定向长钻孔在赵固二矿的施工与应用

时歌声 李国栋 王浩昌

（1.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.焦作煤业（集团）新乡能源有限公司赵固二矿，河南 新乡 453633）

河南能源焦煤公司赵固二矿位于焦作煤田东部、太行山南麓，为煤与瓦斯突出矿井，地质构造条件简单、水文地质条件复杂，开采至今未发生瓦斯动力现象。矿井主采煤层为二叠系山西组二1煤层，为近水平单一厚煤层，煤层整体性好，机械强度高，煤层坚固性系数f=1.4～2.8（f=1.5～1.8比较普遍），原煤瓦斯含量在0～15.36m3/t之间。由于煤层底板距离L2、L8、O2含水层较近，底板灰岩含水层岩溶裂隙发育、水压大，在施工底板岩巷进行穿层钻孔预抽瓦斯过程中，隔水层进一步削弱，极易引发底板突水。此外，由于矿压显现剧烈，底板巷支护困难、掘进缓慢，造成矿井采掘接替异常紧张。

矿井2016年引进了首台千米定向钻机，通过施工穿层走向长钻孔代替底板岩巷进行区域瓦斯治理，一次性完成走向600m、倾向64m条带煤层均匀控制抽采，减少施工底抽巷发生突水事故的危险性，实现了煤巷的安全掘进。

1 施工工艺流程

千米钻机定向长钻孔钻场位于11060底抽巷通尺627m处，与煤层底板垂距10.5m，与11060工作面下顺槽平距内错10m。定向钻孔施工成孔工艺基本包括：钻孔参数确定、开孔固孔、保直钻进、造斜钻进等几个阶段[1-2]。

1.1 钻孔参数设计

为加快瓦斯抽采，同时避免施工较大直径钻孔带来的塌孔、堵孔情况[3]，钻孔直径选择为Φ96mm。根据矿井实测本煤层钻孔180d极限抽采影响半径为3.92m，共设计4个主孔，13个主分支孔，分支孔孔底间距5m，钻孔孔深600m。钻孔设计平面布置见图1。

由于定向钻孔最后将以与地层平行的角度进行延伸，需要将钻孔倾角转变为3°左右进行钻进，应尽量减小钻孔进煤层倾角，缩短钻孔造斜段距离。同时，套管段位于煤层底板，地层相对破碎不稳定，易发生各种钻探事故，且大直径套管段下入困难，应尽量减少岩孔段距离。综合以上考虑钻孔开孔倾角设计为12°，出套管时倾角为10°～14°，且出套管后应尽快调整钻孔方位达到设计值，以减少盲区，增加可用抽采钻孔长度。

图1 钻孔设计平面布置图

1.2 钻孔套管固孔施工

11060底抽巷顶板为泥岩、砂质泥岩，整体岩性较软，有遇水膨胀的可能性。为防止岩孔段泥岩遇水缩径、塌孔变形，开孔期间采取全岩段下二级套管并注浆加固。

1#钻孔开孔过程中，二级套管钻进采用稳定组合钻具（Φ133mm钻头+2根Φ132mm扶正器+Φ73mm螺旋钻杆）回转钻进技术施工，钻孔倾角变化较大时采用随钻测量定向钻进进行轨迹调控，钻孔60m见煤，倾角11.9°，但二级套管下至孔深12m时无法下入。

调整施工方案，采用套管取芯钻具组合（Φ133mm取芯钻头+Φ127mm套管+Φ127mm异径接头+Φ73mm螺旋钻杆）从孔口开始重新施工，孔深48m时见煤，倾角为13.6°，二级套管顺利下至孔底。不同钻进工艺套管孔段倾角变化情况见表1。

由表1可以看出，采用套管取芯工艺钻进效率较低，平均每班进尺5m左右，孔轨迹倾角略有上升，但整体保直效果好，能够保证二级套管顺利下入孔底，后期钻孔开孔套管段均采用取芯钻进工艺。

1.3 定向孔段施工

（1）钻孔设计要求

钻孔设计时以地层倾角及起伏状况为依据，钻孔倾角与地层相一致，尽量靠近煤层底板1.5～2m钻进。实际施工过程中，每隔100m进行一次探顶，每隔200m进行一次探底，根据施工情况，可调整探顶和探底次数。由于煤层有出水可能性，因此钻孔倾角应≥0°。

（2）钻进技术要求

① 设计造斜强度为（0.5°～1°）/3m；② 随钻测量测点间隔设计为3m；③ 钻孔轨迹左右位移应严格按照设计控制，上下位移控制依据探测的顶板情况控制，保证钻孔在煤层中延伸；④ 钻进过程中及时关注设备工作压力、孔口返水以及随钻测量数据情况，遇到异常及时停钻处理[3-4]。

2 定向长钻孔施工成果

2.1 1-1#孔施工情况

11060底抽巷统尺627m钻场1-1#孔为赵固二矿首个定向长钻孔，历时17d共完成主孔及分支孔16个，其中探顶分支5个、探底分支7个，钻进异常分支3个。实钻钻孔轨迹剖面如图2所示。

图2 1-1#孔实钻剖面图

1-1#孔施工时，165m附近和450m附近，出现两次地层无法辨识，主要原因分析：（1）矿井采掘工程平面图上给出的煤层顶板等高线误差较大；（2） 地层突然向上起伏时（165m为由0°变为4°，450m由2°变为4°），导致钻孔轨迹与实际底板距离低于2m，极易钻遇底板，且使预留分支点离底板较近，容易再次钻遇底板；（3）钻屑作为顶底板判断的辅助标志，长距离钻进或煤层夹矸时容易误导顶底板判断。在钻进参数和速度正常的情况下，应继续钻进查实，仅依靠预测的顶底板线，易产生误判，为后期开分支产生干扰。

施工工艺优化：（1）尽量将钻孔布置在煤层中上部，避免钻孔轨迹靠近底板或钻遇底板，导致退钻开分支距离远，顶底板无法有效判断等问题；（2）未知区域施工时，减小探顶间距，及时查明煤层起伏情况后，修改钻孔设计轨迹；（3）利用EXCEL进行钻孔轨迹预测，加强轨迹控制精度，避免轨迹调整滞后或超量，减少造斜段距离和钻孔弯曲曲率；（4）增加预留分支点个数；（5）定期采集煤岩样，加强岩性识别和钻进参数分析，辅助钻进决策[5-6]。

1-1#施工过程耗时最长、累计孔深最大、开分支次数最多，钻孔钻进过程中进行了煤层顶、底板探测分析，摸清了顶底板层位后，后期钻孔整体钻进施工较顺利，均达到设计要求，且开分支、探顶、探底次数大幅减少，工期明显缩短。

2.2 定向长钻孔整体施工成果

自2016年3月22日～8月16日，在巷道627m处钻场内施工定向长钻孔，实际完成4个主孔、14个主分支孔，钻孔总计进尺9157m（岩孔段209m）。由于11060底抽巷627m处钻场施工的长钻孔为穿层钻孔，从岩到煤需要一段距离，同时鉴于长钻孔开分支的特点，627m处钻场施工的长钻孔不能均匀覆盖煤巷统尺676～820m范围，因此在480m处钻场补充施工定向长钻孔予以覆盖，完成施工2个主孔、11个主分支孔，钻孔总计进尺2462m（岩孔段105.5m）。定向长钻孔实钻如图3所示。

图3 11060下顺槽顺层长钻孔实钻图

11060底抽巷施工的千米钻机定向长钻孔平均日进尺86.1m，单班最高进尺102m。在钻孔施工过程中，由于煤层赋存条件不断变化，进行了9次探到顶板、12次探到底板，实钻分支孔间距大部分为5m左右，最大孔间距7.6m（仍小于实测影响半径2倍，7.84m）。14个分支孔中有12个孔深超过600m，最大孔深626m，钻孔施工整体上达到设计要求，较好地控制了抽采区域煤层。

3 定向长钻孔瓦斯治理效果

经过不少于6个月连续抽采，累积抽出瓦斯量49.7万m3，瓦斯抽出率为15.68%，实测残余瓦斯含量2.98～5.95m3/t。巷道统尺650～1150m掘进期间，平均日进尺7.58m，平均月进尺227m。掘进期间回风流瓦斯浓度整体较低，大部分时间回风流平均瓦斯浓度在0.05%～0.15%之间，最大回风流瓦斯浓度为0.28%，巷道最大瓦斯涌出量为1.42m3/min。掘进期间采用“复合指标法”连续进行区域验证，测定钻屑量与钻孔瓦斯涌出初速度指标，经过94次验证，钻孔钻屑量指标S为1.7～2.6kg/m，钻孔瓦斯涌出初速度指标q均＜1.5L/min，两项指标均小于临界值，且钻孔施工期间未出现喷孔、卡钻等突出预兆，区域验证结果均为无突出危险。

4 结论

（1）采用套管取芯钻进工艺，实现了大直径套管孔段保直施工，确保了大直径长距离套管下放；

（2）通过主孔施工时“探顶+开分支”技术探明了钻孔延伸方向上的煤层起伏情况，修正了煤层顶板等高线，确保了钻孔轨迹控制在煤层中延伸，提高了后期钻孔施工效率。

（3）利用千米定向钻机施工优势，对钻孔施工轨迹准确掌握，实现了对煤巷掘进范围煤体的均匀控制，避免了底板岩巷施工水害问题，为区域瓦斯治理提供了保障。