定向長鉆孔在趙固二礦的施工與應用

時歌聲 李國棟 王浩昌

（1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.焦作煤業（集團）新鄉能源有限公司趙固二礦，河南 新鄉 453633）

河南能源焦煤公司趙固二礦位于焦作煤田東部、太行山南麓，為煤與瓦斯突出礦井，地質構造條件簡單、水文地質條件復雜，開采至今未發生瓦斯動力現象。礦井主采煤層為二疊系山西組二1煤層，為近水平單一厚煤層，煤層整體性好，機械強度高，煤層堅固性系數f=1.4～2.8（f=1.5～1.8比較普遍），原煤瓦斯含量在0～15.36m3/t之間。由于煤層底板距離L2、L8、O2含水層較近，底板灰巖含水層巖溶裂隙發育、水壓大，在施工底板巖巷進行穿層鉆孔預抽瓦斯過程中，隔水層進一步削弱，極易引發底板突水。此外，由于礦壓顯現劇烈，底板巷支護困難、掘進緩慢，造成礦井采掘接替異常緊張。

礦井2016年引進了首臺千米定向鉆機，通過施工穿層走向長鉆孔代替底板巖巷進行區域瓦斯治理，一次性完成走向600m、傾向64m條帶煤層均勻控制抽采，減少施工底抽巷發生突水事故的危險性，實現了煤巷的安全掘進。

1 施工工藝流程

千米鉆機定向長鉆孔鉆場位于11060底抽巷通尺627m處，與煤層底板垂距10.5m，與11060工作面下順槽平距內錯10m。定向鉆孔施工成孔工藝基本包括：鉆孔參數確定、開孔固孔、保直鉆進、造斜鉆進等幾個階段[1-2]。

1.1 鉆孔參數設計

為加快瓦斯抽采，同時避免施工較大直徑鉆孔帶來的塌孔、堵孔情況[3]，鉆孔直徑選擇為Φ96mm。根據礦井實測本煤層鉆孔180d極限抽采影響半徑為3.92m，共設計4個主孔，13個主分支孔，分支孔孔底間距5m，鉆孔孔深600m。鉆孔設計平面布置見圖1。

由于定向鉆孔最后將以與地層平行的角度進行延伸，需要將鉆孔傾角轉變為3°左右進行鉆進，應盡量減小鉆孔進煤層傾角，縮短鉆孔造斜段距離。同時，套管段位于煤層底板，地層相對破碎不穩定，易發生各種鉆探事故，且大直徑套管段下入困難，應盡量減少巖孔段距離。綜合以上考慮鉆孔開孔傾角設計為12°，出套管時傾角為10°～14°，且出套管后應盡快調整鉆孔方位達到設計值，以減少盲區，增加可用抽采鉆孔長度。

圖1 鉆孔設計平面布置圖

1.2 鉆孔套管固孔施工

11060底抽巷頂板為泥巖、砂質泥巖，整體巖性較軟，有遇水膨脹的可能性。為防止巖孔段泥巖遇水縮徑、塌孔變形，開孔期間采取全巖段下二級套管并注漿加固。

1#鉆孔開孔過程中，二級套管鉆進采用穩定組合鉆具（Φ133mm鉆頭+2根Φ132mm扶正器+Φ73mm螺旋鉆桿）回轉鉆進技術施工，鉆孔傾角變化較大時采用隨鉆測量定向鉆進進行軌跡調控，鉆孔60m見煤，傾角11.9°，但二級套管下至孔深12m時無法下入。

調整施工方案，采用套管取芯鉆具組合（Φ133mm取芯鉆頭+Φ127mm套管+Φ127mm異徑接頭+Φ73mm螺旋鉆桿）從孔口開始重新施工，孔深48m時見煤，傾角為13.6°，二級套管順利下至孔底。不同鉆進工藝套管孔段傾角變化情況見表1。

由表1可以看出，采用套管取芯工藝鉆進效率較低，平均每班進尺5m左右，孔軌跡傾角略有上升，但整體保直效果好，能夠保證二級套管順利下入孔底，后期鉆孔開孔套管段均采用取芯鉆進工藝。

1.3 定向孔段施工

（1）鉆孔設計要求

鉆孔設計時以地層傾角及起伏狀況為依據，鉆孔傾角與地層相一致，盡量靠近煤層底板1.5～2m鉆進。實際施工過程中，每隔100m進行一次探頂，每隔200m進行一次探底，根據施工情況，可調整探頂和探底次數。由于煤層有出水可能性，因此鉆孔傾角應≥0°。

（2）鉆進技術要求

① 設計造斜強度為（0.5°～1°）/3m；② 隨鉆測量測點間隔設計為3m；③ 鉆孔軌跡左右位移應嚴格按照設計控制，上下位移控制依據探測的頂板情況控制，保證鉆孔在煤層中延伸；④ 鉆進過程中及時關注設備工作壓力、孔口返水以及隨鉆測量數據情況，遇到異常及時停鉆處理[3-4]。

2 定向長鉆孔施工成果

2.1 1-1#孔施工情況

11060底抽巷統尺627m鉆場1-1#孔為趙固二礦首個定向長鉆孔，歷時17d共完成主孔及分支孔16個，其中探頂分支5個、探底分支7個，鉆進異常分支3個。實鉆鉆孔軌跡剖面如圖2所示。

圖2 1-1#孔實鉆剖面圖

1-1#孔施工時，165m附近和450m附近，出現兩次地層無法辨識，主要原因分析：（1）礦井采掘工程平面圖上給出的煤層頂板等高線誤差較大；（2） 地層突然向上起伏時（165m為由0°變為4°，450m由2°變為4°），導致鉆孔軌跡與實際底板距離低于2m，極易鉆遇底板，且使預留分支點離底板較近，容易再次鉆遇底板；（3）鉆屑作為頂底板判斷的輔助標志，長距離鉆進或煤層夾矸時容易誤導頂底板判斷。在鉆進參數和速度正常的情況下，應繼續鉆進查實，僅依靠預測的頂底板線，易產生誤判，為后期開分支產生干擾。

施工工藝優化：（1）盡量將鉆孔布置在煤層中上部，避免鉆孔軌跡靠近底板或鉆遇底板，導致退鉆開分支距離遠，頂底板無法有效判斷等問題；（2）未知區域施工時，減小探頂間距，及時查明煤層起伏情況后，修改鉆孔設計軌跡；（3）利用EXCEL進行鉆孔軌跡預測，加強軌跡控制精度，避免軌跡調整滯后或超量，減少造斜段距離和鉆孔彎曲曲率；（4）增加預留分支點個數；（5）定期采集煤巖樣，加強巖性識別和鉆進參數分析，輔助鉆進決策[5-6]。

1-1#施工過程耗時最長、累計孔深最大、開分支次數最多，鉆孔鉆進過程中進行了煤層頂、底板探測分析，摸清了頂底板層位后，后期鉆孔整體鉆進施工較順利，均達到設計要求，且開分支、探頂、探底次數大幅減少，工期明顯縮短。

2.2 定向長鉆孔整體施工成果

自2016年3月22日～8月16日，在巷道627m處鉆場內施工定向長鉆孔，實際完成4個主孔、14個主分支孔，鉆孔總計進尺9157m（巖孔段209m）。由于11060底抽巷627m處鉆場施工的長鉆孔為穿層鉆孔，從巖到煤需要一段距離，同時鑒于長鉆孔開分支的特點，627m處鉆場施工的長鉆孔不能均勻覆蓋煤巷統尺676～820m范圍，因此在480m處鉆場補充施工定向長鉆孔予以覆蓋，完成施工2個主孔、11個主分支孔，鉆孔總計進尺2462m（巖孔段105.5m）。定向長鉆孔實鉆如圖3所示。

圖3 11060下順槽順層長鉆孔實鉆圖

11060底抽巷施工的千米鉆機定向長鉆孔平均日進尺86.1m，單班最高進尺102m。在鉆孔施工過程中，由于煤層賦存條件不斷變化，進行了9次探到頂板、12次探到底板，實鉆分支孔間距大部分為5m左右，最大孔間距7.6m（仍小于實測影響半徑2倍，7.84m）。14個分支孔中有12個孔深超過600m，最大孔深626m，鉆孔施工整體上達到設計要求，較好地控制了抽采區域煤層。

3 定向長鉆孔瓦斯治理效果

經過不少于6個月連續抽采，累積抽出瓦斯量49.7萬m3，瓦斯抽出率為15.68%，實測殘余瓦斯含量2.98～5.95m3/t。巷道統尺650～1150m掘進期間，平均日進尺7.58m，平均月進尺227m。掘進期間回風流瓦斯濃度整體較低，大部分時間回風流平均瓦斯濃度在0.05%～0.15%之間，最大回風流瓦斯濃度為0.28%，巷道最大瓦斯涌出量為1.42m3/min。掘進期間采用“復合指標法”連續進行區域驗證，測定鉆屑量與鉆孔瓦斯涌出初速度指標，經過94次驗證，鉆孔鉆屑量指標S為1.7～2.6kg/m，鉆孔瓦斯涌出初速度指標q均＜1.5L/min，兩項指標均小于臨界值，且鉆孔施工期間未出現噴孔、卡鉆等突出預兆，區域驗證結果均為無突出危險。

4 結論

（1）采用套管取芯鉆進工藝，實現了大直徑套管孔段保直施工，確保了大直徑長距離套管下放；

（2）通過主孔施工時“探頂+開分支”技術探明了鉆孔延伸方向上的煤層起伏情況，修正了煤層頂板等高線，確保了鉆孔軌跡控制在煤層中延伸，提高了后期鉆孔施工效率。

（3）利用千米定向鉆機施工優勢，對鉆孔施工軌跡準確掌握，實現了對煤巷掘進范圍煤體的均勻控制，避免了底板巖巷施工水害問題，為區域瓦斯治理提供了保障。