薄煤层井下定向钻进技术试验研究

申常利，王栓林

（1.山西离柳焦煤集团有限公司，山西吕梁 033000；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013）

薄煤层井下定向钻进技术试验研究

申常利1，王栓林2，3

（1.山西离柳焦煤集团有限公司，山西吕梁 033000；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013）

基于朱家店煤矿4号煤煤层薄、小构造较发育的现状，为了解0402工作面进风巷顶板的含水情况，根据朱家店煤矿超前探放水钻孔施工要求，沿掘进方向利用中煤科工集团西安研究院研制生产的ZDY6000LD钻机和配套钻具及井下随钻测量系统，通过钻孔主孔和分支孔的方式进行井下定向钻进试验，试验结果表明：薄煤层井下定向钻进技术上可行，ZDY6000LD定向钻机在该矿岩层中能很好的施工600m以内定向钻孔，为大直径长钻孔区域瓦斯抽采钻孔的施工奠定试验基础。

薄煤层；定向钻进；探水；长钻孔

1 定向钻进应用概况

1.1定向钻进应用现状

定向钻进起源于石油钻井，后从石油行业逐渐延伸到煤炭、地质等领域，发挥着重要的作用[1-2]。段志国[3-7]等将不同方式定向钻孔应用在工作面瓦斯治理当中，实现矿井瓦斯综合治理的新突破。石智军[8-11]等将定向钻进技术在井下瓦斯抽采、地质构造探测及防治水领域进行应用，效果显著，并研制煤层井下定向钻进用随钻测量系统，实现定向钻进设备的国产化。刘涛等[12]利用仿真技术对定向钻进轨迹进行误差分析与优化，提高随钻测量精度。定向钻进已广泛地应用于矿井瓦斯抽采与探放水等钻孔的施工。

1.2应用矿井的概况

朱家店煤矿作为应用矿井，地处吕梁山系，井田位于离石市与中阳县城之间，区内地形复杂，西高东低，位于中阳—离石斜轴部处。交通十分便利，属于高瓦斯矿井。4号煤层厚度0m～2.28m，平均为1.1 m，硬度系数2～3，有一定韧性，参差状、阶梯状断口，内生裂隙发育，一般5 cm×5 cm内20条左右。煤层顶板岩性为泥岩、砂质泥岩，厚度约0.8m～1.2 m，上方为一层厚度约3 m左右的细砂岩裂隙发育；底板岩性为粉砂岩、细砂岩，平均厚度为2.8 m。

本次试验目的是探查0402进风顺槽掘进方向含水情况，目标煤层为4号煤层。

2 定向钻进设备及钻孔设计

2.1定向钻进基本概念

定向钻进技术是指利用钻孔自然弯曲规律或采用人工造斜工具使钻孔按设计要求进行延伸钻到预定目标的一种钻进方法。其内涵本质是定向钻进有预定目标的。根据设计要求，该目标可以是地下某一点，也可以是孔眼轴线或特定方向和角度，采用一些科学的人为可以控制的技术方法与机具有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯，使之达到目标要求。

钻探工程中，各类钻孔的特征通常是在空间用一条线来描述，这条线代表钻孔轴线，是钻孔轴线的轨迹线，所以，把表征钻孔空间形态的轨迹线称之为钻孔轴线。钻孔轴线的空间形态可以用轴线上的一些参数来表征。定向钻孔轴线的空间要素包括：钻孔轴线上各点的倾角、磁方位角和孔深，钻孔垂深、水平位移和左右偏差，以及曲线段的曲率或弯曲强度等。

根据钻孔轨迹的基本要素，将钻孔轴线分成若干小段，根据每一小段端点的测斜数据，将每一小段钻孔轴线看作为直线或曲线进行叠加计算，求出轨迹上每一点的空间坐标。

2.2定向钻进设备

试验所用钻机是中煤科工集团西安研究院研制生产的ZDY6000LD履带式全液压定向钻机。该钻机具有搬迁方便、转速调节范围宽、扭矩大、结构合理、技术性能先进、工艺适应性强、操作省力、安全可靠等优点。主要用于煤矿井下地质勘探孔、抽放瓦斯孔、注水孔等。主要技术参数如表1所示。

表1 ZDY6000LD型钻机主要参数

试验使用的钻杆分为两种，一种是φ73 mm中心通缆钻杆，另一种是φ73 mm无磁钻杆，材料选用无磁性的铍铜，主要用于钻孔测斜时放置测量仪器，以避免普通钢性钻杆对测量方位角造成的干扰，保证测量数据准确。选用φ96 mm平底烧结胎体式金刚石复合片钻头。

钻机配套使用YHD1-1000随钻测量系统，该系统主要由下无磁钻杆、测量探管、上无磁钻杆、通缆式钻杆、通缆式送水器、通讯电缆、孔口监视器等组成。主要用于水平定向钻进的测量和控制，形成定向钻进系统。系统连接见图1。

图1 YHD1-1000随钻测量系统连接

2.3试验钻孔轨迹设计

1）设计要求

为了探查0402进风顺槽掘进方向以及附近含水情况，轨迹设计需从4号总回风巷底部穿过，发挥钻机定向钻进优势，轨迹尽可能沿煤层或贴近煤层延伸，实现探水的目的。

2）钻孔布置

在4号南胶带运输巷设置钻场，探查0402进风顺槽掘进方向含水情况。钻孔开孔之后，从4号南总回风巷底部穿过，之后主孔沿着0402进风顺槽掘进方向延伸，分支孔相对于主孔一左一右，左分支孔最终相距主孔约30 m，右分支孔最终相距主孔约60m。设计钻孔以0402进风顺槽掘进方向为勘探线方位，为94.5°（磁方位角，以下同），以开孔点作为原点，沿着勘探线方位建立X轴，顺时针旋转90°建立Y轴，垂直向上为Z轴，建立三维坐标系，钻孔轨迹平面布置图见图2。设计钻孔开孔方位104.5°，主孔终孔方位为94.5°，设计孔深510m。

图2 钻孔轨迹平面布置

3 现场施工情况

3.1钻场布置情况

钻场设置在4号南胶带运输巷，向南距离0402进风顺槽约25m，井下钻场布置见图3。

图3 井下钻场布置

3.2钻孔施工情况

试验起止时间自2015年3月25日至2015年4月30日，试验煤层为4号煤。本次试验施工1个定向探水孔，目的是探查0402进风顺槽掘进方向含水情况，钻孔主孔孔深525 m，分支孔330 m，总进尺855m，具体如表2所示。1号钻孔轨迹上下偏差和左右偏差图见图4，钻孔轨迹平面见图5。

表2 钻孔施工情况

图4 1号钻孔实测轨迹曲线

图5 实际钻孔轨迹（实线为实钻轨迹，虚线为设计轨迹）

3.3存在的主要问题

本次试验顺利完成，施工期间主要存在三方面问题：

1）由于煤层较破碎，在水力冲刷作用下容易塌孔，因此钻进时主要在煤层底板中钻进，而岩层较硬，相对于煤层钻进，钻进速度较低。

2）每天两个班，每班施工时间5 h～6 h，班进尺较低，人员学习和接受能力有待进一步加强。

3）孔内瓦斯涌出造成钻场瓦斯超限，影响钻进效率。

4 结论

1）根据朱家店煤矿超前探放水钻孔施工要求，采用ZDY6000LD定向钻机及其配套装备进行定向钻进，在技术上完全可行。

2）ZDY6000LD定向钻机能力大，其配套装备强度高、综合性能较好，在该矿岩层中能很好的施工600m以内定向钻孔。

3）4号煤层在水力冲刷作用下，容易塌孔，底板岩层较稳定，因此钻孔主要控制在底板岩层与煤层之间，进行局部点探查。

4）施工时尽量在较稳定和完整地层中钻进，以保证钻具安全，降低事故发生的风险性，为防止钻进过程中钻场瓦斯超限，施工时安装孔口瓦斯收集装置，并连接好瓦斯抽放管路。

[1]姚宁平.我国煤矿井下近水平定向钻进技术的发展[J].煤田地质与勘探，2008，36(4):78-80.

[2]董昌乐.煤矿井下定向钻进技术及其发展趋势[J].煤炭科学技术，2015，43(5):106-110.

[3]段志国.不同方式的定向钻孔在采面治理瓦斯上的应用[J].山西煤炭，2014，34(8):56-58.

[4]荆鸿飞.西山煤田区域瓦斯抽采深孔定向钻进技术[J].煤炭科学技术，2013，41(11):90-94.

[5]凌志强，彭勇，周宗波，等.沿煤层定向钻进瓦斯抽采技术在宁夏矿区的应用[J].煤炭科学技术，2008，36(11):47-51.

[6]蔡永乐，刘沂星.煤矿井下千米定向钻进技术及其应用[J].山西煤炭，2011，31(4):65-67.

[7]姚宁平，姚亚峰，张杰，等.煤矿井下梳状定向孔钻进技术与装备[J].煤炭科学技术，2012，40(10):12-16．

[8]李泉新，石智军，史海岐.煤矿井下定向钻进工艺技术的应用[J].煤田地质与勘探，2014，42(4):85-88，92.

[9]石智军，董书宁，姚宁平，等.煤矿井下近水平随钻测量定向钻进技术与装备[J].煤炭科学技术，2013，41(3):1-6.

[10]石智军，李泉新，姚克.煤矿井下1800m水平定向钻进技术与装备[J].煤炭科学技术，2015，43(2):109-113.

[11]石智军，温榕，方俊，等.煤层井下定向钻进用随钻测量系统的研制[J].煤炭科学技术，2013，41(3):16-20，69．

[12]刘涛，王伯雄，崔园园，等.水平定向钻进的轨迹误差分析与优化[J].清华大学学报（自然科学版），2011，51(5):592-596．

（编辑：薄小玲）

Experim ental Study on Directional Drilling Technology for Thin Coal Seam

SHEN Changli1,WANG Shuanlin2,3
(1.Shanxi Liliu Coking Coal Group,Lvliang 033000,China; 2.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 3.State Key Laboratory of Efficient Exploitation and Clean Utilization of Coal Resources,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

Based on the thin,smallbutdeveloped structureof the No.4CoalSeam in Zhujiadian Coal Mine,a directional drilling testwas conducted using the ZDY6000ZD drilling rig,its supporting drilling tools,andmeasuring system along the driving direction in order to obtain the water contentof the roof of the air inlet of No.0402 working face and meet the requirement of the drilling with advanced water exploration and drainage technology.The rig is developed by Xi'an Research Institute of China Coal Technology&Engineering Group.The testwas conducted by themain and the branch borehole drilling. The results show that it is feasible to use the ZDY6000LD rig in the directional drillingwithin 600m in the rock strata,laying the experimental foundation for the construction of longand large diameter borehole in localgasdrainage.

thin coalseam;directional drilling;waterexploration;long borehole

TD 421

A

1672-5050（2016）06-039-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxm t.2016.12.012

2016-06-19

申常利（1963-），男，山西交城人，大学专科，工程师，从事矿井生产管理工作。