定向钻进技术在工作面底板含水层探查疏放中的应用

邓起林

(汾西矿业两渡煤业，山西 晋中 031302)

水害是制约矿井生产安全的重大隐患，随着矿井开采深度的增加，矿井生产安全面临水害影响更为明显[1～2]。山西某矿开采的13号煤层受到底板灰岩承压水影响，矿井水害防治采用疏水降压技术路线，掘进的疏水巷采用物探先行、钻探验证方式，在一定程度上可以指导矿井煤层开采。传统采用探放水钻孔施工中存在钻孔轨迹控制困难，时长出现钻孔位置偏离设计层位，达不到预期疏排水目的。随着钻孔定向钻进技术发展，施工的钻孔具有轨迹可控、精度高等优势，在矿井底板含水层防治中表现出较好应用前景[3]。文中就定向钻进技术在煤层底板含水层探测以及疏排中的应用进行探讨。

1 定向钻进设备

在矿井井下施工定向钻孔时，不同尺寸马达及弯接头配合可以实现不同造斜效果，按照设计钻孔轨迹施工定向钻进。定向钻进主要设备包括有泥浆泵、钻具、钻机及随钻测量仪等，具体结构组成见图1，钻进设备参数见表1[4～5]。

图1 定向钻进设备结构

表1 钻进设备参数

2 钻孔钻进

2.1 钻孔钻进

山西某矿开采的13号煤层底板地质构造较为复杂，采用的定向钻孔在底板灰泥岩钻进过程中面临钻孔易缩径、塌孔，在硬度高灰岩内钻进时效率低下，底板内岩层内发育多条断层，同时底板灰岩含水内面临水压高等问题。定向钻孔钻进结构包括有套管孔段、定向造孔斜段、回转钻进段以及定向稳斜孔段等，具体见图2。为了确保钻孔结构稳定，施工的定向钻孔采用三开结构，一开孔径φ250mm、深度12m，下方10m套管、孔径φ219mm；二开孔径φ193mm、深度32m，下方30m套管、孔径168mm；三开孔径120mm、下放650m，不安装套管。

图2 定向钻孔结构

2.2 钻孔施工关键技术

1)套管孔段

钻孔开孔方位及倾角是影响钻孔轨迹的主要因素，钻孔开孔时应按照设计参数钻进，减少后续钻孔轨迹调整工作。在该矿钻进时，钻孔需要穿越多层泥岩、灰岩，钻孔钻进速度低特别是在泥岩、灰岩交界面钻进时钻孔在螺旋钻具影响下容易出现卡钻、塌孔事故。为了确保钻孔钻进安全，钻进时采用低钻压、中转速钻进方式，并尽量减少钻孔偏斜度，在确保钻孔成孔质量前提下，提升钻孔钻进速度，减少钻进设备对钻孔壁影响。钻进施工完毕后，采用扶正器多次通孔，确保钻孔孔壁平滑。

2)定向造斜段

定向造斜段施工采用定向钻具施工，采用的施工工艺为滑动定向钻进技术，考虑到钻杆弯曲强度及钻具造斜能力，适当调整钻孔方位角及倾斜角。

在定向造斜段施工时应采集排出的岩屑，记录不同位置返水颜色变化情况，根据地质资料分析钻进的地层起伏情况、地质构造变化情况，综合判定钻进层位，确保钻孔可以顺利钻进至底板灰岩内。

3)定向稳斜段

定向稳斜段主要采用复合钻进、辅助采用滑动钻进方式。钻进时在确保钻进排量前提下，根据钻孔实际钻进轨迹及设计轨迹偏差，对钻进进行调整：当实际钻进轨迹与设计轨迹存在较大偏差时，可以采用滑动钻进方式并适当增加钻进压力将钻孔调整至设计轨迹；当实际钻进轨迹与设计轨迹偏差不大时，继续采用复合钻进方式，在提升钻孔钻进速度同时确保钻孔孔壁、轨迹平滑，从而降低钻具与孔壁间摩擦，提高钻孔钻进效率。

由于13号煤层下方灰岩厚度较小且有起伏，该灰层顶底板岩层均为软弱泥岩，钻孔在灰岩内钻进时在地质构造影响下容易钻出目标层位进入到顶底板泥岩中，从而造成钻孔塌孔、憋泵等问题，制约钻孔钻进。因此，为了确保钻孔钻进安全、保证钻进层位，在钻进时每钻进1m即取钻井液排出的岩粉对层位进行辨识，每隔80m预留一个钻进分支。若钻孔塌孔、卡钻等无法继续钻进时，先判定钻孔层位，并退钻至最邻近以钻进分支，对钻孔轨迹进行调整，确保钻孔在目标层位内顺利钻进。

3 现场应用

在矿井13321底板放水巷内采用定向钻进技术对13号煤层底板含水层进行疏排水，钻孔至2019年3月20日开始钻进，2019年6月18日钻进时设计层位，在钻孔钻进时多次出现塌孔、卡孔问题，当难以钻进时，则后退至最近一开孔分支，继续钻孔钻进，最终按照预先设计要求完成钻进钻进。具体钻孔施工参数见表4。

图3 13321回采工作面底板定向钻孔轨迹

表2 定向钻孔施工参数

从表2看出，施工的3个底板疏排水钻孔排水量最大为5.4m3/h，最小仅为0.1mm3/h，钻孔排出的水质、水温等均在正常范围内，未发现底板强含水层。

在13321工作面布置的第一个定向钻孔施工成功后，在临近13521累积钻进12个定向钻孔，钻进工程量累积6420m，2019年12月底施工完成。在回采工作面施工的定向钻孔中，钻孔涌水量最大为26.4m3/h，截止到目前为止，施工的底板疏排水钻孔共排水32.2万m3，探放钻孔总出水量从37m3/h降低至21m3/h，钻孔出水压力从最初4.1MPa降低至0.65MPa，水压已降低至安全范围内。通过采用定向疏排水钻孔，有效降低13121回采工作面底板含水层水压，确保了采面按期回采。

4 总结

1)矿井13号煤层底板灰岩含水层顶、底板岩性均为泥岩，钻孔钻进时容易出现塌孔问题，制约巷道掘进。在定向钻孔施工时，根据岩层岩性在不同孔段采区不同的钻进工艺，保证钻孔钻进质量。在钻孔定向稳斜孔段在钻进时预留预留分支，是确保定向钻孔顺利钻进关键举措之一。

2)在井下13321回采工作面采用定向钻进技术后，施工的定向钻孔实现会回采工作面底板岩层全覆盖，实现对底板内隐伏构造探测、疏排水工作面的一体化开展。定向钻孔在目标层位为成孔率高，对底板水害防治取得显著经济效益。