瓦斯抽采作業鉆孔偏移規律分析及糾偏措施研究

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（晉能控股煤業集團寺河礦 山西 048200）

鉆井瓦斯抽采是控制煤層瓦斯濃度的關鍵舉措之一。一方面，該舉措可以改變井下瓦斯壓力和煤層的原地應力，從而可以緩解壓力并防止突出。另一方面，也可以將提取的高濃度氣體看作是能源材料，保護環境，發揮多種效果。但是，在實際生產過程中，瓦斯抽放井眼很容易就會產生錯位，導致鉆孔無法到達設計位置，形成了抽采空白區，不能有效起到煤層泄壓與抽采瓦斯的作用。無形中就會給煤礦開采埋下了危險因素。為了實現良好的瓦斯抽取，盡量避免鉆孔過程中發生偏移，本研究根據現場鉆孔軌跡測量的具體數值進行研究分析，探究出了造成這一偏差的原因以及偏差發生的概率和偏差軌跡，并針對具體原因分析出了糾正措施和研究結論，可以提高瓦斯抽放鉆孔的質量，確保煤礦的安全生產。

1.鉆孔軌跡儀的引入

（1）選取儀器。本文使用的研究鉆孔軌跡的實驗儀器主要由兩部分組成：軌跡探測管道和顯示控制器。在鉆孔過程中，必須要將軌跡探測管道設置在鉆頭后面的非磁性鉆管中，它的作用主要是用來測量鉆孔過程中一些角度信息并記錄下來，然后將這些數據通過內部連接傳送到顯示控制器上以供觀看，同時保存成為文本。鉆孔成功后，機器內置的計算程序會對鉆孔的軌跡進行捕捉并根據測得的數據而繪制成三維的圖像，并通過與設計的軌跡進行比較，分析形成鉆孔偏移的規律。

（2）鉆孔軌跡繪制原理。繪制鉆井軌跡的實際運行原理是，首先設置開口位置的傾角和方位角，然后測量即將鉆孔的深度，傾角，方位角等測量點的數據，并計算出測量點的位置。類似地，通過推演獲得了多個測量點的具體位置，并且將所得到的位置點進行連接得到鉆孔軌跡。

下面就對這一過程進行演繹，假設軌跡為一條斜線，孔開口處就是原點的位置，X軸朝北面，Y軸朝著東邊，Z軸垂直于X軸和Y軸且向下。將所有測得的點的數據在這個空間坐標軸里面呈現出來，得到的軌跡圖如圖1所示，并根據計算公式進行計算推導。

圖1 鉆孔軌跡示意圖

式中：x0，y0，z0—孔口原點位置處；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

上述提及到的儀器可以用于測量山西某礦區不同礦井的鉆孔井眼軌跡，主要用于測量順層和跨層的鉆孔情況。本文對1000個鉆孔進行了調查和計數，其中包括537個順層鉆孔（359個上升鉆孔，178個向下的孔），463個貫穿層鉆孔（307個向上的孔，156個向下的孔）。

(1)順層鉆孔側斜

①順層上行鉆孔測斜。在鉆孔方向向上的共計359個順層鉆孔中，有240個向上偏斜鉆孔，發生率為66.9%；119個向下偏斜的鉆孔，可能性為33.1%；在垂直方向上有大概7個鉆孔會發生重合，發生的概率為1.9%；鉆孔位置往左側偏的有88個孔，概率為24.6%；方向往右偏的有262個孔，概率為73.0%；另外還有3個孔在水平方向上有重疊的跡象，這種情況發生的概率為0.8%。從沿層向上鉆進的運移規律可以看出，向上鉆進的過程中向上偏移概率大于向下偏移的概率，向左偏移的概率小于向右偏移的概率，另外可以看出軌跡重合的可能性很小。

②順層下行鉆孔測斜。在上述說明過的178個向下鉆孔的順層鉆孔中，有58個向上偏斜鉆孔，發生率為32.6%；120個向下偏斜的孔，可能性為67.4%；在垂直方向上有5個重疊的孔，概率為2.8%。有稍微往左側發生偏移的有46個鉆孔，概率為33.7%；右邊發生偏移的有123個鉆孔，發生偏移概率為69.1%；在水平方向上重疊的2個鉆孔，出現的可能性接近1%。從順層向下鉆孔的運移規律可以看出，分層鉆探的向下鉆孔向上偏移的概率小于向下偏移的概率，左向偏移的概率小于向下偏移的概率，根據偏差發生的可能性的分析結果來看，軌跡重合的可能性很小。

(2)貫穿層鉆孔側斜

①貫穿層上行鉆孔測斜。在測得的307個貫穿層向上孔中，有159個向上偏斜孔，發生的概率為51.8%。115個向下偏斜的鉆孔，可能性為37.5%；在垂直方向上有46個重合的孔。發生的機率是15.1%；往左側偏移鉆了111個孔，概率為31.6%；右邊偏移的情況下鉆了173個孔，概率為56.2%；水平方向上重疊32個孔，概率為10.3%。從上升鉆孔的遷移規律可以看出，鉆孔的上升鉆孔向上偏移，向左偏轉的可能性小于向右偏轉的可能性，軌跡重合的可能性也在一定程度上占百分比。

②穿層下行鉆孔（高位巷）測斜。在測得的整個貫穿層中的156個向下鉆孔中，有38個向上偏移鉆孔，發生概率為24.3%。向下偏斜的孔有99個，概率為63.7%；垂直方向有17個重合的鉆孔，可能會發生的概率為11.2%；左側偏移的情況下鉆了81個孔，該結果發生的概率為51.8%；右側偏移的情況下鉆了72個孔，發生概率為46.3%。水平方向上有2個孔重合，概率為1.5%。從向下鉆孔的遷移規律可以看出，這些鉆孔具有向上偏移的可能性比向下偏移的可能性低。左偏的概率與右偏的概率基本相同，軌跡重疊的可能性很小。

3.鉆孔糾偏及效果分析

利用軌跡儀得到了鉆孔過程中存在的一些基本規律，對鉆孔容易發生偏移的原因進行分析發現，造成這一現象的原因很多，大致可以分為三類：地質因素，技術因素和工藝因素。因此不能只采取單一的糾偏措施，必須要綜合考慮多個方面。本文著重研究角度對沖方法的矯正措施及其效果，即根據鉆進偏移規律，相應地調整鉆進設計角度和張開角度，以達到消除和減少角度偏移的實際效果。

（1）在15-17-12100機巷中，構造了層理測試鉆孔過程，發現有如下規律：221#下鉆的設計角度為-11°。鉆孔后，實際軌跡端孔位置比設計低了近2m，差距非常大。角度對沖法進行調整，即角度增加1°，當鉆孔設計角度為-11°時，按照-10°的張角進行鉆孔作業。鉆井軌跡畫出的實際軌跡與校正后的理論軌跡實現了非常理想的吻合，最終孔位置相對設計的偏差量在10mm左右。垂直方向221#向下鉆進的軌跡如圖2所示。

圖2 221#下行鉆孔垂直方向偏移軌跡圖

296#向下鉆進設計角度為-11°，在鉆進過程中的真實軌跡對比發現往下偏移了一米五的量。運用角度對沖法，即在實際鉆進過程中角度增加1°，即當鉆孔設計角度為-11°時，按照-10°的張角進行鉆孔作業。296#向下鉆進的垂直偏移軌跡見下圖3。對其軌跡圖進行分析發現，校正后的實際軌跡和理論軌跡的最終孔位置很大程度上實現了重合，偏移的距離幾乎可以忽略。

圖3 296#下行鉆孔垂直方向偏移軌跡圖

（2）在己15-16-24100機巷施工順層試驗鉆孔，測量規律如下：設計開口角度為9°的七組1#上行鉆孔過程中。根據專門的軌跡測量儀進行測量發現，實際軌跡偏移量竟然高達一米。采用角度減小3°的方式再次嘗試鉆孔，即當鉆孔設計角度為9°時，實際打開角度為6°，根據鉆孔軌跡的跟蹤發現，實際鉆孔位置與設計的理想位置在很大程度上保持一致。

4.結論

（1）本研究中選用新型的測量儀來測量礦區不同礦井中近一千種不同鉆孔軌跡，通過對這一千種結果進行分析，發現了一個有趣的規律：往上的孔在垂直方向上傾向于向上偏移，往下鉆的孔在向下方向上傾向于向下偏移；順層鉆孔常見的偏移類型是沿著水平方向向右偏移；貫穿層鉆探的向上孔傾向于向右偏移，向下方向的孔的可能性相似。（2）另外本研究中還提及到了一種較為常用的方法：角度對沖法對鉆進偏斜進行校正。通過在實際應用中加以運用發現，角度對沖法對于鉆孔過程中的偏移量可以進行有效的控制，使之限定在合理范圍之內，提高了煤層瓦斯抽放質量，確保了煤礦井下的作業安全保障。（3）事實上導致鉆孔偏差的原因很多，因此在實際鉆孔過程中可以采取多種措施來進行糾偏。但是為了達到良好的改正效果和氣控效果，還有待于進一步探索，研究和采用更合理的改正措施。