瓦斯抽采鉆孔偏移規律及糾偏措施研究與應用

李立華

（平頂山天安煤業股份有限公司勘探工程處，河南省平頂山市，467000）

鉆孔抽采瓦斯是治理煤層瓦斯的主要技術措施，一方面可以降低瓦斯壓力和煤層地應力，起到卸壓防突的效果，另一方面也可以將抽采出的高濃度瓦斯作為能源利用，保護環境，起到一舉多得的效果［1］。但是，在實際生產過程中，瓦斯抽采鉆孔會發生偏移的現象，導致鉆孔無法打到設計位置，產生抽采空白帶，不能有效起到煤層泄壓和抽采煤層瓦斯的作用，給煤層開采留下巨大隱患［2-4］。平頂山礦區煤層瓦斯含量東高西低，己組和戊組較丁組和庚組高［5］。因此，為確保瓦斯抽采效果，減少鉆孔偏移，本文以現場鉆孔軌跡測量的實際數據為依據，分析鉆孔偏移規律和鉆孔偏移的原因，并提出針對性的糾偏措施，研究結論可以提高瓦斯抽采鉆孔質量，保障煤礦安全生產。

1 鉆孔軌跡儀的應用

1.1 鉆孔軌跡儀選取

本文所選用的礦用鉆孔軌跡儀由鉆孔軌跡儀探管和顯示控制器兩部分組成［6］。在鉆孔施工過程中，將探管安裝在鉆頭后的無磁鉆桿中，通過探管測量并記錄下鉆孔鉆進的傾角、方位角，這些數據會在鉆孔外的顯示控制器上顯示并保存，成孔后通過內置計算程序繪制出鉆孔的三維軌跡圖，通過和設計的鉆孔軌跡圖比較即可得知鉆孔偏移規律。

1.2 鉆孔軌跡繪制原理

鉆孔軌跡儀繪制鉆孔軌跡的原理是首先設定開孔位置的傾角和方位角，然后測量鉆孔某測點的孔深、傾角、方位角等數據，通過計算得出測點的位置，依此類推，得到數個從孔口到孔底的測點位置，彼此連接即為鉆孔軌跡。

假設鉆孔軌跡為一斜直線，坐標系的原點為孔口，X軸取正北方向，Y軸取正東方向，Z軸取垂直向下。根據鉆孔各個深度上（即測點）的頂角和方位角，軌跡上的空間坐標如圖1所示，計算如式（1）所示。

圖1 鉆孔軌跡示意圖

式中：x0，y0，z0——孔口坐標；

xA，yA，zA——鉆孔軸線上A的坐標；

θ——開孔頂角；

α——開孔方位角；

LA——孔口至測點鉆孔軸線的長度。

2 鉆孔偏移規律分析

利用鉆孔軌跡儀對平頂山礦區不同礦井進行鉆孔軌跡測量，主要針對順層鉆孔、穿層鉆孔進行測量，本文考察統計測量鉆孔2635個，其中順層鉆孔1370個（上行孔853個、下行孔517個），穿層鉆孔1265個（上行孔822個、下行孔443個）。

2.1 順層鉆孔測斜

2.1.1 順層上行鉆孔測斜

在總計測量853個順層上行鉆孔中，上偏鉆孔650個，概率為76.2%；下偏鉆孔181個，概率為21.2%；在垂直方向上出現重合的鉆孔22個，概率為2.6%；左偏鉆孔291個，概率為34.1%；右偏鉆孔555個，概率為65.1%；在水平方向上出現重合的鉆孔7個，概率為0.8%。從順層上行鉆孔偏移規律可以看出，順層上行鉆孔上偏的概率大于下偏的概率，左偏的概率小于右偏的概率，軌跡重合的概率較小（鉆孔孔深，容易發生偏移）。

2.1.2 順層下行鉆孔測斜

在總計測量517個順層下行鉆孔中，上偏鉆孔157個，概率為30.3%；下偏鉆孔350個，概率為67.7%；在垂直方向上出現重合的鉆孔10個，概率為2%；左偏鉆孔136個，概率為26.3%；右偏鉆孔377個，概率為72.9%；在水平方向上出現重合的鉆孔4個，概率為0.8%。從順層下行鉆孔偏移規律可以看出，順層鉆孔下行孔上偏的概率小于下偏的概率，左偏的概率小于右偏的概率，軌跡重合的概率較小（鉆孔孔深，容易發生偏移）。

2.2 穿層鉆孔測斜

2.2.1 穿層上行鉆孔（低位巷）測斜

在總計測量822個穿層上行鉆孔中，上偏鉆孔414個，概率為50.4%；下偏鉆孔285個，概率為34.7%；在垂直方向上出現重合的鉆孔123個，概率為14.9%；左偏鉆孔267個，概率為32.5%；右偏鉆孔458個，概率為55.7%；在水平方向上出現重合的鉆孔97個，概率為11.8%。從穿層上行鉆孔偏移規律可以看出，穿層鉆孔上行孔上偏的概率大于下偏的概率，左偏的概率小于右偏的概率，軌跡重合的概率占一定比例（鉆孔孔淺，不易發生偏移）。

2.2.2 穿層下行鉆孔（高位巷）測斜

在總計測量443個穿層下行鉆孔中，上偏鉆孔112個，概率為25.2%；下偏鉆孔284個，概率為64.1%；在垂直方向上出現重合的鉆孔47個，概率為10.7%；左偏鉆孔224個，概率為50.6%；右偏鉆孔213個，概率為48.1%；在水平方向上出現重合的鉆孔6個，概率為1.3%。從穿層下行鉆孔偏移規律可以看出，穿層鉆孔下行孔上偏的概率小于下偏的概率，左偏的概率與右偏的概率基本一致，軌跡重合的概率較小。

3 鉆孔糾偏及效果分析

根據瓦斯抽采鉆孔軌跡儀得到的鉆孔偏移規律，分析造成鉆孔偏移的原因是多方面的，總體來說大致可分為地質、技術和工藝因素3類［7］。由于影響鉆孔偏移的原因是多方面的，因此所采用的糾偏措施也是綜合的。

本文重點對角度對沖法糾偏措施及其效果進行考察，即根據鉆孔偏移的規律，對應調整鉆孔設計角度和開孔角度，以期實現角度對沖相消，減少偏移量的目的。

（1）在首山一礦己15-17-12100機巷施工順層試驗鉆孔，鉆孔軌跡規律如下：

221#下行鉆孔設計角度-11°，鉆孔施工后由鉆孔軌跡儀得知實際軌跡終孔位置相對設計下偏1.7 m。采取對沖后角度上調1°，即在鉆孔設計角度-11°時，按照開孔角度-10°施工，根據鉆孔軌跡儀繪制的糾偏后實際軌跡和理論軌跡基本重合，終孔位置相對設計下偏0.105 m。221#下行鉆孔垂直方向偏移軌跡如圖2所示。

圖2 221#下行鉆孔垂直方向偏移軌跡圖

296#下行鉆孔設計角度-11°，實際軌跡下偏1.5 m。采取對沖后角度上調1°，即在鉆孔設計角度-11°時，按照開孔角度-10°施工，296#下行鉆孔垂直方向偏移軌跡如圖3所示。由圖3可以看出，糾偏后實際軌跡和理論軌跡的終孔位置基本重合，偏移量基本為零。

圖3 296#下行鉆孔垂直方向偏移軌跡圖

（2）在十礦己15-16-24100機巷施工順層試驗鉆孔，測量規律如下：

測7組1#上行鉆孔設計開孔角度9°，根據鉆孔軌跡儀得知實際軌跡上偏0.9 m。采取對沖后角度下調3°，即在鉆孔設計角度9°時，按照開孔角度6°施工，根據鉆孔軌跡儀得知糾偏后鉆孔實際軌跡終孔位置和理論軌跡終孔位置基本重合。測7組1#上行鉆孔垂直方向偏移軌跡如圖4所示。

測2組1#上行孔鉆孔設計開孔角度9°，根據鉆孔軌跡儀得知實際軌跡上偏1.4 m。采取對沖后角度下調3°，即在鉆孔設計角度9°時，按照開孔角度6°施工。測2組1#上行鉆孔垂直方向偏移軌跡如圖5所示。根據鉆孔軌跡儀得知糾偏后實際軌跡鉆孔終孔位置和理論軌跡終孔位置偏差0.016 m。

圖4 測7組1#上行鉆孔垂直方向偏移軌跡圖

圖5 測2組1#上行鉆孔垂直方向偏移軌跡圖

4 結論

（1）利用礦用鉆孔軌跡儀對平頂山礦區不同礦井的2635個不同類型的鉆孔進行軌跡測量得到總體偏移規律為：上行孔在垂直方向上易發生上偏，下行孔易發生下偏；順層鉆孔在水平方向上易發生右偏；穿層鉆孔上行孔易發生右偏，下行孔左右偏概率相近。

（2）根據鉆孔偏移方向和偏移角度，采用角度對沖法對鉆孔糾偏。現場試驗結果表明采用角度對沖法有效地減少了鉆孔軌跡終孔位置和設計終孔位置的偏移量，提高了煤層瓦斯抽采質量，保障了煤礦安全生產。

（3）鉆孔偏移的原因是多方面的，因而鉆孔的糾偏措施也是綜合的。要想實現良好的糾偏效果和瓦斯治理效果，考察和應用更加合理的糾偏措施還需要進一步的探索。