定向鉆進技術在1930煤礦疏放水中的應用

韓 磊，莫海濤，郝世俊

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077）

煤礦井下千米定向鉆機利用螺桿馬達作為孔底動力機具，依靠隨鉆測量系統，運用鉆孔軌跡設計與控制理論，實現井下近水平長鉆孔定向鉆進。配套裝備主要包括履帶式定向鉆機、螺桿鉆具以及隨鉆測量系統；已經廣泛運用于煤礦井下瓦斯抽采、地質探測、底板注漿加固、巷道防滅火、搶險堵水等領域，現使用煤礦井下定向鉆機進行工作面、巷道疏放水。

1 礦區概況

1930煤礦改擴建礦井井田地處新疆天山山脈，位于烏魯木齊市以南的艾維爾溝礦區的中東部，距烏魯木齊市130km。1930平硐設計生產能力為90×104t/a，采用平硐、單翼、暗斜井、集中運輸石門開拓方式，開采方式為單翼采區后退式綜合機械化開采采煤方法，掘進采用綜采、炮掘的開拓方式。主要開采煤層為4#、5#、6#、7#煤層。可采平均總厚度為26.91m，礦井煤層為單斜構造，走向近東西，傾向南，傾角東緩西陡，煤層傾角17°～25°。

2014年8月15日，1930煤礦二采區因+1870m水平5#煤層自燃發火封閉，隨后二采區排水系統停止使用。2014年9月12日，二采區積水線上升至三采區6#主運輸大巷+1800m水平5-4#運輸石門位置，三采區臨時排水系統開始運轉。二采區封閉后近一年半，巷道積水水位上升至二、三采區+1811m水平，使得二采區+1811m水平以下工作面、巷道積水。礦方組織安排常規鉆孔施工，施工30個孔，歷時2個月未能鉆進至目標巷道。按照1930煤礦生產接續計劃，為確保二采區縮封工作順利實現，最大限度減小采區積水對縮封工作的影響，現計劃從改擴建+1710m運輸石門與+1690m消突巷交岔口處使用西安院研制的ZDY6000LD煤礦井下定向鉆機對二采區積水進行探查排放。

2 施工目的

通過在1930煤礦+1710m水平5#煤層底板施工定向疏放水鉆孔，使得二采區+1811m水平以下工作面、巷道積水順利排出，為后續煤礦生產接續提供保障。

3 定向鉆進定義與鉆進工藝

煤礦井下對定向鉆進技術的定義：是指利用鉆孔自然彎曲規律或采用專用工具使近水平鉆孔軌跡按設計要求延伸鉆進至預定目標的一種鉆探方法，即有目的地將鉆孔軸線由彎變直或由直變彎[1-2]。

與常規鉆孔的區別：定向鉆孔設計有特殊的軌跡，鉆進中必須研究和利用地層自然彎曲規律、鉆孔控制理論或人工造斜工具控制鉆孔軌跡，最終鉆達預定目標要求。定向鉆進工藝流程如圖1所示。

4 疏放水定向鉆孔設計

疏放水鉆孔暫設計定向鉆孔3個，分別計孔號F1、F2、F3鉆孔總共工程量802m。鉆孔平面軌跡示意圖如圖2所示，鉆孔主要參數見表1。

5 設備機具

為保證現場試驗的順利進行，按照需要的鉆進工藝配套并使用了定向鉆進設備如圖3所示。

圖1 定向鉆進工藝流程

5.1 定向鉆機

圖2 疏放水鉆孔軌跡設計示意圖

為了滿足煤礦井下本煤層定向鉆孔及大直徑頂底板定向長鉆孔施工需要，西安研究院研制了ZDY6000LD型大功率定向鉆機以及配套機具，施工用ZDY6000LD型鉆機鉆孔傾角調整范圍-10°～20°，最大回轉扭矩6000～1600N·m。具有搬遷方便、轉速調節范圍寬、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、探放水孔、注水孔等。

5.2 隨鉆測量系統

YHD2-1000（A）型隨鉆測量系統可實時監測定向鉆孔軌跡主要參數，并能動態輸出鉆孔參數、軌跡。系統的連接示意圖如圖4所示[3-4]。

表1 疏放水鉆孔主要參數表

6 施工用鉆具組合

6.1 主孔施工用鉆具組合

主孔為兩級孔身結構，一級孔身結構主要目的為下入套管；二級孔身結構主要是沿著目標巷道靶點定向鉆進。

一級孔身結構施工用鉆具組合依次為：

開孔：?98mmPDC鉆頭+?73mm普通鉆桿串，鉆進至孔深20m；

一級擴孔：?98mm/?153mmPDC鉆頭+?73mm普通鉆桿串；

孔口管下深，?127mm套管×8mm，下深12m，固孔水泥返漿至孔口。

二級孔身結構施工用鉆具組合為：

圖3 定向鉆進設備

圖4 YHD1-1000（A）隨鉆測量系統連接示意圖

定向鉆進：?98mmPDC鉆頭+?73mm孔底馬達+隨鉆測量儀器+?73mm上無磁鉆桿+?73mm通纜鉆桿串。

6.2 分支孔施工用鉆具組合

分支孔采用懸空側鉆的方法，以前進式或后退式2種工藝成孔，其鉆頭外徑與主孔二級孔徑一致，所用鉆具組合為：

開分支/定向鉆進：?98mmPDC鉆頭+?73mm孔底馬達+隨鉆測量儀器+?73mm上無磁鉆桿+?73mm通纜鉆桿串。

開分支亦采用定向鉆進的工藝方法，在實鉆過程中，由于設計變更、地質資料不準確及地層坍塌等原因，需要進行開分支鉆進，本次放水孔如若透巷不成功也要進行相應的開分支孔鉆進。在礦山井下定向鉆眾多開分支工藝上，目前采用懸空側鉆開分支的方法是使用最多的一種工藝方法，該方法通過調整孔底馬達彎頭朝向，通過控制鉆壓、排量等工藝參數，根據鉆頭處鉆壓情況、孔口返渣及實鉆參數測定來確定分支是否成功開出。

7 鉆孔施工

截至目前，本項目共施工3個定向鉆孔。F1孔、F2孔、F3孔2016年11月7日開鉆，2016年11月21日終孔；施工周期15d。施工地點位于+1710m水平運輸石門與1690水平消突巷岔口處。F1孔累計鉆孔工程量為252m；F2孔累計鉆孔工程量330m；F3孔累計鉆孔工程量為255m；總工程量837m。鉆孔參數詳見表2，鉆孔平面軌跡示意圖見圖5。

表2 定向鉆孔基本情況一覽表

圖5 定向鉆孔實鉆軌跡示意圖

8 結論

（1）本次鉆探工程施工過程中，F2-1孔由于靶點較小，鉆探垂高達到設計要求，但是因為方位誤差沒有在巷幫透巷，退鉆開分支，繼續沿著與鉆探方向垂直巷道方向定向鉆進，精準透巷，因此疏放水鉆孔垂直巷道透巷比平行巷道透巷難度相對較低，透巷精確度較高。

（2）1710水平3個定向鉆孔經過半年疏排水，使得二采區+1811m水平以下工作面、巷道積水得到緩解。F1號孔最大出水量在70m3/h左右，F2號孔最大出水量在156m3/h左右，F3鉆孔最大出水量100m3/h，出水量穩定，日疏放水量在7000m3左右，滿足礦方的要求；同時本次施工工期短、效率高，為1930煤礦生產得到接續，確保了二采區縮封工作順利實現，最大限度減小采區積水對縮封工作的影響；截至2018年2月初，3個定向疏放水鉆孔仍在高效使用。

參考文獻：

[1] 趙永哲.煤礦井下近水平定向孔螺桿鉆具鉆進受控機理研究[D].煤炭科學研究總院西安研究院，2008.

[2] 孫榮軍.煤礦井下隨鉆測量技術及鉆孔軌跡數據處理方法研究[D].煤炭科學研究總院西安研究院，2009.

[3] 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.

[4] 陸軍，熊克劍.近水平千米定向鉆機在礦井瓦斯抽采中的應用[J].煤炭科學技術，2011(12)：92-95.