高位探放水孔轨迹倾斜规律及钻进方法改进分析

苏晋辉

（山西西山煤电股份有限公司镇城底矿，山西古交 030200）

探水是指采矿过程中用超前勘探方法，查明采掘工作面顶底板、侧帮和前方等水体的具体空间位置和状况等，其目的是为有效地防治矿井水做好必要的准备。其中探放水孔的质量是做好矿井防治水的非常关键工作之一，探放水孔的设计都有明确的目的性，但是实际打钻过程中，一般情况很难达到预期目标，因此，通过对镇城底矿的部分探访水进行测斜工程经验分析，对掌握部分探放水孔的倾斜规律，及改进了钻进方法较为关键。

1 工程概况

为掌握镇城底矿4502工作面内探放水钻孔轨迹规律，为分析预判4502 工作面探放水钻孔轨迹是否达到探放水验证要求提供技术资料。采用YZG6.4 矿用钻孔轨迹测量仪在该矿4502工作面开展探放水钻孔轨迹分析，YZG6.4矿用钻孔轨迹测量仪采用九轴运动感测追踪组件（三轴互相垂直的加速度传感器测倾角、距离，三轴互相垂直的磁阻传感器测方位角，三轴互相垂直的陀螺仪辅助校正），利用捷联惯导（SINS）系统原理（不依赖于任何外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统）的一款新型钻孔轨迹测量仪。在软件上，测量仪采用运动感测融合演算进行数据处理以及运动校正韧件进行数据校正，保证钻孔轨迹的高精度、高稳定性及智能化、自动化。适用于煤矿井下有甲烷、煤尘爆炸性混合物的场所，适用于直径65mm及65mm以上的各类孔径的轨迹测量。如：煤矿井下地质勘探孔、瓦斯抽放孔、探放水孔、注浆加固等钻孔轨迹的测量。

2 镇城底矿探放水孔测斜分析

2.1 探放水孔设计

根据镇城底矿4502工作面物探结果和现场收集的水位地质资料，结合相邻矿井和工作面防治水工作经验，拟对煤层顶板中砾岩、砂砾岩孔隙裂隙承压含水层和物探结果表明的4502 工作面相邻3511 采空区最低点两侧400m范围内存在的低阻富水区进行疏放，以防止工作面采后大量顶板水通过冒落裂隙带和3511采空区最低点低阻富水区积水向工作面集中涌出，保障4502 工作面安全回采。通过对顶板水的超前可控探放，减小工作面采后涌水量，减轻矿井排水负担，实现“预先疏放、削峰平谷”目的，使顶板水均匀泄出，化解开采期间的水害威胁。

2.2 测斜数据分析

2.2.1 11#钻孔测斜分析

11#号钻孔位于4502 下顺槽42-20 点前（切眼方向）43m。设计方位角20.5°，设计倾角80°，钻孔深度132m，实测孔深到达129m，测量过程中采集点数130个，终孔水平东南方偏20.5m，终孔垂直下偏2.34m，11#钻孔X-Y平面轨迹投影、X-Z剖面轨迹投影如图1、图2所示。

根据图1、图2 分析：11#钻孔实际的开口方位角受套管干扰无法识别，套管段的方位角均设置为20.5°，实际开口的倾角为79°；平面投影图中显示终孔偏差为东南方偏20.5m；剖面图中显示终孔垂直偏差为下偏2.34m。根据成果图及数据显示，钻孔倾角在垂直向上逐渐小幅波动，最大倾角达到85°，且方位角变化较大，总体趋势为向东南方向偏移，因此终孔的位置与设计的终孔的位置水平偏差较大。垂直方向上因为倾角逐渐加大，且方位角偏移较大因此最终到达的高度几乎等同于设计轨迹。钻孔的倾角倾斜规律平滑，无较大跳点，符合正常钻孔倾斜规律。

2.2.2 12#钻孔测斜分析

12#钻孔深度134m，设计方位角20.4°，设计倾角70°，实测孔深到达130m。采集点数131 个，终孔水平西南方偏差40.97m，终孔垂直上偏6.84m。12#钻孔XY平面轨迹投影、X-Z剖面轨迹投影如图3、图4所示。

根据图3、图4 分析：12#钻孔实际的开口方位角受套管干扰无法识别，套管段的方位角均设置为20.4°，实际开口的倾角为70°；平面投影图中显示终孔偏差为西南方偏差40.97m；剖面图中显示终孔垂直偏差为上偏6.84m。根据成果图及数据显示，钻孔在17m处倾角已经逐渐向上倾至80°，并且倾角一直趋于垂直向上，因此终孔的位置与设计的终孔的位置水平偏差较大。垂直方向上因为倾角逐渐加大，因此最终到达的高度要高于设计轨迹。钻孔的倾角倾斜规律平滑，无较大跳点，符合正常钻孔倾斜规律。

2.2.3 YJ1#钻孔测斜分析

YJ1#钻孔深度108m，设计方位角64°，设计倾角52°，实测孔深到达106m。采集点数107 个，终孔水平右偏37.56m，终孔垂直上偏17.26m，YJ1#钻孔X-Y平面轨迹投影、X-Z剖面轨迹投影如图5、图6所示。

根据图5、图6 分析：YJ1#钻孔实际的开口方位角为63.01°，实际开口的倾角为48.79°；平面投影图中显示终孔偏差为右偏37.56m；剖面图中显示终孔垂直偏差为上偏17.26m。根据成果图偏差显示，水平方向上：在钻孔42m位置附近开始大幅度向右偏移。垂直方向上钻孔从10m处开始逐渐向上偏移直至终孔。钻孔的倾斜规律平滑，无较大跳点，符合正常钻孔倾斜规律。

2.3 高位探放水孔倾斜规律分析

通过以上三组数据的分析对比，在高位探放水钻孔施工过程中，角度大于50°后钻孔的倾斜在逐渐地接近垂直方向，且角度越大，钻孔的倾斜接近垂直越快，因此很难固定达到预定的地点。且钻孔水平方向上的倾斜均向右偏斜（钻机正传方向）。

3 钻孔轨迹偏斜原因分析

3.1 地质客观原因

由于钻孔在煤层内会因为地质条件因素发生偏移，从软岩层向硬岩层穿时，在进入硬岩层之前会向较软岩层偏；穿层孔从软岩层向硬岩层穿，在进入硬岩层之后会向较硬岩层偏；钻孔穿过的岩层越破碎，裂隙越发育，钻孔偏斜越严重，而且偏斜方向不确定性越大。具体分析原因有以下几点：①钻孔中遇有较大的孤石或探头石；②在有倾斜的软硬地层交界处，岩面倾斜钻进；或者粒径大小悬殊的砂卵石层中钻进，钻头受力不均；③扩孔较大处，钻头摆动偏向一方。

3.2 钻机原因

安装钻机一定要符合操作规程，地基要求平整，钻机底座要水平、稳固，立柱安装规范，钻机整体固定要符合标准。钻头质量不过关，钻头不锋利钻进不动的时候，由于有钻进的压力存在，钻头会向任意方向倾斜；钻杆质量不过关，在钻进过程中钻杆会发生弯曲，最终导致钻头的倾斜方向发生改变。

3.3 钻进工艺

施工过程要严格按照钻机的操作说明，压力适中、水压正常、钻进速度适中、需要特殊异常体后要保持低钻速、低钻压。钻进前要先空转排渣一定时间。

4 钻进方法改进

4.1 设计上的改进

首先通过镇城底矿的钻孔测斜数据分析其倾斜规律，然后根据规律来适当地加大或者调小钻孔的开孔方位角与倾角，再通过钻孔的数据分析逐步地找到本矿适用的钻孔设计方案。只有通过大量的钻孔测斜数据的支撑，才能最终确定钻孔的方位角和倾角的设定。

4.2 钻机的使用

4.2.1 使用质量过关的钻机

打钻使用的钻机必须是钻孔的探放水钻机，质量要严格把控，钻具也要使用质量过硬的产品，尽量选择大厂家生产的钻机与钻具。钻头的质量也要严格把控，钻头不锋利，割不动，在钻压的作用下，钻头比如会向任意方向偏斜。钻杆质量（硬度，韧性），打钻过程中，容易发生弯曲变形，造成钻孔偏斜。

4.2.2 钻机要安装正、水平

开孔是保证孔斜符合要求的关键所在，每孔开孔前必须保证钻机安装平稳，必要时需要浇筑底座，使天车、立柱、孔位三点呈一线。

4.2.3 钻机固定要牢固。

包括钻机机座安装要牢固，立柱安装标准，打钻过程中，钻机加压，钻机才不会发生位移，钻杆方向不发生变化，减少发生卡钻、夹钻的现象。

4.2.4 钻机调试问题

钻机夹持器要保证完好可用，立柱角度安装正确。钻机夹持器压紧圈过松，会使钻杆角度改变，造成钻孔偏斜。

4.3 不同地层的钻进方法

4.3.1 泥岩层的钻进

泥岩层钻进阻力小，吸附性强，不易脱落，且通过水力钻进时候会将泥岩带有更大的附着性，因此在泥岩层钻进的过程中一定要快速钻进，尽量快速地通过，可以加大水压、加大推进速度、加大钻速等方法快速通过。已防止泥岩层附着钻头产生卡钻，切不可在泥岩层附近停留过长时间，如果已经发生轻微卡钻，则将钻杆后退，然后停止推进，将孔内清洗干净后在尝试快速钻进。

4.3.2 硬岩层的钻进

在砂岩和灰岩等较硬岩石中钻进时候，可以使用快钻速、低推进的方式慢慢钻进，要严格控制钻进的速度，以防止钻孔的倾斜度加大。

4.3.3 一般岩石及煤层中的钻进方法

在一般岩石及煤层中钻进过程中，要保持稳定的钻速和推进速度，不能忽快忽慢，在每隔一段时间要进行冲孔等待，保证钻孔不会发生卡钻等现象。在钻进过程中如果发现钻进扭曲过大，钻进难度加大后要及时停钻，进行测斜分析看是否钻孔已经倾斜严重。严禁为了赶工期而在钻杆已经明显发生严重扭曲时候继续钻进。

5 结语

通过对镇城底矿4502 工作面下顺槽11#钻孔、12#钻孔、YJ1#钻孔三个高位钻孔测斜分析，角度大于50°后钻孔施工过程中的倾斜在逐渐地接近垂直方向，且角度越大，钻孔的倾斜接近垂直越快，钻孔水平方向上的倾斜均向右偏斜（钻机正传方向）。在钻孔施工过程中，要保证钻机安装正、水平，并且固定要牢固，在不同硬度岩层钻进过程中要采取不同的钻进方法，以保证钻孔的钻进效果。