定向鉆進技術在煤礦地質勘查中的應用

解國強

(國能神東煤炭集團有限責任公司地測公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

定向鉆進技術主要是螺桿鉆具與隨鉆測量系統(MWD技術)配合使用，通過實時監測鉆頭空間姿態，精確控制鉆孔軌跡，通過調整螺桿馬達(造斜工具)的工具面向角或彎頭朝向，可實現鉆孔彎曲變化，實現一個主孔，多分支孔的鉆進工藝；通過實時監控可隨時調整鉆孔軌跡，提高目標精度；通過不斷升級改造鉆探設備，可以不斷增加鉆進有效距離長度、提高鉆進效率等。

1 探放水工程

定向鉆進有效距離長，行進軌跡可以控制，可以多開分支孔，2018—2021年在錦界煤礦四盤區工作面31409～31412切眼處探放水工程的應用，目的是探放工作面切眼處煤層中的裂隙水，消除工作面接續巷掘進期間水害隱患，截留側向補給水源，需施工水平探放水鉆孔，鉆孔深度一般大于切眼的長度，約350 m。

1.1 工作面概況

四盤區布置的工作面3-1號煤層由南向北、由西向東有尖滅趨勢，煤層厚度變化大，存在無煤區，煤厚0.3～3.38 m，平均2.97 m，3-1號煤層是錦界煤礦主采煤層之一，也是煤礦現階段開采的唯一煤層，屬中厚煤層。且設計工作面切眼附近3-1號煤層上覆基巖薄，存在無正常基巖區域。礦方在掘進31407回順109聯巷時，發生漏頂，水量達到160 m3/h，主要原因是此處沒有正常基巖，巷道頂板的松散層含水層和風化基巖含水層的水直接進入巷道。四盤區設計工作面切眼處沙層厚5.6～23.2 m，土層厚25.14～81.41 m，風化基巖厚3.6～12.59 m，3-1號煤層正常基巖厚0～12.32 m。總體上，切眼處松散層厚，上覆基巖薄，上覆正常基巖厚度一般小于5 m，且3-1號煤層正常基巖厚度一般小于風化基巖。 常規回轉鉆進工藝受鉆頭自重及施工距離影響，無法保證鉆頭一直在煤層中行進，難以對煤層裂隙水進行有效疏放，因此，施工采用定向鉆進工藝。施工鉆機型號ZDY6000LD、ZDY12000LD。

1.2 31409工作面切眼處施工探放水鉆孔設計與施工

鉆孔設計：31409工作面切眼處施工探放水鉆孔，鉆孔布置在31409回順76聯巷處，從距離底板約1.5 m的煤幫上開孔，垂直向31409工作面內施工，鉆孔設計軌跡在煤層中，煤層的底板標高約1 160 m，頂板標高1 163 m。設計F1探孔深度均為650 m，方位角180.5°，仰角2°，施工前進行封孔，封孔管長度不小于5 m，每100 m開一個支孔，100～300 m向施工方向左側開支孔，施工至400 m位置時向左右2個方向開支孔，每個支孔施工50 m。先打主孔，后退式開分支。

施工工藝：施工中用φ153 mm孔徑擴孔至孔深6 m，下φ133 mm的護管6 m，護管和孔壁之間用封孔液和麻封閉，孔口安裝閘閥，然后用φ96 mm孔徑施工至終孔。F1孔在煤層中施工至孔深342 m時見巖，353 m處鉆頭向前推進壓力變小，推進了6 m，軌跡標高1 163.51 m。同時孔口出水量由4 m3/h增加到15 m3/h，判斷可能遇到了較大的含水裂隙，為了施工的安全，決定終孔。在煤幫上重新開孔F2號孔，F2孔在煤層中施工至孔深305 m時見灰色泥巖，軌跡標高1 162 m，判斷遇到了3-1號煤層頂板，軌跡向下做了調整，鉆至孔深342 m處還是灰色泥巖，孔口出水量4 m3/h。判斷此處煤層變薄，因為軌跡距離3-1號煤層可采邊界線較近。在主孔的312 m處開1號分支，軌跡逐步向下向左找煤，遠離3-1號煤層可采邊界線，軌跡在灰白色砂巖里行進，24 m時見灰黃色砂巖，42 m處仍為灰黃色砂巖，同時孔口出水量由7 m3/h增加到13 m3/h，判斷軌跡在3-1號煤層頂板的風化砂巖含水層里面，標高1 161 m，判斷此處煤層變薄，改變軌跡找煤比較困難，決定終孔。在主孔的258 m處煤層中開2號分支，軌跡逐步向下向左，遠離1號分支。軌跡行進10 m見巖，軌跡開始向下行進30 m然后慢慢挑起，行進至42 m見煤，68 m見巖，軌跡標高逐步升高，軌跡至132 m沒有找到煤，出水量15 m3/h，終孔。在2號分支的306 m處煤層中開3號分支，軌跡逐步向下向左，遠離2號分支。軌跡行進了16 m見巖石，標高1 163 m，軌跡一直在巖石中行進，42 m處鉆頭向前推進壓力變小，推進了5 m，標高1 163.70 m。判斷可能遇到了較大的裂隙，為了施工的安全性，決定終孔，孔口出水量15 m3/h。為了更好地達到煤層探放水的目的，決定回撤到主孔的192 m和108 m時分別開分支4號和5號。4號分支行進了17 m見巖石，調整軌跡，標高逐步升高，56 m處見煤層，行進到120 m見灰黃色砂巖，判斷進到煤層頂板，132 m終孔；5號分支煤層中行進了107 m見灰黃色砂巖，120 m終孔，孔口出水量10 m3/h。鉆孔施工軌跡如圖1所示。

圖1 錦界煤礦31409切眼處施工探放水鉆孔成果Fig.1 Drilling holes for water detection and water release at the 31409 incision in Jinjie Coal Mine

應用效果：達到疏放煤層中裂隙水的目的，此處煤層厚度變化情況基本探明，保證了31409工作面切眼處巷道的安全施工，為切眼布置提供地質依據。

1.3 31410工作面切眼處施工探放水鉆孔設計與施工

鉆孔設計：本次施工鉆孔主要對31410切眼外側煤層、上覆基巖實施超前探放水，煤層的底板標高約1 160 m，底板標高1 164 m。鉆孔設計主孔1個，分支孔7個，鉆孔首先施工主孔，按照設計在主孔預留分支點，主孔施工至426 m終孔，隨后后退式施工分支孔。

施工工藝：鉆孔在煤層中施工至孔深265 m時見巖，灰色砂質泥巖，軌跡標高1 164.68 m，施工至345 m處準備撤出開分支。鉆具起拔拉力達到設備規定上限，不動，然后采取旋轉鉆具、開泵沖孔等措施，拔出鉆具147 m，發現鉆具折斷。鉆孔出水達到80 m3/h。

事故處理：①用鉆孔窺視儀器探測魚頭，儀器在孔內120 m左右受阻，觀測孔內全部為灰白色泥巖，儀器攝像頭被泥砂遮擋，無法繼續。②采用常規φ73 mm鉆桿捅孔、洗孔，下鉆具153.75 m受阻，未碰見魚頭。③采用常規通纜φ73 mm鉆桿定向洗孔，下鉆具148.55 m受阻，未碰見魚頭。④常規φ73 mm鉆桿帶絲錐探測魚頭，下鉆具帶絲錐至148.89 mm受阻，未碰見魚頭。⑤采用常規通纜φ127 mm套洗鉆具，擴孔套取，擴孔套取鉆進169.36 m，未套住魚頭，撤鉆后發現取到煤芯，返出大量塊狀泥巖，經研判，套取過程鉆具發生偏斜。這次事故損失了無磁鉆桿1根、測量探管1根、螺桿馬達1根、鉆頭、140 m通纜鉆桿。

事故原因：鉆孔頂底板巖性均為泥巖、砂質泥巖，施工中鉆孔出水量逐漸增大，鉆桿在泥巖段中，因泥巖遇水軟化，垮落、縮徑，造成卡鉆。

處理措施：重新設計31410工作面切眼處探放水鉆孔軌跡，吸取事故教訓，只施工主孔，不開分支，遇到巖石就撤出，軌跡嚴格在設計的煤層頂底板之間行進，施工中因煤層底板起伏較小，煤層厚度變化也較小，順利完成4個鉆孔，每個鉆孔孔深300 m左右，達到設計目的。31411工作面切眼處施工探放水鉆孔采取同樣的軌跡設計，鉆孔施工軌跡如圖2所示。

圖2 錦界煤礦31410切眼處施工探放水鉆孔Fig.2 Drilling hole for water detection and water release at 31410 incision in Jinjie Coal Mine

1.4 31412工作面切眼處施工探放水鉆孔設計與施工

鉆孔設計：本次施工鉆孔主要對31412切眼外側煤層、上覆基巖實施超前探放水，煤層的底板標高約1 155 m，底板標高1 161 m。鉆孔設計主孔1個，分支孔3個，鉆孔首先施工主孔，按照設計在主孔預留分支點，主孔施工至713 m終孔，隨后后退式施工分支孔。

施工工藝：施工鉆機型號為ZDY12000LD。先施工F1-3，施工至孔深271 m時進入煤層頂板遇到破碎巖石撤出，在210 m處開分支，終孔深度為763 m，方位角191°，段長553 m。F1-2孔在主孔138 m處開分支，終孔深度為696 m，方位角167.60°，段長558 m。F1-1在主孔108 m處開分支，終孔深度為696 m，方位角157.90°，段長588 m。鉆孔出水達到116 m3/h。鉆孔施工軌跡如圖3所示。

圖3 錦界煤礦31412切眼處施工探放水鉆孔Fig.3 Drilling hole for water detection and water release at 31412 incision in Jinjie Coal Mine

應用效果分析：施工區域煤層底板后半段逐步抬高，煤層厚度穩定，根據區域煤層底板數據，先畫出底板等高線，鉆孔軌跡根據底板等高線的趨勢設計，施工順利，軌跡基本在煤層中行進，達到疏放煤層中裂隙水的目的。這次探放水工程孔段長，2個采掘計劃工作面的切眼處的煤層裂隙水都能提前疏放，效率高，效果好。

2 探斷層工程

地面實施鉆探探查斷層產狀，因穿過復雜地層或采空區造成費用高、工程量大、效率較低。一旦井下具備定向鉆實施條件會明顯提高探查效率，工程費用相對減少。采用定向鉆進工藝，在井下施工長距離、一個主孔多分支定向鉆孔，采用前進式探測頂板、后退式探測底板或兩者結合的形式，可實現對斷層延展、落差及斷盤兩側煤層起伏變化的探測，大大提高鉆進效率，為安全生產提供地質依據。

2.1 工作面概況

石圪臺煤礦31306工作面4 443 m×265 m(長×寬)，回采3-1號煤層，煤層結構簡單，厚度約3.4 m。在回采至距切眼 207 m時揭露2個正斷層，走向基本和切眼垂直，斷層間距約50 m，形成地塹，斷層中間割的是巖石，斷層落差2～5 m。為查明斷層展布情況，為生產提供地質依據，決定實施井下鉆探進行探查。

2.2 鉆孔設計與施工

根據斷層的特點，設計在31305輔運72聯巷開孔(距切眼704 m)，垂直工作面，在煤層中向前施工(煤層底板標高1 150 m，頂板標高1 154 m)，遇到斷層上盤巖石則向下探測上盤煤層，探到煤層后撤回開分支向前探測，穿過地塹探測另一斷層的下盤煤層。實際施工過程中，根據鉆孔內返出的巖屑判斷是煤層的頂板或者是煤層的底板，做出軌跡調整。主孔軌跡施工至36 m處遇到巖石，判斷是頂板，調整軌跡下探，97 m見煤，100 m見巖，在巖石中鉆進至138 m判斷斷層不明確，撤回開分支1。分支1軌跡在主孔下部煤層中鉆進，114 m見巖，一直在巖石中鉆進至156 m判斷斷層不明確撤回開分支2。分支2的軌跡在分支1的下部，93 m見巖石，判斷煤層底板，調整軌跡向上鉆進，103 m見煤，繼續向前鉆進，130 m見巖，191.5 m見煤，地塹基本探明。斷層上下盤煤層產狀發生變化，給煤巖判斷、軌跡調整帶來一定困難。推測72聯巷處地塹寬度61.5 m。走向由和切眼垂直變為向31305輔運傾斜。1號鉆孔實測剖面如圖4所示。

圖4 1號鉆孔實測剖面Fig.4 Measured section of No.1 drilling hole

為了進一步確定斷層在工作面內的延展情況，決定在31305輔運70聯巷再設計一個鉆孔(距切眼831 m)，垂直工作面開孔。主孔在煤層中鉆進，軌跡向下120 m見巖，因斷層此處判斷不明確撤回開分支。分支1在主孔的上部向前探測，96 m見巖，120 m終孔，判斷煤層受斷層牽拉影響，向下傾斜至斷開，撤回開分支找另一斷層的下盤煤層。分支2在主孔的下部向前鉆進，在117 m見巖，在147 m見煤，180 m終孔，下盤探明。分支3向下探查上盤落差，鉆進至112 m見巖，標高1 145.60 m，133 m見煤，標高1 144.50 m，鉆進至143 m見巖石，標高1 143.70 m，174 m終孔，上盤落差探查清楚。推測70聯巷處地塹寬度27 m，走向繼續向31305輔運傾斜。因31305輔運沒有揭露斷層，判斷該斷層在工作面內尖滅，為煤礦生產提供了地質依據，實際回采中證明斷層尖滅的判斷。2號鉆孔實測剖面如圖5所示，探斷層鉆孔效果如圖6所示。

圖5 2號鉆孔實測剖面Fig.5 Measured section of No.2 drilling hole

圖6 探斷層工程效果Fig.6 Engineering effect of fault detection

2.3 探查效果分析

通過這2次的斷層探測，達到探測的目的，為煤礦生產提供了地質依據。探測過程中因隨著孔深的不斷增加，巖屑返出時間也在不斷增加，對軌跡的調整造成誤導，設計的軌跡在實施過程中會有變化，實際軌跡會根據返出的煤、巖屑判斷做出軌跡調整，但最終達到設計目的。這次探斷層工程為以后實施探斷層、探沖刷等工程積累了經驗。

3 煤層頂板水力壓裂工程

隨著煤礦逐步開拓延伸，回采工作面煤層頂板一方面存在堅硬老頂，回采后頂板難垮落，造成懸頂面積大的安全隱患；另一方面上覆煤層回采后遺留的煤柱對下覆煤層回采時會造成應力集中，礦壓顯現增強，對工作面安全回采產生影響。

3.1 工作面概況

柳塔煤礦2-2號煤層一盤區22101工作面準備回采，因工作面上部的1-2號煤層開采為房柱式開采，采煤工藝為“采5留6”(房寬5 m，煤柱6 m)，2-2號煤層與1-2號煤層平均間距為25.4 m，22101工作面回采過程中，存在頂板垮落時礦壓增強，可能造成壓架的嚴重問題。決定對2-2號煤層頂板實施水壓裂工程。

3.2 鉆孔設計與施工

為確定上覆1-2號煤層回采后的底板擾動破壞帶發育范圍，結合1-2號煤層遺留煤柱寬度及聯巷規格等，用經驗公式進行了驗算，驗算結果見表1。通過綜合分析，取1-2號煤層底板擾動破壞帶深度為5.13 m，根據2層煤層間距平均25～28 m，再結合臨近工作面回采過程中在上覆遺留煤柱集中區域發生強礦壓現象，采取頂板定向長鉆孔分段壓裂弱化技術，進行卸壓弱化和應力轉移及均布化，降低來壓強度，有效緩解強礦壓問題，為了保證弱化效果的有效性和針對性，結合臨近工作面巖性剖面變化，第1組鉆孔水平段位于2-2號煤層頂板以上12 m砂質泥巖中；第2組鉆孔水平段位于2-2號煤層頂板以上11 m細粒砂巖中；第3組鉆孔水平段位于于2-2號煤層頂板以上12 m細粒砂巖中；第4組鉆孔水平段位于2-2號煤層頂板以上11 m砂質泥巖中。布置4個鉆場12個鉆孔，鉆場分別布置于22101集中膠運巷26聯巷、22101集中膠運巷19聯巷、22101集中膠運巷11聯巷和22101集中膠運巷3聯巷處。單孔長度229～430 m，累計長度4 100 m，鉆孔采取平均布置法，鉆孔間距為58.75 m。

表1 底板破壞深度計算結果

鉆孔施工過程中在設備允許的情況下，軌跡曲率盡量取上限，以保證水平段足夠長，水壓裂的覆蓋面足夠廣。水力壓裂采用雙封單卡多點拖動管柱分段水力壓裂工藝，以第1組1號鉆孔的壓裂段為例，分析壓裂施工效果。該孔壓裂過程中，形成平均5.18 MPa的壓降18次，壓力曲線呈現鋸齒狀變化，微裂縫發育良好，其中最大壓力19.2 MPa，最小壓力12.50 MPa，注水量平均36.5 m3，注水時間平均56 min，最大壓降6 MPa。第1組1號鉆孔實測剖面如圖7所示，4組鉆孔施工平面如圖8所示。

圖7 第1組1號鉆孔實測剖面Fig.7 The measured section of the No.1 drilling hole in the first group

圖8 4組鉆孔施工平面Fig.8 Four groups of drilling construction plane

3.3 應用效果分析

通過定向鉆進工藝施工長距離水力壓裂鉆孔，采用分段壓裂弱化技術，降低來壓強度，有效緩解了強礦壓問題，達到了此次施工的目的，也為22102、22103工作面的頂板水預裂工程順利實施提供了經驗。另外22102工作面第2組的2號孔在鉆進至419 m時，無阻力的向前行進了3 m，從剖面圖上看實鉆軌跡是沿著設計軌跡行進的，但是根據跡象判斷是和上部的1-2號煤層采空區貫通了。改變測量系統重新對軌跡剖面進行測量，發現軌跡50 m后就逐步向上行進，最終和采空區貫通，通過這次鉆孔的意外情況發現測量系統有出現大的誤差的情況，應該定期對測量系統返廠檢測。

4 結語

(1)定向鉆進技術從引進到目前廣泛應用，在進行探斷層、探沖刷、探放水、小窯邊界探測、頂板水壓裂等工程時，該技術效果較好，能夠定點高精度探測，且探測距離較遠，相對傳統工藝具有較大的優勢，有效解決了煤礦安全生產工作中的一些難題。

(2)實際施工中也存在一些問題，需要在以后工作中不斷改進和完善。隨鉆測量系統參數依靠磁偏角設定，而磁偏角隨時在變化，對鉆探精度有一定影響，特別是在開分支較多，傾角、方位角變化頻繁時，大深度長距離施工時，對鉆探精度影響較大；操作人員操作水平能力、經驗不夠容易造成鉆孔軌跡起伏較大，達不到設計目的，造成無用進尺增加；煤巖層界面判別只能靠人眼觀測返出煤巖的巖屑，推測見煤見巖深度，鉆孔較深時，巖屑返出滯后，判定結果存在偏差，尤其對探放水工作進入破碎或見水易膨脹巖石，可能會造成卡鉆等事故，帶來經濟損失。

(3)通過鉆機裝備性能水平的不斷提升，定向鉆進工藝技術的不斷改進，定向鉆孔軌跡誤差控制技術的進步，通過鉆測量系統與測井技術的結合，實時監測鉆進過程中煤巖層界面等技術的發展，突破定向鉆進技術存在的問題。