顺层钻孔打钻偏斜规律研究及防范措施

白彦龙，葛 林

(河南能源化工集团 永煤公司城郊煤矿，河南 永城 476600)

受有效抽采半径影响，本煤层抽采钻孔应均匀布置在煤层中(开孔间距、终孔间距)，以防止出现瓦斯抽采空白带。而施工顺层钻孔期间，受人、机械设备、地质条件等因素影响，施工钻孔往往出现偏斜，导致钻孔未能按照预定轨迹施工到位，浪费工程量，甚至造成瓦斯抽采空白带，成为影响煤矿安全生产的重大隐患。学者针对钻孔偏斜规律与预防措施进行了研究，吴万荣等[1]通过对钻孔偏斜的影响因素及力学特征进行分析，建立了钻头偏载的力学模型，并提出了控制钻孔偏斜的推进力控制方案；赵国法等[2]根据开化黄山矿区萤石矿勘查钻孔偏斜数据，从地质条件和施工工艺等方面对钻孔偏斜的原因进行了分析；付帅等[3]研究了高位钻孔偏斜对抽采效果的影响；李旭东等[4-9]对钻孔偏斜规律进行研究分析，给出了影响钻孔偏斜因素及预防措施；李运刚[10]分析了钻孔施工中产生偏斜的原因及危害，提出了正确的安装施工设备方法，采用合理的钻具结构组合的预防措施；王毅等[11-14]分析了导致偏斜的各种因素，提出了控制钻孔偏斜的措施；彭桥梁等[15]对造成钻孔偏斜原因及规律进行分析，提出采用移动孔位法、改变倾角法等预防措施，减少了钻孔偏斜强度；王智育等[16]对钻孔保直钻进进行了研究；王红胜等[17]基于设计钻孔测斜结果提出了角度补偿纠偏方法；张文辉等[18-19]研究了钻孔偏斜控制技术；安秀娟[20]阐述了如何确保定向钻孔透孔精度，并给出了施工过程中应采取的措施。为得到城郊煤矿钻孔偏斜规律，通过测斜方法对钻孔轨迹进行测定并分析，制定防范措施，以降低工程量浪费，并提高钻孔质量标准化。

1 钻孔施工角度对偏斜影响

煤层赋存情况以及单元内选择钻孔布置类型(平行钻孔、平行斜钻孔、扇形钻孔)影响井下顺层钻孔施工角度，通过研究施工倾角、夹角对偏斜的影响，找到偏斜拐点、偏斜程度随施工角度变化的一般规律，并根据偏斜规律提出处理措施。

1.1 施工倾角对钻孔偏斜影响

将井下测斜数据进行统计并绘制图形，偏斜随施工倾角变化规律如图1所示。

图1 偏斜随施工倾角变化规律Fig.1 Variation law of deflection with construction inclination

由图1可知，钻孔的偏斜拐点、偏斜度与钻孔倾角之间并无一般规律。但整体来看，受煤层赋存、煤岩性质及打钻期间钻头受力不均匀影响，钻孔一般向上偏斜。统计的30个钻孔轨迹数据中，19个钻孔向上偏斜，占63.3%。

通过观测图1中局部偏斜点数据可以看出，由于稳钻倾角误差、钻机固定位置距帮部较远及卡瓦松弛不能紧固钻杆，开孔时衔接钻杆较长使开孔钻进过程中钻杆上下摆动，钻头旋转过程中受力不均匀、钻机上支撑立柱与下支撑腿未扎实扎牢，导致初始偏斜位置基本上处于开孔位置。根据以上分析，稳钻时应先检查钻机各个部件是否完好，异常部件应及时更换，钻机尽量靠近帮部，并将钻机扎实扎牢。

1.2 施工夹角对钻孔偏斜影响

由于测斜钻孔施工地点不同，为方便分析施工夹角对钻孔偏斜影响，需要将钻孔夹角统一。现制定如下规则重新定性钻孔施工夹角：钻孔夹角以面向煤壁，左偏为正、右偏为负。通过对测斜数据进行统计，得到钻孔偏斜随夹角变化规律(图2)。

图2 偏斜随施工夹角变化规律Fig.2 Variation law of deflection with construction angle

由图2可知，偏斜点、偏斜度随钻孔夹角并无一般变化规律。但整体来看，由于车轮效应导致钻孔一般向钻头旋转方向偏斜，在统计的30组数据中，22组钻孔轨迹数据显示钻孔左右偏斜以右偏为主，占73.3%。

分析图2偏斜点数据可知，开孔位置产生偏斜的占33.3%，这是由于开孔位置稳钻误差及开孔时钻机受到反向作用力产生跑偏，导致钻孔在开孔位置产生偏斜。为防止钻孔在开孔位置产生偏斜，在以后施工过程中，严格按照要求拉巷道中线，做到稳钻零误差；使用后支撑油缸以及将钻机上支撑立柱及下支撑腿扎实扎牢，防止钻机跑偏。

2 孔径对钻孔偏斜影响

当钻头直径无限小时，由于煤体各向异性，钻进过程中产生较大的偏斜度；当钻头直径无限大时，由于操作人员能够时刻观察到施工情况。因此，钻头轨迹具有可控性，此时偏斜度最小。由于条件限制，无限大与无限小钻头无法实现。在常规采用的钻头中，钻孔偏斜主导影响因素由煤体各向异性逐渐变换为钻头摆动影响，呈现二次多项式规律。

2.1 孔径对钻孔上下偏斜影响

由于加权平均方法计算孔径对钻孔上下偏斜影响能够考虑孔深因素，此次研究利用加权平均进行计算。另同一孔径各个钻孔测深不同与不同钻孔孔径钻孔施工总进尺不同，则利用加权平均方法计算时以各个钻孔测深为权重。计算见式(1)：

(1)

式中，δ为平均偏斜度；m为各个钻孔孔深；ψ为各个钻孔偏斜度。

利用式(1)分别计算孔径为75 mm与92 mm平均上下偏斜度，经计算，平均偏斜度分别为2.176 m与3.483 m。

根据计算结果可以看出，利用φ92 mm钻头钻孔平均偏斜度要比利用φ75 mm钻头大。这是由于钻头直径大，开孔孔径大，导致开孔不均匀程度也随之升高；另外，钻头直径大，在钻进回转过程中上下浮动较大。

2.2 孔径对钻孔左右偏斜影响

利用式(1)分别计算采用φ75、φ92 mm钻头钻进时平均左右偏斜度，经计算(数据见表1、表2)，平均左右偏斜度为4.144 m与5.081 m。

表2 孔径92 mm钻孔偏斜度与测深Tab.2 Deviation and sounding of 92 mm boreholes

表1 孔径75 mm钻孔偏斜度与测深Tab.1 Deviation and sounding of 75 mm boreholes

根据计算结果可以看出，由于采用不同直径钻头在同一回转速度时，钻头周围煤体卸压范围随着钻头直径增加而增加，钻进过程中钻头逐渐偏向卸压范围大的一方。因此，利用φ92 mm钻头钻进平均偏斜度要比利用φ75 mm钻头大。根据以上分析结果，为防止大的偏斜，在以后地质超前探钻孔施工过程中，应严格使用φ75 mm钻头，防止因钻孔偏斜太大而造成探测失准和工程量浪费。

3 防范措施

根据以上研究，提出如下措施用以防止钻孔偏斜。

(1)钻进过程装钻杆时，一次性不得装超过1根钻杆，防止外露钻杆过长，开孔、钻进过程中上下大幅度摆动导致偏斜。

(2)钻机跑道支撑(斜支撑、立柱支撑)螺栓必须紧固，防止施工过程中由于钻机受反向作用力而出现跑道摆动，影响钻机跑道角度。

(3)利用后支撑油缸，防止钻进过程中由于反向作用力导致钻机出现滑移现象。

(4)打钻过程中，必须保证轻压慢进，压力升高时，应降低钻进速度。

(5)地质超前探钻孔使用φ75 mm钻头钻进。

(6)开孔钻进过程中，必须保证稳、慢，以确保开孔精度。

4 结论

通过研究钻孔角度与钻头直径对偏斜度影响可以发现：

(1)偏斜与钻孔倾角之间并无一般变化规律，但是整体来看，钻孔一般向上偏斜，一些钻孔产生上下偏斜基本处于开孔位置。

(2)偏斜与钻孔夹角之间无一般变化规律，但由于车轮效应钻孔一般向钻头旋转方向偏斜，因稳钻误差、开孔反向作用力影响在开孔位置产生偏斜。

(3)利用加权平均计算方法得到钻头直径为75 mm与92 mm，上下偏斜度分别为2.176 m与3.483 m，左右偏斜度分别为4.144 m与5.081 m。钻孔实际施工过程中，深度超过60 m钻孔，设计钻孔施工倾角时，在根据等高线计算结果的基础上下调2°～3°。