理地鉆進壓力與鉆進速度的匹配可以減小鉆孔偏移的程度。

2.4 鉆進工藝

鉆孔施工時，應咨詢專業的機構，選擇科學的鉆進工藝，嚴格按照規程作業，這樣不但可以消除安全隱患，強化抽放效果，還可以減小鉆孔偏移。

2.5 設備及人員因素

消除設備及人員方面的因素應采用如下方法：1)定期更換設備配件，保證設備良好運行；2)選擇牢固的地基錨固設備，避免設備晃動，班組之間交接時檢查錨固設備，發現松動及時錨固；3)選擇高精度的鉆孔軌跡姿態儀，精確地確定鉆孔的傾角、方位角及面向角，做好開孔消除鉆孔偏移。

3 結語

煤礦井下鉆孔施工時，鉆孔軌跡偏離是個普遍現象，有時受某一個因素影響，有時受好幾個因素共同作用，鉆孔偏離的影響輕則不能達到抽放效果，重則產生鉆孔空白帶，產生消除突出危險死角，在后續作業時有巨大的突出風險，導致安全事故的發生；因此，對于鉆孔偏離應引起足夠的重視，并采取有效的方法進行消除。目前，治理此類問題最普遍的方法是首先要做好各項準備工作，最大限度地將鉆孔軌跡偏移的程度減小；同時，采用鉆孔軌跡測量儀實時或者跟蹤測量鉆孔軌跡，發現有偏離時及時補孔消除空白帶，消除鉆孔軌跡偏離帶來的安全隱患，以實現安全生產。

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

[2] 王扶志，張志強，宋小軍.地質工程鉆探工藝與技術[M].長沙：中南大學出版社，2008.

[3] 姚向榮，朱云輝.煤礦鉆探工藝與安全[M].北京：冶金工業出版社，2012.

[4] 李貞杰，劉衛亮.液壓鉆進效率影響因素探討[M].新技術新工藝，2015(2)：91-92.

[5] 馬鎖柱，張海秋. 鉆探工程技術[M].鄭州：黃河水利出版社，2009.

責任編輯 馬彤

Discussion on the Solution with Borehole Deviation Affecting Factors

FU Shuangling1,2

(1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400039, China; 2.Chongqing Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corporation Co., Ltd., Chongqing 400039, China)

Analyze and study the borehole deviation problem and its influence factors in the coal mine drilling construction. In construction of the coal mine drilling, the borehole trajectory deviation sometimes has a factor influence, but sometimes is by several factors together. The effects of borehole deviation light person can’t reach the drainage effect, or produce blank with drilling in the subsequent operations which have a huge highlight the risks and lead to safety accident. Through the proper solution, avoid the potential safety hazard of the borehole deviation, and supply the positive reference value for the coal mine safety production. This solution has the strong adaptability, at the same time has the certain model function to the geological drilling.

borehole deviation, borehole trajectory, geological conditions

TD 41

A

傅雙玲(1981-),女，工程師，大學本科，主要從事礦用鉆機研究及推廣等方面的研究。

2016-09-06