煤矿井下定向钻孔施工工艺及技术研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇煤矿井下定向钻孔施工工艺及技术研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
【摘要】煤矿井下施工定向钻孔相对于施工常规钻孔在工艺方面更复杂，要求条件更为苛刻。为了在煤矿井下应用好定向钻孔施工技术，提高瓦斯抽采能力和解决地质问题，文中先简要介绍了定向钻孔施工工艺原理，然后以顶板瓦斯抽采钻孔为例介绍了煤矿井下定向钻孔的设计方法及施工工艺技术，并且提出了定向钻孔推广应用时应注意的一些事项，总结了当前限制煤矿井下限制定向钻进技术推广的主要因素，最后分析了煤矿定向钻进工艺应着力改进的地方。
【关键词】定向钻进；钻孔设计；施工工艺；限制因素；改进
1、定向钻孔施工的工艺原理
煤矿井下定向钻进是采用水力排渣、随钻测量的一种钻孔施工工艺，是利用泥浆泵将静压水通过加压后，通过钻杆内侧供水通道送达孔底，驱动孔底螺杆马达旋转，为钻头旋转切削煤岩提供动力，水沿着钻杆与孔壁之间的间隙排除孔内钻屑。施工过程中通过随钻测量系统实时测出孔底钻具空间姿态参数（倾角、方位角、工具面向角等），操作人员通过对比施工参数与设计参数，调整孔底钻具工具面向角，进行下一次钻进，依次按照此步骤施工直至实际钻孔轨迹沿着设计轨迹钻进至终孔。
2、定向钻孔的设计
定向钻孔施工前必须预先设计好钻孔轨迹，定向钻孔轨迹的设计应考虑到以下因素：钻孔的类型，施工钻孔的个数及预计孔深、钻孔分支孔的数量、孔深及分支位置等，轨迹设计前，尽可能多的收集到能准确反映钻孔布孔平面和空间区域的地质测量资料（包括煤层顶底板等高线图、综合柱状图，采掘工程平面cad图、局部探眼或钻孔柱状图等），分析布孔区域煤层瓦斯含量及压力、煤层顶底板岩性变化及煤厚变化情况。下面以顶板瓦斯抽放钻孔设计为例说明如何进行定向钻孔轨迹设计：
2.1钻孔方位角设计。设计钻孔方位角时，必须先明确工作面顶底板等高线图的真方位角a，然后再确定钻孔施工的主方位角b，顶板瓦斯抽采钻孔距离回风巷平距一般为10～30m，可以设计2～5个定向主孔，开孔间距控制在0.5～1m，再确定分支钻孔的个数及开孔位置，分支钻孔开孔位置均布置在工作面收作线以内，这样可减少无效孔段的施工，钻孔设计孔深在300～600m为宜，主孔方位在进入收作线后保持平行轨道顺槽延伸，主孔方位角确定后，再设计分支孔的方位，使钻孔终孔在平面上等间距分布，平均间距5～7m。
2.2钻孔倾角设计。倾角的设计应兼顾到两个方面，一是高位钻孔最佳抽采高度，二是岩性情况。钻孔的终孔垂高应分布在煤层顶板裂隙带内，淮南矿区高位钻孔最佳终孔高度一般控制在煤层顶板垂距15～25m范围内。在确定最佳垂高范围后，在通过综合柱状图和沿轨顺方向轨顺顶煤层顶底板岩性柱状图确定终孔目标层位，钻孔的剖面轨迹应本着尽量在稳定岩层中钻进原则。钻孔的平面和剖面轨迹手动绘制在cad平剖面图上后再确定每个孔不同孔深段的方位角及倾角具体参数，将参数输入专门的定向钻孔轨迹设计表格，一般先进行方位角数据调整，观察设计表格中钻孔左右偏差数据情况，不断调整方位角数据，直至左右偏差数据符合要求，方位角参数确定好后，再调整倾角参数，注意钻孔上下偏差数据，直至上下偏差数据符合要求，调整方位角和倾角时还要注意钻孔的弯曲强度数据，一般尽量不要超过2°/6m，最后将钻孔的平面和剖面绘图数据导入cad成图，对比手动绘制cad平剖面轨迹和绘图数据生成的cad平剖面轨迹，不断调整方位角倾角参数，直至两个图形基本拟合为止。
3、定向钻孔施工准备及施工过程
3.1施工准备。为保证定向钻孔施工能够有序的进行，施工前主要要做以下准备：钻场选择及布置，钻场的选择是个很重要的环节，应根据施工钻孔的类型及空间布置进行选择，同时还应兼顾钻场周边顶底板岩性，由于施工定向钻孔排水量大且施工周期长，对孔壁的破坏较大，故钻场应尽量选择在岩性较好的地段。钻场的规格应根据定向钻机的型号合理开拓，以西安院ZDY6000LD（F）型定向钻机为例，一般为长×宽×高：6m×5.5m×3m。钻场内应该进行挂网喷浆，底部浇筑砼，定向钻孔施工对供排水都有要求，必须使用清水作为冲洗介质，而且供水量要求Q≥13mm2/h，因此要有完善的供排水系统，要有专门的排水泵，建议现场挖设两个长×宽×深：1.5m×1.5m×1.5m规格的水漾，一个用于沉淀钻屑，一个用于排水。另外定向钻孔施工过程中需要用的工具设备很多，而且价格昂贵，应采用专用工具箱放置，避免遗失。钻孔施工前，钻场内还必须提前标注清楚钻孔设计开孔方位角，以便施工人员移钻机对孔。
3.2定向钻孔施工过程
定向钻孔施工前必须将钻孔的设计参数导入井下电脑以指导定向钻进，定向钻进一般按以下程序进行。
（1）回转转进：采用回转钻进配扶正器保直钻进施工20-30m（具体孔深一般以穿过软岩层为准），然后采用进Φ189mm钻头扩孔至孔底。（2）下护孔管：孔口段下入Φ127mm护孔管，然后注浆加固护孔管，如果遇到有垮孔时，则需要向孔内进行高压注浆，使孔内形成水泥柱。（3）透孔：待孔内水泥充分凝固后，进行透孔至孔底。（4）定向钻进：透孔后，便可以下入定向钻具校正孔口工具面初值定向钻进3m或者6m测量一次当前钻孔孔底参数对比设计轨迹参数调整孔底马达工具面下一次钻进，每钻进一次后再进行一次探管检测，检测钻孔孔底当前倾角、方位角，然后调整孔底马达工具面继续钻进，依次进行下去至终孔，（见流程图1）。
定向钻孔施工过程中有一些注意的事项，如果不注重这些细节，可能会对施工带来不必要的麻烦，因此这里有必要强调一下，定向钻孔每班施工结束时作业人员应有意识的在电脑上保存好当班施工的数据。每次调整定向钻具工具面前，需要将孔底钻具提离孔底200mm左右，避免折坏孔底马达。在调整工具面时，除了开分支孔的情况除外，尽量避免工具面呈180°定向钻孔施工人员应认真仔细的记录每班施工情况主要包括施工过程中泥浆泵压力、钻机给进、起把压力变化情况，岩性变化情况等，及时反馈给施工技术管理人员，技术人员根据岩性变化情况及时调整施工方案，如钻孔轨迹路线上有断层或者裂隙带发育时，可以采用开分支绕开或者提前对断层或裂隙进行注浆加固，保护定向钻进施工的安全。
4、限制煤矿井下定向钻孔施工技术推广的因素
目前定向钻进技术的试验，不管是使用国内钻机还是国外钻机，施工过程中由于种种原因，使得使用定向钻进施工瓦斯抽采钻孔目前并未在煤矿井下广泛推广应用，总结起来主要是因为受到以下方面的因素制约：
定向钻进对于岩性条件要求苛刻，地层适应能力较差，定向钻孔施工时在遇到水敏性岩层及软岩层如炭质泥岩及砂质泥岩时极易出现垮孔，而在硬岩如细砂岩中钻进时，进尺效率太低，即所谓：“软的打不了，硬的打不动”。
定向钻孔的施工对于操作人员的素质及技术水平要求较高，而现在煤矿井下职工由于文化水平有限，要学习好并充分掌握定向钻进技术需要长时间的培训。
由于定向钻孔施工对施工现场供水及排水能力要求较高，施工的每个钻孔孔口段基本都要进行下套管注浆，有的遇到垮孔时，需要多次注浆，施工工艺相对常规钻进较复杂，而且钻孔施工周期一般比较长，这些对于井下钻探施工单位来讲，人力和物力成本投入太大。
5、定向钻机施工过程中需要改进的地方
煤矿定向钻进工艺目前在我国煤矿井下主要还处在试验阶段，根据西安煤科院6000LD（F）型定向钻机在淮南张集煤矿井下的使用情况，作者总结了常出现的一些问题，认为定向钻进应致力于在以下方面进一步改进。
（1）钻机设置及结构：分体式定向钻机的泥浆泵、电机与钻机操作台分开设置，操作人员在操作时很容易造成不能方便的看到泥浆泵压力变化情况，易造成孔内遇到紧急情况时，处理不及时，另外钻机占用的体积过大，钻机挪移不方便。
（2）随钻测量系统，随钻测量系统是整个定向钻进的核心部分，但通过使用西安煤科院的6000LD（F）的随钻测量系统，最容易出现的问题就是通讯失败，而造成通讯失败原因主要来着硬件方面，通常是钻杆接头松动，或者是孔底测量探管故障，遇到这些问题通常要起出孔内所有钻杆检查，既费时又费力，所以建议应该增强随钻测量系统抗震性及稳定性，尽量避免施工时出现通讯故障。
（2）孔底马达，孔底马达在定向钻进过程中起着承上启下的作用，也是孔内的主要动力转换装置，在定向钻进时，我们发现施工部分软岩及中硬岩石时，施工进度较慢，当遇到较硬岩层如含砂量较高的砂岩时，进尺效率极低，每班进尺都在几米左右，而且孔底马达也容易出故障，所以定向钻进要想推广，孔底马达的性能应该得到更加的增强，这也是刻不容缓的事情。
6、小结
我国煤矿井下定向钻机技术近年来虽然在钻进技术工艺和随钻测量系统方面取得了很大进步，但是整个定向钻进的工艺流程及技术还处不断摸索与总结阶段，定向钻进的很多施工经验需要技术管理人员不断的总结，从钻孔设计到施工过程再到瓦斯抽采，应将出现的每一个问题进行认真分析，如果是施工工艺方面的问题，及时调整设计、施工方案，提高施工效率，如果是硬件方面的问题，则应将出现的问题及时反馈给生产厂家，有利于及时改进和更换设备，总之随着定向钻进的不断试验，也会有越来越多的定向钻机投入煤矿井下使用，定向钻进技术也会更一步的得到提高。