高位探放水孔軌跡傾斜規律及鉆進方法改進分析

蘇晉輝

（山西西山煤電股份有限公司鎮城底礦，山西古交 030200）

探水是指采礦過程中用超前勘探方法，查明采掘工作面頂底板、側幫和前方等水體的具體空間位置和狀況等，其目的是為有效地防治礦井水做好必要的準備。其中探放水孔的質量是做好礦井防治水的非常關鍵工作之一，探放水孔的設計都有明確的目的性，但是實際打鉆過程中，一般情況很難達到預期目標，因此，通過對鎮城底礦的部分探訪水進行測斜工程經驗分析，對掌握部分探放水孔的傾斜規律，及改進了鉆進方法較為關鍵。

1 工程概況

為掌握鎮城底礦4502工作面內探放水鉆孔軌跡規律，為分析預判4502 工作面探放水鉆孔軌跡是否達到探放水驗證要求提供技術資料。采用YZG6.4 礦用鉆孔軌跡測量儀在該礦4502工作面開展探放水鉆孔軌跡分析，YZG6.4礦用鉆孔軌跡測量儀采用九軸運動感測追蹤組件（三軸互相垂直的加速度傳感器測傾角、距離，三軸互相垂直的磁阻傳感器測方位角，三軸互相垂直的陀螺儀輔助校正），利用捷聯慣導（SINS）系統原理（不依賴于任何外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航系統）的一款新型鉆孔軌跡測量儀。在軟件上，測量儀采用運動感測融合演算進行數據處理以及運動校正韌件進行數據校正，保證鉆孔軌跡的高精度、高穩定性及智能化、自動化。適用于煤礦井下有甲烷、煤塵爆炸性混合物的場所，適用于直徑65mm及65mm以上的各類孔徑的軌跡測量。如：煤礦井下地質勘探孔、瓦斯抽放孔、探放水孔、注漿加固等鉆孔軌跡的測量。

2 鎮城底礦探放水孔測斜分析

2.1 探放水孔設計

根據鎮城底礦4502工作面物探結果和現場收集的水位地質資料，結合相鄰礦井和工作面防治水工作經驗，擬對煤層頂板中礫巖、砂礫巖孔隙裂隙承壓含水層和物探結果表明的4502 工作面相鄰3511 采空區最低點兩側400m范圍內存在的低阻富水區進行疏放，以防止工作面采后大量頂板水通過冒落裂隙帶和3511采空區最低點低阻富水區積水向工作面集中涌出，保障4502 工作面安全回采。通過對頂板水的超前可控探放，減小工作面采后涌水量，減輕礦井排水負擔，實現“預先疏放、削峰平谷”目的，使頂板水均勻泄出，化解開采期間的水害威脅。

2.2 測斜數據分析

2.2.1 11#鉆孔測斜分析

11#號鉆孔位于4502 下順槽42-20 點前（切眼方向）43m。設計方位角20.5°，設計傾角80°，鉆孔深度132m，實測孔深到達129m，測量過程中采集點數130個，終孔水平東南方偏20.5m，終孔垂直下偏2.34m，11#鉆孔X-Y平面軌跡投影、X-Z剖面軌跡投影如圖1、圖2所示。

根據圖1、圖2 分析：11#鉆孔實際的開口方位角受套管干擾無法識別，套管段的方位角均設置為20.5°，實際開口的傾角為79°；平面投影圖中顯示終孔偏差為東南方偏20.5m；剖面圖中顯示終孔垂直偏差為下偏2.34m。根據成果圖及數據顯示，鉆孔傾角在垂直向上逐漸小幅波動，最大傾角達到85°，且方位角變化較大，總體趨勢為向東南方向偏移，因此終孔的位置與設計的終孔的位置水平偏差較大。垂直方向上因為傾角逐漸加大，且方位角偏移較大因此最終到達的高度幾乎等同于設計軌跡。鉆孔的傾角傾斜規律平滑，無較大跳點，符合正常鉆孔傾斜規律。

2.2.2 12#鉆孔測斜分析

12#鉆孔深度134m，設計方位角20.4°，設計傾角70°，實測孔深到達130m。采集點數131 個，終孔水平西南方偏差40.97m，終孔垂直上偏6.84m。12#鉆孔XY平面軌跡投影、X-Z剖面軌跡投影如圖3、圖4所示。

根據圖3、圖4 分析：12#鉆孔實際的開口方位角受套管干擾無法識別，套管段的方位角均設置為20.4°，實際開口的傾角為70°；平面投影圖中顯示終孔偏差為西南方偏差40.97m；剖面圖中顯示終孔垂直偏差為上偏6.84m。根據成果圖及數據顯示，鉆孔在17m處傾角已經逐漸向上傾至80°，并且傾角一直趨于垂直向上，因此終孔的位置與設計的終孔的位置水平偏差較大。垂直方向上因為傾角逐漸加大，因此最終到達的高度要高于設計軌跡。鉆孔的傾角傾斜規律平滑，無較大跳點，符合正常鉆孔傾斜規律。

2.2.3 YJ1#鉆孔測斜分析

YJ1#鉆孔深度108m，設計方位角64°，設計傾角52°，實測孔深到達106m。采集點數107 個，終孔水平右偏37.56m，終孔垂直上偏17.26m，YJ1#鉆孔X-Y平面軌跡投影、X-Z剖面軌跡投影如圖5、圖6所示。

根據圖5、圖6 分析：YJ1#鉆孔實際的開口方位角為63.01°，實際開口的傾角為48.79°；平面投影圖中顯示終孔偏差為右偏37.56m；剖面圖中顯示終孔垂直偏差為上偏17.26m。根據成果圖偏差顯示，水平方向上：在鉆孔42m位置附近開始大幅度向右偏移。垂直方向上鉆孔從10m處開始逐漸向上偏移直至終孔。鉆孔的傾斜規律平滑，無較大跳點，符合正常鉆孔傾斜規律。

2.3 高位探放水孔傾斜規律分析

通過以上三組數據的分析對比，在高位探放水鉆孔施工過程中，角度大于50°后鉆孔的傾斜在逐漸地接近垂直方向，且角度越大，鉆孔的傾斜接近垂直越快，因此很難固定達到預定的地點。且鉆孔水平方向上的傾斜均向右偏斜（鉆機正傳方向）。

3 鉆孔軌跡偏斜原因分析

3.1 地質客觀原因

由于鉆孔在煤層內會因為地質條件因素發生偏移，從軟巖層向硬巖層穿時，在進入硬巖層之前會向較軟巖層偏；穿層孔從軟巖層向硬巖層穿，在進入硬巖層之后會向較硬巖層偏；鉆孔穿過的巖層越破碎，裂隙越發育，鉆孔偏斜越嚴重，而且偏斜方向不確定性越大。具體分析原因有以下幾點：①鉆孔中遇有較大的孤石或探頭石；②在有傾斜的軟硬地層交界處，巖面傾斜鉆進；或者粒徑大小懸殊的砂卵石層中鉆進，鉆頭受力不均；③擴孔較大處，鉆頭擺動偏向一方。

3.2 鉆機原因

安裝鉆機一定要符合操作規程，地基要求平整，鉆機底座要水平、穩固，立柱安裝規范，鉆機整體固定要符合標準。鉆頭質量不過關，鉆頭不鋒利鉆進不動的時候，由于有鉆進的壓力存在，鉆頭會向任意方向傾斜；鉆桿質量不過關，在鉆進過程中鉆桿會發生彎曲，最終導致鉆頭的傾斜方向發生改變。

3.3 鉆進工藝

施工過程要嚴格按照鉆機的操作說明，壓力適中、水壓正常、鉆進速度適中、需要特殊異常體后要保持低鉆速、低鉆壓。鉆進前要先空轉排渣一定時間。

4 鉆進方法改進

4.1 設計上的改進

首先通過鎮城底礦的鉆孔測斜數據分析其傾斜規律，然后根據規律來適當地加大或者調小鉆孔的開孔方位角與傾角，再通過鉆孔的數據分析逐步地找到本礦適用的鉆孔設計方案。只有通過大量的鉆孔測斜數據的支撐，才能最終確定鉆孔的方位角和傾角的設定。

4.2 鉆機的使用

4.2.1 使用質量過關的鉆機

打鉆使用的鉆機必須是鉆孔的探放水鉆機，質量要嚴格把控，鉆具也要使用質量過硬的產品，盡量選擇大廠家生產的鉆機與鉆具。鉆頭的質量也要嚴格把控，鉆頭不鋒利，割不動，在鉆壓的作用下，鉆頭比如會向任意方向偏斜。鉆桿質量（硬度，韌性），打鉆過程中，容易發生彎曲變形，造成鉆孔偏斜。

4.2.2 鉆機要安裝正、水平

開孔是保證孔斜符合要求的關鍵所在，每孔開孔前必須保證鉆機安裝平穩，必要時需要澆筑底座，使天車、立柱、孔位三點呈一線。

4.2.3 鉆機固定要牢固。

包括鉆機機座安裝要牢固，立柱安裝標準，打鉆過程中，鉆機加壓，鉆機才不會發生位移，鉆桿方向不發生變化，減少發生卡鉆、夾鉆的現象。

4.2.4 鉆機調試問題

鉆機夾持器要保證完好可用，立柱角度安裝正確。鉆機夾持器壓緊圈過松，會使鉆桿角度改變，造成鉆孔偏斜。

4.3 不同地層的鉆進方法

4.3.1 泥巖層的鉆進

泥巖層鉆進阻力小，吸附性強，不易脫落，且通過水力鉆進時候會將泥巖帶有更大的附著性，因此在泥巖層鉆進的過程中一定要快速鉆進，盡量快速地通過，可以加大水壓、加大推進速度、加大鉆速等方法快速通過。已防止泥巖層附著鉆頭產生卡鉆，切不可在泥巖層附近停留過長時間，如果已經發生輕微卡鉆，則將鉆桿后退，然后停止推進，將孔內清洗干凈后在嘗試快速鉆進。

4.3.2 硬巖層的鉆進

在砂巖和灰巖等較硬巖石中鉆進時候，可以使用快鉆速、低推進的方式慢慢鉆進，要嚴格控制鉆進的速度，以防止鉆孔的傾斜度加大。

4.3.3 一般巖石及煤層中的鉆進方法

在一般巖石及煤層中鉆進過程中，要保持穩定的鉆速和推進速度，不能忽快忽慢，在每隔一段時間要進行沖孔等待，保證鉆孔不會發生卡鉆等現象。在鉆進過程中如果發現鉆進扭曲過大，鉆進難度加大后要及時停鉆，進行測斜分析看是否鉆孔已經傾斜嚴重。嚴禁為了趕工期而在鉆桿已經明顯發生嚴重扭曲時候繼續鉆進。

5 結語

通過對鎮城底礦4502 工作面下順槽11#鉆孔、12#鉆孔、YJ1#鉆孔三個高位鉆孔測斜分析，角度大于50°后鉆孔施工過程中的傾斜在逐漸地接近垂直方向，且角度越大，鉆孔的傾斜接近垂直越快，鉆孔水平方向上的傾斜均向右偏斜（鉆機正傳方向）。在鉆孔施工過程中，要保證鉆機安裝正、水平，并且固定要牢固，在不同硬度巖層鉆進過程中要采取不同的鉆進方法，以保證鉆孔的鉆進效果。