瓦斯抽采作業(yè)鉆孔偏移規(guī)律分析及糾偏措施研究

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（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)寺河礦 山西 048200）

鉆井瓦斯抽采是控制煤層瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)鍵舉措之一。一方面，該舉措可以改變井下瓦斯壓力和煤層的原地應(yīng)力，從而可以緩解壓力并防止突出。另一方面，也可以將提取的高濃度氣體看作是能源材料，保護(hù)環(huán)境，發(fā)揮多種效果。但是，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，瓦斯抽放井眼很容易就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)位，導(dǎo)致鉆孔無法到達(dá)設(shè)計(jì)位置，形成了抽采空白區(qū)，不能有效起到煤層泄壓與抽采瓦斯的作用。無形中就會(huì)給煤礦開采埋下了危險(xiǎn)因素。為了實(shí)現(xiàn)良好的瓦斯抽取，盡量避免鉆孔過程中發(fā)生偏移，本研究根據(jù)現(xiàn)場鉆孔軌跡測量的具體數(shù)值進(jìn)行研究分析，探究出了造成這一偏差的原因以及偏差發(fā)生的概率和偏差軌跡，并針對具體原因分析出了糾正措施和研究結(jié)論，可以提高瓦斯抽放鉆孔的質(zhì)量，確保煤礦的安全生產(chǎn)。

1.鉆孔軌跡儀的引入

（1）選取儀器。本文使用的研究鉆孔軌跡的實(shí)驗(yàn)儀器主要由兩部分組成：軌跡探測管道和顯示控制器。在鉆孔過程中，必須要將軌跡探測管道設(shè)置在鉆頭后面的非磁性鉆管中，它的作用主要是用來測量鉆孔過程中一些角度信息并記錄下來，然后將這些數(shù)據(jù)通過內(nèi)部連接傳送到顯示控制器上以供觀看，同時(shí)保存成為文本。鉆孔成功后，機(jī)器內(nèi)置的計(jì)算程序會(huì)對鉆孔的軌跡進(jìn)行捕捉并根據(jù)測得的數(shù)據(jù)而繪制成三維的圖像，并通過與設(shè)計(jì)的軌跡進(jìn)行比較，分析形成鉆孔偏移的規(guī)律。

（2）鉆孔軌跡繪制原理。繪制鉆井軌跡的實(shí)際運(yùn)行原理是，首先設(shè)置開口位置的傾角和方位角，然后測量即將鉆孔的深度，傾角，方位角等測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并計(jì)算出測量點(diǎn)的位置。類似地，通過推演獲得了多個(gè)測量點(diǎn)的具體位置，并且將所得到的位置點(diǎn)進(jìn)行連接得到鉆孔軌跡。

下面就對這一過程進(jìn)行演繹，假設(shè)軌跡為一條斜線，孔開口處就是原點(diǎn)的位置，X軸朝北面，Y軸朝著東邊，Z軸垂直于X軸和Y軸且向下。將所有測得的點(diǎn)的數(shù)據(jù)在這個(gè)空間坐標(biāo)軸里面呈現(xiàn)出來，得到的軌跡圖如圖1所示，并根據(jù)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算推導(dǎo)。

圖1 鉆孔軌跡示意圖

式中：x0，y0，z0—孔口原點(diǎn)位置處；xA，yA，zA—鉆孔軸線上A的坐標(biāo)；θ—開孔頂角；α—開孔方位角；LA—孔口至測點(diǎn)鉆孔軸線的長度。

2.鉆孔偏移規(guī)律分析

上述提及到的儀器可以用于測量山西某礦區(qū)不同礦井的鉆孔井眼軌跡，主要用于測量順層和跨層的鉆孔情況。本文對1000個(gè)鉆孔進(jìn)行了調(diào)查和計(jì)數(shù)，其中包括537個(gè)順層鉆孔（359個(gè)上升鉆孔，178個(gè)向下的孔），463個(gè)貫穿層鉆孔（307個(gè)向上的孔，156個(gè)向下的孔）。

(1)順層鉆孔側(cè)斜

①順層上行鉆孔測斜。在鉆孔方向向上的共計(jì)359個(gè)順層鉆孔中，有240個(gè)向上偏斜鉆孔，發(fā)生率為66.9%；119個(gè)向下偏斜的鉆孔，可能性為33.1%；在垂直方向上有大概7個(gè)鉆孔會(huì)發(fā)生重合，發(fā)生的概率為1.9%；鉆孔位置往左側(cè)偏的有88個(gè)孔，概率為24.6%；方向往右偏的有262個(gè)孔，概率為73.0%；另外還有3個(gè)孔在水平方向上有重疊的跡象，這種情況發(fā)生的概率為0.8%。從沿層向上鉆進(jìn)的運(yùn)移規(guī)律可以看出，向上鉆進(jìn)的過程中向上偏移概率大于向下偏移的概率，向左偏移的概率小于向右偏移的概率，另外可以看出軌跡重合的可能性很小。

②順層下行鉆孔測斜。在上述說明過的178個(gè)向下鉆孔的順層鉆孔中，有58個(gè)向上偏斜鉆孔，發(fā)生率為32.6%；120個(gè)向下偏斜的孔，可能性為67.4%；在垂直方向上有5個(gè)重疊的孔，概率為2.8%。有稍微往左側(cè)發(fā)生偏移的有46個(gè)鉆孔，概率為33.7%；右邊發(fā)生偏移的有123個(gè)鉆孔，發(fā)生偏移概率為69.1%；在水平方向上重疊的2個(gè)鉆孔，出現(xiàn)的可能性接近1%。從順層向下鉆孔的運(yùn)移規(guī)律可以看出，分層鉆探的向下鉆孔向上偏移的概率小于向下偏移的概率，左向偏移的概率小于向下偏移的概率，根據(jù)偏差發(fā)生的可能性的分析結(jié)果來看，軌跡重合的可能性很小。

(2)貫穿層鉆孔側(cè)斜

①貫穿層上行鉆孔測斜。在測得的307個(gè)貫穿層向上孔中，有159個(gè)向上偏斜孔，發(fā)生的概率為51.8%。115個(gè)向下偏斜的鉆孔，可能性為37.5%；在垂直方向上有46個(gè)重合的孔。發(fā)生的機(jī)率是15.1%；往左側(cè)偏移鉆了111個(gè)孔，概率為31.6%；右邊偏移的情況下鉆了173個(gè)孔，概率為56.2%；水平方向上重疊32個(gè)孔，概率為10.3%。從上升鉆孔的遷移規(guī)律可以看出，鉆孔的上升鉆孔向上偏移，向左偏轉(zhuǎn)的可能性小于向右偏轉(zhuǎn)的可能性，軌跡重合的可能性也在一定程度上占百分比。

②穿層下行鉆孔（高位巷）測斜。在測得的整個(gè)貫穿層中的156個(gè)向下鉆孔中，有38個(gè)向上偏移鉆孔，發(fā)生概率為24.3%。向下偏斜的孔有99個(gè)，概率為63.7%；垂直方向有17個(gè)重合的鉆孔，可能會(huì)發(fā)生的概率為11.2%；左側(cè)偏移的情況下鉆了81個(gè)孔，該結(jié)果發(fā)生的概率為51.8%；右側(cè)偏移的情況下鉆了72個(gè)孔，發(fā)生概率為46.3%。水平方向上有2個(gè)孔重合，概率為1.5%。從向下鉆孔的遷移規(guī)律可以看出，這些鉆孔具有向上偏移的可能性比向下偏移的可能性低。左偏的概率與右偏的概率基本相同，軌跡重疊的可能性很小。

3.鉆孔糾偏及效果分析

利用軌跡儀得到了鉆孔過程中存在的一些基本規(guī)律，對鉆孔容易發(fā)生偏移的原因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，造成這一現(xiàn)象的原因很多，大致可以分為三類：地質(zhì)因素，技術(shù)因素和工藝因素。因此不能只采取單一的糾偏措施，必須要綜合考慮多個(gè)方面。本文著重研究角度對沖方法的矯正措施及其效果，即根據(jù)鉆進(jìn)偏移規(guī)律，相應(yīng)地調(diào)整鉆進(jìn)設(shè)計(jì)角度和張開角度，以達(dá)到消除和減少角度偏移的實(shí)際效果。

（1）在15-17-12100機(jī)巷中，構(gòu)造了層理測試鉆孔過程，發(fā)現(xiàn)有如下規(guī)律：221#下鉆的設(shè)計(jì)角度為-11°。鉆孔后，實(shí)際軌跡端孔位置比設(shè)計(jì)低了近2m，差距非常大。角度對沖法進(jìn)行調(diào)整，即角度增加1°，當(dāng)鉆孔設(shè)計(jì)角度為-11°時(shí)，按照-10°的張角進(jìn)行鉆孔作業(yè)。鉆井軌跡畫出的實(shí)際軌跡與校正后的理論軌跡實(shí)現(xiàn)了非常理想的吻合，最終孔位置相對設(shè)計(jì)的偏差量在10mm左右。垂直方向221#向下鉆進(jìn)的軌跡如圖2所示。

圖2 221#下行鉆孔垂直方向偏移軌跡圖

296#向下鉆進(jìn)設(shè)計(jì)角度為-11°，在鉆進(jìn)過程中的真實(shí)軌跡對比發(fā)現(xiàn)往下偏移了一米五的量。運(yùn)用角度對沖法，即在實(shí)際鉆進(jìn)過程中角度增加1°，即當(dāng)鉆孔設(shè)計(jì)角度為-11°時(shí)，按照-10°的張角進(jìn)行鉆孔作業(yè)。296#向下鉆進(jìn)的垂直偏移軌跡見下圖3。對其軌跡圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，校正后的實(shí)際軌跡和理論軌跡的最終孔位置很大程度上實(shí)現(xiàn)了重合，偏移的距離幾乎可以忽略。

圖3 296#下行鉆孔垂直方向偏移軌跡圖

（2）在己15-16-24100機(jī)巷施工順層試驗(yàn)鉆孔，測量規(guī)律如下：設(shè)計(jì)開口角度為9°的七組1#上行鉆孔過程中。根據(jù)專門的軌跡測量儀進(jìn)行測量發(fā)現(xiàn)，實(shí)際軌跡偏移量竟然高達(dá)一米。采用角度減小3°的方式再次嘗試鉆孔，即當(dāng)鉆孔設(shè)計(jì)角度為9°時(shí)，實(shí)際打開角度為6°，根據(jù)鉆孔軌跡的跟蹤發(fā)現(xiàn)，實(shí)際鉆孔位置與設(shè)計(jì)的理想位置在很大程度上保持一致。

4.結(jié)論

（1）本研究中選用新型的測量儀來測量礦區(qū)不同礦井中近一千種不同鉆孔軌跡，通過對這一千種結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的規(guī)律：往上的孔在垂直方向上傾向于向上偏移，往下鉆的孔在向下方向上傾向于向下偏移；順層鉆孔常見的偏移類型是沿著水平方向向右偏移；貫穿層鉆探的向上孔傾向于向右偏移，向下方向的孔的可能性相似。（2）另外本研究中還提及到了一種較為常用的方法：角度對沖法對鉆進(jìn)偏斜進(jìn)行校正。通過在實(shí)際應(yīng)用中加以運(yùn)用發(fā)現(xiàn)，角度對沖法對于鉆孔過程中的偏移量可以進(jìn)行有效的控制，使之限定在合理范圍之內(nèi)，提高了煤層瓦斯抽放質(zhì)量，確保了煤礦井下的作業(yè)安全保障。（3）事實(shí)上導(dǎo)致鉆孔偏差的原因很多，因此在實(shí)際鉆孔過程中可以采取多種措施來進(jìn)行糾偏。但是為了達(dá)到良好的改正效果和氣控效果，還有待于進(jìn)一步探索，研究和采用更合理的改正措施。