定向钻进技术在1930煤矿疏放水中的应用

韩 磊，莫海涛，郝世俊

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）

煤矿井下千米定向钻机利用螺杆马达作为孔底动力机具，依靠随钻测量系统，运用钻孔轨迹设计与控制理论，实现井下近水平长钻孔定向钻进。配套装备主要包括履带式定向钻机、螺杆钻具以及随钻测量系统；已经广泛运用于煤矿井下瓦斯抽采、地质探测、底板注浆加固、巷道防灭火、抢险堵水等领域，现使用煤矿井下定向钻机进行工作面、巷道疏放水。

1 矿区概况

1930煤矿改扩建矿井井田地处新疆天山山脉，位于乌鲁木齐市以南的艾维尔沟矿区的中东部，距乌鲁木齐市130km。1930平硐设计生产能力为90×104t/a，采用平硐、单翼、暗斜井、集中运输石门开拓方式，开采方式为单翼采区后退式综合机械化开采采煤方法，掘进采用综采、炮掘的开拓方式。主要开采煤层为4#、5#、6#、7#煤层。可采平均总厚度为26.91m，矿井煤层为单斜构造，走向近东西，倾向南，倾角东缓西陡，煤层倾角17°～25°。

2014年8月15日，1930煤矿二采区因+1870m水平5#煤层自燃发火封闭，随后二采区排水系统停止使用。2014年9月12日，二采区积水线上升至三采区6#主运输大巷+1800m水平5-4#运输石门位置，三采区临时排水系统开始运转。二采区封闭后近一年半，巷道积水水位上升至二、三采区+1811m水平，使得二采区+1811m水平以下工作面、巷道积水。矿方组织安排常规钻孔施工，施工30个孔，历时2个月未能钻进至目标巷道。按照1930煤矿生产接续计划，为确保二采区缩封工作顺利实现，最大限度减小采区积水对缩封工作的影响，现计划从改扩建+1710m运输石门与+1690m消突巷交岔口处使用西安院研制的ZDY6000LD煤矿井下定向钻机对二采区积水进行探查排放。

2 施工目的

通过在1930煤矿+1710m水平5#煤层底板施工定向疏放水钻孔，使得二采区+1811m水平以下工作面、巷道积水顺利排出，为后续煤矿生产接续提供保障。

3 定向钻进定义与钻进工艺

煤矿井下对定向钻进技术的定义：是指利用钻孔自然弯曲规律或采用专用工具使近水平钻孔轨迹按设计要求延伸钻进至预定目标的一种钻探方法，即有目的地将钻孔轴线由弯变直或由直变弯[1-2]。

与常规钻孔的区别：定向钻孔设计有特殊的轨迹，钻进中必须研究和利用地层自然弯曲规律、钻孔控制理论或人工造斜工具控制钻孔轨迹，最终钻达预定目标要求。定向钻进工艺流程如图1所示。

4 疏放水定向钻孔设计

疏放水钻孔暂设计定向钻孔3个，分别计孔号F1、F2、F3钻孔总共工程量802m。钻孔平面轨迹示意图如图2所示，钻孔主要参数见表1。

5 设备机具

为保证现场试验的顺利进行，按照需要的钻进工艺配套并使用了定向钻进设备如图3所示。

图1 定向钻进工艺流程

5.1 定向钻机

图2 疏放水钻孔轨迹设计示意图

为了满足煤矿井下本煤层定向钻孔及大直径顶底板定向长钻孔施工需要，西安研究院研制了ZDY6000LD型大功率定向钻机以及配套机具，施工用ZDY6000LD型钻机钻孔倾角调整范围-10°～20°，最大回转扭矩6000～1600N·m。具有搬迁方便、转速调节范围宽、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、探放水孔、注水孔等。

5.2 随钻测量系统

YHD2-1000（A）型随钻测量系统可实时监测定向钻孔轨迹主要参数，并能动态输出钻孔参数、轨迹。系统的连接示意图如图4所示[3-4]。

表1 疏放水钻孔主要参数表

6 施工用钻具组合

6.1 主孔施工用钻具组合

主孔为两级孔身结构，一级孔身结构主要目的为下入套管；二级孔身结构主要是沿着目标巷道靶点定向钻进。

一级孔身结构施工用钻具组合依次为：

开孔：Ø98mmPDC钻头+Ø73mm普通钻杆串，钻进至孔深20m；

一级扩孔：Ø98mm/Ø153mmPDC钻头+Ø73mm普通钻杆串；

孔口管下深，Ø127mm套管×8mm，下深12m，固孔水泥返浆至孔口。

二级孔身结构施工用钻具组合为：

图3 定向钻进设备

图4 YHD1-1000（A）随钻测量系统连接示意图

定向钻进：Ø98mmPDC钻头+Ø73mm孔底马达+随钻测量仪器+Ø73mm上无磁钻杆+Ø73mm通缆钻杆串。

6.2 分支孔施工用钻具组合

分支孔采用悬空侧钻的方法，以前进式或后退式2种工艺成孔，其钻头外径与主孔二级孔径一致，所用钻具组合为：

开分支/定向钻进：Ø98mmPDC钻头+Ø73mm孔底马达+随钻测量仪器+Ø73mm上无磁钻杆+Ø73mm通缆钻杆串。

开分支亦采用定向钻进的工艺方法，在实钻过程中，由于设计变更、地质资料不准确及地层坍塌等原因，需要进行开分支钻进，本次放水孔如若透巷不成功也要进行相应的开分支孔钻进。在矿山井下定向钻众多开分支工艺上，目前采用悬空侧钻开分支的方法是使用最多的一种工艺方法，该方法通过调整孔底马达弯头朝向，通过控制钻压、排量等工艺参数，根据钻头处钻压情况、孔口返渣及实钻参数测定来确定分支是否成功开出。

7 钻孔施工

截至目前，本项目共施工3个定向钻孔。F1孔、F2孔、F3孔2016年11月7日开钻，2016年11月21日终孔；施工周期15d。施工地点位于+1710m水平运输石门与1690水平消突巷岔口处。F1孔累计钻孔工程量为252m；F2孔累计钻孔工程量330m；F3孔累计钻孔工程量为255m；总工程量837m。钻孔参数详见表2，钻孔平面轨迹示意图见图5。

表2 定向钻孔基本情况一览表

图5 定向钻孔实钻轨迹示意图

8 结论

（1）本次钻探工程施工过程中，F2-1孔由于靶点较小，钻探垂高达到设计要求，但是因为方位误差没有在巷帮透巷，退钻开分支，继续沿着与钻探方向垂直巷道方向定向钻进，精准透巷，因此疏放水钻孔垂直巷道透巷比平行巷道透巷难度相对较低，透巷精确度较高。

（2）1710水平3个定向钻孔经过半年疏排水，使得二采区+1811m水平以下工作面、巷道积水得到缓解。F1号孔最大出水量在70m3/h左右，F2号孔最大出水量在156m3/h左右，F3钻孔最大出水量100m3/h，出水量稳定，日疏放水量在7000m3左右，满足矿方的要求；同时本次施工工期短、效率高，为1930煤矿生产得到接续，确保了二采区缩封工作顺利实现，最大限度减小采区积水对缩封工作的影响；截至2018年2月初，3个定向疏放水钻孔仍在高效使用。

参考文献：

[1] 赵永哲.煤矿井下近水平定向孔螺杆钻具钻进受控机理研究[D].煤炭科学研究总院西安研究院，2008.

[2] 孙荣军.煤矿井下随钻测量技术及钻孔轨迹数据处理方法研究[D].煤炭科学研究总院西安研究院，2009.

[3] 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.

[4] 陆军，熊克剑.近水平千米定向钻机在矿井瓦斯抽采中的应用[J].煤炭科学技术，2011(12)：92-95.