瓦斯抽采钻孔偏移规律及纠偏措施研究与应用

李立华

（平顶山天安煤业股份有限公司勘探工程处，河南省平顶山市，467000）

钻孔抽采瓦斯是治理煤层瓦斯的主要技术措施，一方面可以降低瓦斯压力和煤层地应力，起到卸压防突的效果，另一方面也可以将抽采出的高浓度瓦斯作为能源利用，保护环境，起到一举多得的效果［1］。但是，在实际生产过程中，瓦斯抽采钻孔会发生偏移的现象，导致钻孔无法打到设计位置，产生抽采空白带，不能有效起到煤层泄压和抽采煤层瓦斯的作用，给煤层开采留下巨大隐患［2-4］。平顶山矿区煤层瓦斯含量东高西低，己组和戊组较丁组和庚组高［5］。因此，为确保瓦斯抽采效果，减少钻孔偏移，本文以现场钻孔轨迹测量的实际数据为依据，分析钻孔偏移规律和钻孔偏移的原因，并提出针对性的纠偏措施，研究结论可以提高瓦斯抽采钻孔质量，保障煤矿安全生产。

1 钻孔轨迹仪的应用

1.1 钻孔轨迹仪选取

本文所选用的矿用钻孔轨迹仪由钻孔轨迹仪探管和显示控制器两部分组成［6］。在钻孔施工过程中，将探管安装在钻头后的无磁钻杆中，通过探管测量并记录下钻孔钻进的倾角、方位角，这些数据会在钻孔外的显示控制器上显示并保存，成孔后通过内置计算程序绘制出钻孔的三维轨迹图，通过和设计的钻孔轨迹图比较即可得知钻孔偏移规律。

1.2 钻孔轨迹绘制原理

钻孔轨迹仪绘制钻孔轨迹的原理是首先设定开孔位置的倾角和方位角，然后测量钻孔某测点的孔深、倾角、方位角等数据，通过计算得出测点的位置，依此类推，得到数个从孔口到孔底的测点位置，彼此连接即为钻孔轨迹。

假设钻孔轨迹为一斜直线，坐标系的原点为孔口，X轴取正北方向，Y轴取正东方向，Z轴取垂直向下。根据钻孔各个深度上（即测点）的顶角和方位角，轨迹上的空间坐标如图1所示，计算如式（1）所示。

图1 钻孔轨迹示意图

式中：x0，y0，z0——孔口坐标；

xA，yA，zA——钻孔轴线上A的坐标；

θ——开孔顶角；

α——开孔方位角；

LA——孔口至测点钻孔轴线的长度。

2 钻孔偏移规律分析

利用钻孔轨迹仪对平顶山矿区不同矿井进行钻孔轨迹测量，主要针对顺层钻孔、穿层钻孔进行测量，本文考察统计测量钻孔2635个，其中顺层钻孔1370个（上行孔853个、下行孔517个），穿层钻孔1265个（上行孔822个、下行孔443个）。

2.1 顺层钻孔测斜

2.1.1 顺层上行钻孔测斜

在总计测量853个顺层上行钻孔中，上偏钻孔650个，概率为76.2%；下偏钻孔181个，概率为21.2%；在垂直方向上出现重合的钻孔22个，概率为2.6%；左偏钻孔291个，概率为34.1%；右偏钻孔555个，概率为65.1%；在水平方向上出现重合的钻孔7个，概率为0.8%。从顺层上行钻孔偏移规律可以看出，顺层上行钻孔上偏的概率大于下偏的概率，左偏的概率小于右偏的概率，轨迹重合的概率较小（钻孔孔深，容易发生偏移）。

2.1.2 顺层下行钻孔测斜

在总计测量517个顺层下行钻孔中，上偏钻孔157个，概率为30.3%；下偏钻孔350个，概率为67.7%；在垂直方向上出现重合的钻孔10个，概率为2%；左偏钻孔136个，概率为26.3%；右偏钻孔377个，概率为72.9%；在水平方向上出现重合的钻孔4个，概率为0.8%。从顺层下行钻孔偏移规律可以看出，顺层钻孔下行孔上偏的概率小于下偏的概率，左偏的概率小于右偏的概率，轨迹重合的概率较小（钻孔孔深，容易发生偏移）。

2.2 穿层钻孔测斜

2.2.1 穿层上行钻孔（低位巷）测斜

在总计测量822个穿层上行钻孔中，上偏钻孔414个，概率为50.4%；下偏钻孔285个，概率为34.7%；在垂直方向上出现重合的钻孔123个，概率为14.9%；左偏钻孔267个，概率为32.5%；右偏钻孔458个，概率为55.7%；在水平方向上出现重合的钻孔97个，概率为11.8%。从穿层上行钻孔偏移规律可以看出，穿层钻孔上行孔上偏的概率大于下偏的概率，左偏的概率小于右偏的概率，轨迹重合的概率占一定比例（钻孔孔浅，不易发生偏移）。

2.2.2 穿层下行钻孔（高位巷）测斜

在总计测量443个穿层下行钻孔中，上偏钻孔112个，概率为25.2%；下偏钻孔284个，概率为64.1%；在垂直方向上出现重合的钻孔47个，概率为10.7%；左偏钻孔224个，概率为50.6%；右偏钻孔213个，概率为48.1%；在水平方向上出现重合的钻孔6个，概率为1.3%。从穿层下行钻孔偏移规律可以看出，穿层钻孔下行孔上偏的概率小于下偏的概率，左偏的概率与右偏的概率基本一致，轨迹重合的概率较小。

3 钻孔纠偏及效果分析

根据瓦斯抽采钻孔轨迹仪得到的钻孔偏移规律，分析造成钻孔偏移的原因是多方面的，总体来说大致可分为地质、技术和工艺因素3类［7］。由于影响钻孔偏移的原因是多方面的，因此所采用的纠偏措施也是综合的。

本文重点对角度对冲法纠偏措施及其效果进行考察，即根据钻孔偏移的规律，对应调整钻孔设计角度和开孔角度，以期实现角度对冲相消，减少偏移量的目的。

（1）在首山一矿己15-17-12100机巷施工顺层试验钻孔，钻孔轨迹规律如下：

221#下行钻孔设计角度-11°，钻孔施工后由钻孔轨迹仪得知实际轨迹终孔位置相对设计下偏1.7 m。采取对冲后角度上调1°，即在钻孔设计角度-11°时，按照开孔角度-10°施工，根据钻孔轨迹仪绘制的纠偏后实际轨迹和理论轨迹基本重合，终孔位置相对设计下偏0.105 m。221#下行钻孔垂直方向偏移轨迹如图2所示。

图2 221#下行钻孔垂直方向偏移轨迹图

296#下行钻孔设计角度-11°，实际轨迹下偏1.5 m。采取对冲后角度上调1°，即在钻孔设计角度-11°时，按照开孔角度-10°施工，296#下行钻孔垂直方向偏移轨迹如图3所示。由图3可以看出，纠偏后实际轨迹和理论轨迹的终孔位置基本重合，偏移量基本为零。

图3 296#下行钻孔垂直方向偏移轨迹图

（2）在十矿己15-16-24100机巷施工顺层试验钻孔，测量规律如下：

测7组1#上行钻孔设计开孔角度9°，根据钻孔轨迹仪得知实际轨迹上偏0.9 m。采取对冲后角度下调3°，即在钻孔设计角度9°时，按照开孔角度6°施工，根据钻孔轨迹仪得知纠偏后钻孔实际轨迹终孔位置和理论轨迹终孔位置基本重合。测7组1#上行钻孔垂直方向偏移轨迹如图4所示。

测2组1#上行孔钻孔设计开孔角度9°，根据钻孔轨迹仪得知实际轨迹上偏1.4 m。采取对冲后角度下调3°，即在钻孔设计角度9°时，按照开孔角度6°施工。测2组1#上行钻孔垂直方向偏移轨迹如图5所示。根据钻孔轨迹仪得知纠偏后实际轨迹钻孔终孔位置和理论轨迹终孔位置偏差0.016 m。

图4 测7组1#上行钻孔垂直方向偏移轨迹图

图5 测2组1#上行钻孔垂直方向偏移轨迹图

4 结论

（1）利用矿用钻孔轨迹仪对平顶山矿区不同矿井的2635个不同类型的钻孔进行轨迹测量得到总体偏移规律为：上行孔在垂直方向上易发生上偏，下行孔易发生下偏；顺层钻孔在水平方向上易发生右偏；穿层钻孔上行孔易发生右偏，下行孔左右偏概率相近。

（2）根据钻孔偏移方向和偏移角度，采用角度对冲法对钻孔纠偏。现场试验结果表明采用角度对冲法有效地减少了钻孔轨迹终孔位置和设计终孔位置的偏移量，提高了煤层瓦斯抽采质量，保障了煤矿安全生产。

（3）钻孔偏移的原因是多方面的，因而钻孔的纠偏措施也是综合的。要想实现良好的纠偏效果和瓦斯治理效果，考察和应用更加合理的纠偏措施还需要进一步的探索。