底抽巷全断面扇形群孔定向钻进技术研究

雷丰励

1瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室 重庆 400039

2中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆 400039

定向钻进技术因其具有轨迹可控、钻进深度长、钻进速度快、成孔率高、瓦斯抽采效果好的技术优势，在大中型煤矿本煤层顺层钻孔中得到广泛应用。近年来，定向钻进技术成功运用于煤层顶底板硬岩钻进，最为典型的是顶板高位大直径定向长钻孔，实现“以孔代巷”，解决了回采工作面上隅角瓦斯问题[1-3]。

定向钻进技术在底板穿岩顺煤层预抽 (煤巷条带掘进和煤层区段预抽消突) 瓦斯治理中一直未得到较好的应用，一方面，底抽巷道较为狭窄，国内大多数定向钻机体积较大，井下运输和钻场施工受限；另一方面，底抽巷钻孔分布呈扇形，倾角变化范围 0°～180°，而定向钻机施工近水平钻孔，钻机开孔倾角范围大多数在 -10°～+20°，不能满足底抽巷大倾角施工要求；再者，底抽巷钻孔需穿过底板进入煤层，煤岩交接处易破碎，煤层较为碎软，地层条件复杂，可钻性差，常规定向钻具容易出现塌孔抱钻；并且长期以来采用普通钻机，覆盖面积有限，底抽巷两侧小角度的钻孔，因钻孔轨迹不可控，找不到煤点，从而造成瓦斯抽采空白带。

为了有效解决底抽巷道全断面扇形群孔钻进问题，针对性地开展了定向钻机、钻具、测量技术及其工艺研究，研制出适应巷道断面小、通过能力较差的南方矿井的定向钻进技术工艺，提高了底抽巷瓦斯治理效果[4]。

1 底抽巷扇形群孔现状

使用轨迹测量仪对普通钻机底抽巷钻孔进行分析(见图 1)，钻孔倾角大于 60°、孔深小于 30 m 时，成孔后偏斜较小，与设计基本保持一致；倾角在 20°～60°之间、孔深在 30～70 m 之间时，钻孔会发生一定偏斜，但终孔位置在设计允许误差内，相邻钻孔之间不存在抽采空白带；倾角小于 20°、孔深超过 70 m 的中深钻孔，大部分钻孔受重力影响超出设计轨迹的误差范围，不能达到煤层位置，存在抽采空白带。

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

2 技术装备

针对中小煤矿底抽巷定向钻孔高效施工要求，对主机钻进性能、随钻测量系统倾角测量范围、通缆钻杆排渣能力和孔底马达长度等方面进行研究。

2.1 小型多方位定向钻机

小型多方位定向钻机外形如图 2 所示。结合底抽巷狭窄巷道条件，钻机整机宽度为 1 100 mm，主机与泥浆泵集成一体，适用于狭窄巷道运输和定向钻进施工。钻机采用双转盘结构，集成水平方位旋转、上下提升、倾角调整和纵向横向锚固等功能，调斜角度范围为 0°～360°，方位角可调角度范围为±90°，满足底抽巷道全断面钻孔施工，并且可以快速调节开孔高度和倾角。钻机采用机架纵向、横向复合锚固结构，在进行深孔钻进时具有较高的稳定性[5-7]。

图2 小型多方位定向钻机Fig.2 Small multi-directional oriented drilling rig

2.2 小尺寸孔底马达

普通孔底马达长度在 3.5 m 以上，通常情况下，底抽巷的宽度小于 4.0 m，不能满足狭小使用环境的要求。针对马达结构特性，在保证原有马达性能的基础上，通过优化转子螺旋曲线来缩短马达整体长度，研制出满足狭窄巷道定向钻进需求的长度为 2.5 m 的孔底马达，同时达到孔底马达使用寿命≥300 h 的要求。

2.3 高强度螺旋凹槽定向钻杆

底抽巷施工过程中，钻头穿过岩层进入煤层，煤岩交接处容易出现塌孔抱钻，常规外平钻杆排渣能力受限，无法继续钻进。为此研制出螺旋凹槽定向钻杆，利用凹槽碾压大颗粒煤岩，刮切、排出钻孔内的岩煤粉，同时还具有足够的抗扭强度，保证钻进正常进行。高强度螺旋凹槽定向钻杆如图 3 所示，采用双层结构，以传递信号和输送高压水。

图3 螺旋凹槽定向钻杆Fig.3 Spiral-grooved oriented drilling rod

2.4 大倾角高精度随钻测量系统

底抽巷钻进施工断面扇形孔，其开孔倾角范围为0°～180°。近水平随钻测量系统倾角测量相对较小，进行大于 70°的大倾角定向钻进施工时，倾角投影近似为点，测量精度低。从倾角、方位角、工作面角的换算方法，轨迹的计算方法，软件操作流程和界面等方面进行研究，开发了大倾角高精度随钻测量系统，可以直观显示钻孔空间位置信息，如图 4 所示[8]。

图4 大倾角高精度随钻测量系统界面Fig.4 Interface of large-obliquity high-precision measurement system while drilling

3 底抽巷穿层定向钻孔试验情况

本次试验选择在河南具有典型代表性的底抽巷瓦斯治理矿井进行。矿井底抽巷长度为 932 m，巷道宽B=3.8 m，高H=3.3 m，设计断面面积约为 12 m2，上距煤层底板 10～20 m。巷道所在区域地质构造简单，总体呈单斜构造，局部有小型褶曲发育，岩层倾角为8°～17°。该巷道煤层底板主要为砂岩，岩性稳定，中间底抽巷所在区域煤层厚度为 4.0～8.5 m，平均为6.3 m。通过定向钻进底抽巷全断面扇形群孔的试验，解决普通钻机在底抽巷空白带的难题，探索出一套底抽巷定向钻进技术工艺。

3.1 试验设备及配套钻具

本次试验采用重庆煤科院研制生产的煤矿用履带式全液压定向钻机。该钻机主要由 ZYWL-6500D 整体式小型多方位钻机、φ76×1 500 mm 螺旋凹槽定向钻杆、2.5 m 螺杆马达、96 胎体式定向钻头和 ZSZ1500随钻测量系统等组成。

3.2 钻孔方案设计

为了达到底抽巷穿岩煤层区段预抽消突中瓦斯治理效果，根据该矿实际情况，决定在 2700 中间底抽巷内施工定向钻孔。在 2700 中间底抽巷布置 1 个钻场，钻场距中间底抽巷切眼位置约 590 m。钻场共需布置 17 个主孔，呈扇形布孔，如图 5 所示。

图5 底抽巷钻孔布置示意Fig.5 Layout sketch of drilling holes in bottom gas drainage roadway

3.3 试验情况

试验过程中，根据钻场布置的 17 个孔，选择了具有代表性的 (依据倾角分布) 5 个孔，其中探测底板地质钻孔 1 个，定向穿层孔 4 个。除大倾角孔深度为 30 m，其余小倾角孔为中深孔，钻孔数据如表 1 所列。

表1 钻孔情况统计Tab.1 Statistics of drilling holes status

3.4 关键工艺技术

通过上述试验，定向钻进技术在底抽巷穿层中深钻孔中成功应用，解决了普通钻机钻进偏斜造成抽采空白带，消除区域防突措施不到位的安全隐患，形成4 项关键技术，为狭窄巷道定向快速施工提供了一套方法[9-10]。

(1) 小倾角深孔定向钻进精准见煤点技术 试验过程中，150 m 岩孔段终孔水平误差值为 0.19 m，上下面误差值为 0.05 m，确保了轨迹控制精度；1°、3°和 170°小倾角底板穿层钻孔能够按照设计参数施工，精准找到煤点，解决了普通钻机不能覆盖的抽采空白带。

(2) 大倾角高精度随钻测量技术 开孔倾角为81°的定向孔钻进 30 m，其中前 23 m 为岩层钻进，进入煤层后钻进 7 m，实钻轨迹和设计保持同步，测量精度没有受大倾角影响。

(3) 煤岩交接处破碎和碎软煤层成孔技术 河南地区煤层普遍含有软煤层，软煤层f值仅为 0.3 左右，并且煤岩交接处易破碎。钻孔进入煤层前选择合适的倾角，快速穿入煤层。螺旋钻杆排渣优于其他钻杆，能顺利穿过岩层，深入煤层十几米，并且安全退钻，成孔率较高，保证了后期瓦斯抽放。

(4) 狭窄巷道扇形群孔定向钻进技术 研制的双转盘多方位机架结构，在狭窄的底抽巷环境中，开孔角度从 0°～180°任意调整，实现快速稳固，同时减短孔内轨迹调整的无效孔长度；螺杆马达长度为 2.5 m，通缆钻杆和无磁钻杆均为 1.5 m，在宽度小于 4.0 m 的巷道内装卸毫无阻碍。

4 探索运用

在河南地区，一般工作面斜长约为 200 m，可采走向长度约为 1 000 m，1 条底抽巷普通钻机有效控制范围为下帮 35 m 左右、上帮 40 m 左右 (且下帮钻孔倾角不得小于 6°、上帮钻孔孔深不得超过 70 m)。要想做到穿层钻孔全覆盖，底抽巷的间距不得大于 75 m，1 个工作面共需 3 条底抽巷，每条底抽巷至少 1 000 m长。

采用底抽巷定向穿层钻进，单孔设计深度在 100 m 内，抽采半径为 200 m，只需 2 条底抽巷即可达到工作面全覆盖的效果，效率和成本上具有明显优势，如图 6 所示。

图6 底抽巷设计对比Fig.6 Design comparison of bottom gas drainage roadway

5 结语

为替代普通钻机深钻孔施工，通过对定向钻机关键技术的研究，形成了一整套底抽巷全断面扇形群孔定向钻进技术，并在底抽巷穿层孔施工中应用。该技术解决了小倾角中深钻孔轨迹不可知、不可控、不易见煤的难题，有效消除了抽采空白带的重大隐患，实现精准消突，为底抽巷优化布置提供了一种新思路，最大限度发挥了底抽巷的作用，减少了底抽巷的岩巷工程量，缓解了煤与瓦斯突出矿井生产接替紧张的局面。