底抽巷全斷面扇形群孔定向鉆進技術研究

雷豐勵

1瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室 重慶 400039

2中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶 400039

定向鉆進技術因其具有軌跡可控、鉆進深度長、鉆進速度快、成孔率高、瓦斯抽采效果好的技術優勢，在大中型煤礦本煤層順層鉆孔中得到廣泛應用。近年來，定向鉆進技術成功運用于煤層頂底板硬巖鉆進，最為典型的是頂板高位大直徑定向長鉆孔，實現“以孔代巷”，解決了回采工作面上隅角瓦斯問題[1-3]。

定向鉆進技術在底板穿巖順煤層預抽 (煤巷條帶掘進和煤層區段預抽消突) 瓦斯治理中一直未得到較好的應用，一方面，底抽巷道較為狹窄，國內大多數定向鉆機體積較大，井下運輸和鉆場施工受限；另一方面，底抽巷鉆孔分布呈扇形，傾角變化范圍 0°～180°，而定向鉆機施工近水平鉆孔，鉆機開孔傾角范圍大多數在 -10°～+20°，不能滿足底抽巷大傾角施工要求；再者，底抽巷鉆孔需穿過底板進入煤層，煤巖交接處易破碎，煤層較為碎軟，地層條件復雜，可鉆性差，常規定向鉆具容易出現塌孔抱鉆；并且長期以來采用普通鉆機，覆蓋面積有限，底抽巷兩側小角度的鉆孔，因鉆孔軌跡不可控，找不到煤點，從而造成瓦斯抽采空白帶。

為了有效解決底抽巷道全斷面扇形群孔鉆進問題，針對性地開展了定向鉆機、鉆具、測量技術及其工藝研究，研制出適應巷道斷面小、通過能力較差的南方礦井的定向鉆進技術工藝，提高了底抽巷瓦斯治理效果[4]。

1 底抽巷扇形群孔現狀

使用軌跡測量儀對普通鉆機底抽巷鉆孔進行分析(見圖 1)，鉆孔傾角大于 60°、孔深小于 30 m 時，成孔后偏斜較小，與設計基本保持一致；傾角在 20°～60°之間、孔深在 30～70 m 之間時，鉆孔會發生一定偏斜，但終孔位置在設計允許誤差內，相鄰鉆孔之間不存在抽采空白帶；傾角小于 20°、孔深超過 70 m 的中深鉆孔，大部分鉆孔受重力影響超出設計軌跡的誤差范圍，不能達到煤層位置，存在抽采空白帶。

圖1 底抽巷扇形群孔分布Fig.1 Distribution of fan-shaped group holes in bottom gas drainage roadway

2 技術裝備

針對中小煤礦底抽巷定向鉆孔高效施工要求，對主機鉆進性能、隨鉆測量系統傾角測量范圍、通纜鉆桿排渣能力和孔底馬達長度等方面進行研究。

2.1 小型多方位定向鉆機

小型多方位定向鉆機外形如圖 2 所示。結合底抽巷狹窄巷道條件，鉆機整機寬度為 1 100 mm，主機與泥漿泵集成一體，適用于狹窄巷道運輸和定向鉆進施工。鉆機采用雙轉盤結構，集成水平方位旋轉、上下提升、傾角調整和縱向橫向錨固等功能，調斜角度范圍為 0°～360°，方位角可調角度范圍為±90°，滿足底抽巷道全斷面鉆孔施工，并且可以快速調節開孔高度和傾角。鉆機采用機架縱向、橫向復合錨固結構，在進行深孔鉆進時具有較高的穩定性[5-7]。

圖2 小型多方位定向鉆機Fig.2 Small multi-directional oriented drilling rig

2.2 小尺寸孔底馬達

普通孔底馬達長度在 3.5 m 以上，通常情況下，底抽巷的寬度小于 4.0 m，不能滿足狹小使用環境的要求。針對馬達結構特性，在保證原有馬達性能的基礎上，通過優化轉子螺旋曲線來縮短馬達整體長度，研制出滿足狹窄巷道定向鉆進需求的長度為 2.5 m 的孔底馬達，同時達到孔底馬達使用壽命≥300 h 的要求。

2.3 高強度螺旋凹槽定向鉆桿

底抽巷施工過程中，鉆頭穿過巖層進入煤層，煤巖交接處容易出現塌孔抱鉆，常規外平鉆桿排渣能力受限，無法繼續鉆進。為此研制出螺旋凹槽定向鉆桿，利用凹槽碾壓大顆粒煤巖，刮切、排出鉆孔內的巖煤粉，同時還具有足夠的抗扭強度，保證鉆進正常進行。高強度螺旋凹槽定向鉆桿如圖 3 所示，采用雙層結構，以傳遞信號和輸送高壓水。

圖3 螺旋凹槽定向鉆桿Fig.3 Spiral-grooved oriented drilling rod

2.4 大傾角高精度隨鉆測量系統

底抽巷鉆進施工斷面扇形孔，其開孔傾角范圍為0°～180°。近水平隨鉆測量系統傾角測量相對較小，進行大于 70°的大傾角定向鉆進施工時，傾角投影近似為點，測量精度低。從傾角、方位角、工作面角的換算方法，軌跡的計算方法，軟件操作流程和界面等方面進行研究，開發了大傾角高精度隨鉆測量系統，可以直觀顯示鉆孔空間位置信息，如圖 4 所示[8]。

圖4 大傾角高精度隨鉆測量系統界面Fig.4 Interface of large-obliquity high-precision measurement system while drilling

3 底抽巷穿層定向鉆孔試驗情況

本次試驗選擇在河南具有典型代表性的底抽巷瓦斯治理礦井進行。礦井底抽巷長度為 932 m，巷道寬B=3.8 m，高H=3.3 m，設計斷面面積約為 12 m2，上距煤層底板 10～20 m。巷道所在區域地質構造簡單，總體呈單斜構造，局部有小型褶曲發育，巖層傾角為8°～17°。該巷道煤層底板主要為砂巖，巖性穩定，中間底抽巷所在區域煤層厚度為 4.0～8.5 m，平均為6.3 m。通過定向鉆進底抽巷全斷面扇形群孔的試驗，解決普通鉆機在底抽巷空白帶的難題，探索出一套底抽巷定向鉆進技術工藝。

3.1 試驗設備及配套鉆具

本次試驗采用重慶煤科院研制生產的煤礦用履帶式全液壓定向鉆機。該鉆機主要由 ZYWL-6500D 整體式小型多方位鉆機、φ76×1 500 mm 螺旋凹槽定向鉆桿、2.5 m 螺桿馬達、96 胎體式定向鉆頭和 ZSZ1500隨鉆測量系統等組成。

3.2 鉆孔方案設計

為了達到底抽巷穿巖煤層區段預抽消突中瓦斯治理效果，根據該礦實際情況，決定在 2700 中間底抽巷內施工定向鉆孔。在 2700 中間底抽巷布置 1 個鉆場，鉆場距中間底抽巷切眼位置約 590 m。鉆場共需布置 17 個主孔，呈扇形布孔，如圖 5 所示。

圖5 底抽巷鉆孔布置示意Fig.5 Layout sketch of drilling holes in bottom gas drainage roadway

3.3 試驗情況

試驗過程中，根據鉆場布置的 17 個孔，選擇了具有代表性的 (依據傾角分布) 5 個孔，其中探測底板地質鉆孔 1 個，定向穿層孔 4 個。除大傾角孔深度為 30 m，其余小傾角孔為中深孔，鉆孔數據如表 1 所列。

表1 鉆孔情況統計Tab.1 Statistics of drilling holes status

3.4 關鍵工藝技術

通過上述試驗，定向鉆進技術在底抽巷穿層中深鉆孔中成功應用，解決了普通鉆機鉆進偏斜造成抽采空白帶，消除區域防突措施不到位的安全隱患，形成4 項關鍵技術，為狹窄巷道定向快速施工提供了一套方法[9-10]。

(1) 小傾角深孔定向鉆進精準見煤點技術 試驗過程中，150 m 巖孔段終孔水平誤差值為 0.19 m，上下面誤差值為 0.05 m，確保了軌跡控制精度；1°、3°和 170°小傾角底板穿層鉆孔能夠按照設計參數施工，精準找到煤點，解決了普通鉆機不能覆蓋的抽采空白帶。

(2) 大傾角高精度隨鉆測量技術 開孔傾角為81°的定向孔鉆進 30 m，其中前 23 m 為巖層鉆進，進入煤層后鉆進 7 m，實鉆軌跡和設計保持同步，測量精度沒有受大傾角影響。

(3) 煤巖交接處破碎和碎軟煤層成孔技術 河南地區煤層普遍含有軟煤層，軟煤層f值僅為 0.3 左右，并且煤巖交接處易破碎。鉆孔進入煤層前選擇合適的傾角，快速穿入煤層。螺旋鉆桿排渣優于其他鉆桿，能順利穿過巖層，深入煤層十幾米，并且安全退鉆，成孔率較高，保證了后期瓦斯抽放。

(4) 狹窄巷道扇形群孔定向鉆進技術 研制的雙轉盤多方位機架結構，在狹窄的底抽巷環境中，開孔角度從 0°～180°任意調整，實現快速穩固，同時減短孔內軌跡調整的無效孔長度；螺桿馬達長度為 2.5 m，通纜鉆桿和無磁鉆桿均為 1.5 m，在寬度小于 4.0 m 的巷道內裝卸毫無阻礙。

4 探索運用

在河南地區，一般工作面斜長約為 200 m，可采走向長度約為 1 000 m，1 條底抽巷普通鉆機有效控制范圍為下幫 35 m 左右、上幫 40 m 左右 (且下幫鉆孔傾角不得小于 6°、上幫鉆孔孔深不得超過 70 m)。要想做到穿層鉆孔全覆蓋，底抽巷的間距不得大于 75 m，1 個工作面共需 3 條底抽巷，每條底抽巷至少 1 000 m長。

采用底抽巷定向穿層鉆進，單孔設計深度在 100 m 內，抽采半徑為 200 m，只需 2 條底抽巷即可達到工作面全覆蓋的效果，效率和成本上具有明顯優勢，如圖 6 所示。

圖6 底抽巷設計對比Fig.6 Design comparison of bottom gas drainage roadway

5 結語

為替代普通鉆機深鉆孔施工，通過對定向鉆機關鍵技術的研究，形成了一整套底抽巷全斷面扇形群孔定向鉆進技術，并在底抽巷穿層孔施工中應用。該技術解決了小傾角中深鉆孔軌跡不可知、不可控、不易見煤的難題，有效消除了抽采空白帶的重大隱患，實現精準消突，為底抽巷優化布置提供了一種新思路，最大限度發揮了底抽巷的作用，減少了底抽巷的巖巷工程量，緩解了煤與瓦斯突出礦井生產接替緊張的局面。