申常利，王栓林

（1.山西離柳焦煤集團(tuán)有限公司，山西呂梁 033000；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013）

薄煤層井下定向鉆進(jìn)技術(shù)試驗(yàn)研究

申常利1，王栓林2，3

（1.山西離柳焦煤集團(tuán)有限公司，山西呂梁 033000；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013）

基于朱家店煤礦4號煤煤層薄、小構(gòu)造較發(fā)育的現(xiàn)狀，為了解0402工作面進(jìn)風(fēng)巷頂板的含水情況，根據(jù)朱家店煤礦超前探放水鉆孔施工要求，沿掘進(jìn)方向利用中煤科工集團(tuán)西安研究院研制生產(chǎn)的ZDY6000LD鉆機(jī)和配套鉆具及井下隨鉆測量系統(tǒng)，通過鉆孔主孔和分支孔的方式進(jìn)行井下定向鉆進(jìn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：薄煤層井下定向鉆進(jìn)技術(shù)上可行，ZDY6000LD定向鉆機(jī)在該礦巖層中能很好的施工600m以內(nèi)定向鉆孔，為大直徑長鉆孔區(qū)域瓦斯抽采鉆孔的施工奠定試驗(yàn)基礎(chǔ)。

薄煤層；定向鉆進(jìn)；探水；長鉆孔

1 定向鉆進(jìn)應(yīng)用概況

1.1定向鉆進(jìn)應(yīng)用現(xiàn)狀

定向鉆進(jìn)起源于石油鉆井，后從石油行業(yè)逐漸延伸到煤炭、地質(zhì)等領(lǐng)域，發(fā)揮著重要的作用[1-2]。段志國[3-7]等將不同方式定向鉆孔應(yīng)用在工作面瓦斯治理當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯綜合治理的新突破。石智軍[8-11]等將定向鉆進(jìn)技術(shù)在井下瓦斯抽采、地質(zhì)構(gòu)造探測及防治水領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，效果顯著，并研制煤層井下定向鉆進(jìn)用隨鉆測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)設(shè)備的國產(chǎn)化。劉濤等[12]利用仿真技術(shù)對定向鉆進(jìn)軌跡進(jìn)行誤差分析與優(yōu)化，提高隨鉆測量精度。定向鉆進(jìn)已廣泛地應(yīng)用于礦井瓦斯抽采與探放水等鉆孔的施工。

1.2應(yīng)用礦井的概況

朱家店煤礦作為應(yīng)用礦井，地處呂梁山系，井田位于離石市與中陽縣城之間，區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，西高東低，位于中陽—離石斜軸部處。交通十分便利，屬于高瓦斯礦井。4號煤層厚度0m～2.28m，平均為1.1 m，硬度系數(shù)2～3，有一定韌性，參差狀、階梯狀斷口，內(nèi)生裂隙發(fā)育，一般5 cm×5 cm內(nèi)20條左右。煤層頂板巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度約0.8m～1.2 m，上方為一層厚度約3 m左右的細(xì)砂巖裂隙發(fā)育；底板巖性為粉砂巖、細(xì)砂巖，平均厚度為2.8 m。

本次試驗(yàn)?zāi)康氖翘讲?402進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)方向含水情況，目標(biāo)煤層為4號煤層。

2 定向鉆進(jìn)設(shè)備及鉆孔設(shè)計(jì)

2.1定向鉆進(jìn)基本概念

定向鉆進(jìn)技術(shù)是指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律或采用人工造斜工具使鉆孔按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行延伸鉆到預(yù)定目標(biāo)的一種鉆進(jìn)方法。其內(nèi)涵本質(zhì)是定向鉆進(jìn)有預(yù)定目標(biāo)的。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該目標(biāo)可以是地下某一點(diǎn)，也可以是孔眼軸線或特定方向和角度，采用一些科學(xué)的人為可以控制的技術(shù)方法與機(jī)具有目的地將鉆孔軸線由彎變直或由直變彎，使之達(dá)到目標(biāo)要求。

鉆探工程中，各類鉆孔的特征通常是在空間用一條線來描述，這條線代表鉆孔軸線，是鉆孔軸線的軌跡線，所以，把表征鉆孔空間形態(tài)的軌跡線稱之為鉆孔軸線。鉆孔軸線的空間形態(tài)可以用軸線上的一些參數(shù)來表征。定向鉆孔軸線的空間要素包括：鉆孔軸線上各點(diǎn)的傾角、磁方位角和孔深，鉆孔垂深、水平位移和左右偏差，以及曲線段的曲率或彎曲強(qiáng)度等。

根據(jù)鉆孔軌跡的基本要素，將鉆孔軸線分成若干小段，根據(jù)每一小段端點(diǎn)的測斜數(shù)據(jù)，將每一小段鉆孔軸線看作為直線或曲線進(jìn)行疊加計(jì)算，求出軌跡上每一點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

2.2定向鉆進(jìn)設(shè)備

試驗(yàn)所用鉆機(jī)是中煤科工集團(tuán)西安研究院研制生產(chǎn)的ZDY6000LD履帶式全液壓定向鉆機(jī)。該鉆機(jī)具有搬遷方便、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍寬、扭矩大、結(jié)構(gòu)合理、技術(shù)性能先進(jìn)、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、操作省力、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。主要用于煤礦井下地質(zhì)勘探孔、抽放瓦斯孔、注水孔等。主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 ZDY6000LD型鉆機(jī)主要參數(shù)

試驗(yàn)使用的鉆桿分為兩種，一種是φ73 mm中心通纜鉆桿，另一種是φ73 mm無磁鉆桿，材料選用無磁性的鈹銅，主要用于鉆孔測斜時放置測量儀器，以避免普通鋼性鉆桿對測量方位角造成的干擾，保證測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。選用φ96 mm平底燒結(jié)胎體式金剛石復(fù)合片鉆頭。

鉆機(jī)配套使用YHD1-1000隨鉆測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由下無磁鉆桿、測量探管、上無磁鉆桿、通纜式鉆桿、通纜式送水器、通訊電纜、孔口監(jiān)視器等組成。主要用于水平定向鉆進(jìn)的測量和控制，形成定向鉆進(jìn)系統(tǒng)。系統(tǒng)連接見圖1。

圖1 YHD1-1000隨鉆測量系統(tǒng)連接

2.3試驗(yàn)鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

1）設(shè)計(jì)要求

為了探查0402進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)方向以及附近含水情況，軌跡設(shè)計(jì)需從4號總回風(fēng)巷底部穿過，發(fā)揮鉆機(jī)定向鉆進(jìn)優(yōu)勢，軌跡盡可能沿煤層或貼近煤層延伸，實(shí)現(xiàn)探水的目的。

2）鉆孔布置

在4號南膠帶運(yùn)輸巷設(shè)置鉆場，探查0402進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)方向含水情況。鉆孔開孔之后，從4號南總回風(fēng)巷底部穿過，之后主孔沿著0402進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)方向延伸，分支孔相對于主孔一左一右，左分支孔最終相距主孔約30 m，右分支孔最終相距主孔約60m。設(shè)計(jì)鉆孔以0402進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)方向?yàn)榭碧骄€方位，為94.5°（磁方位角，以下同），以開孔點(diǎn)作為原點(diǎn)，沿著勘探線方位建立X軸，順時針旋轉(zhuǎn)90°建立Y軸，垂直向上為Z軸，建立三維坐標(biāo)系，鉆孔軌跡平面布置圖見圖2。設(shè)計(jì)鉆孔開孔方位104.5°，主孔終孔方位為94.5°，設(shè)計(jì)孔深510m。

圖2 鉆孔軌跡平面布置

3 現(xiàn)場施工情況

3.1鉆場布置情況

鉆場設(shè)置在4號南膠帶運(yùn)輸巷，向南距離0402進(jìn)風(fēng)順槽約25m，井下鉆場布置見圖3。

圖3 井下鉆場布置

3.2鉆孔施工情況

試驗(yàn)起止時間自2015年3月25日至2015年4月30日，試驗(yàn)煤層為4號煤。本次試驗(yàn)施工1個定向探水孔，目的是探查0402進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)方向含水情況，鉆孔主孔孔深525 m，分支孔330 m，總進(jìn)尺855m，具體如表2所示。1號鉆孔軌跡上下偏差和左右偏差圖見圖4，鉆孔軌跡平面見圖5。

表2 鉆孔施工情況

圖4 1號鉆孔實(shí)測軌跡曲線

圖5 實(shí)際鉆孔軌跡（實(shí)線為實(shí)鉆軌跡，虛線為設(shè)計(jì)軌跡）

3.3存在的主要問題

本次試驗(yàn)順利完成，施工期間主要存在三方面問題：

1）由于煤層較破碎，在水力沖刷作用下容易塌孔，因此鉆進(jìn)時主要在煤層底板中鉆進(jìn)，而巖層較硬，相對于煤層鉆進(jìn)，鉆進(jìn)速度較低。

2）每天兩個班，每班施工時間5 h～6 h，班進(jìn)尺較低，人員學(xué)習(xí)和接受能力有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

3）孔內(nèi)瓦斯涌出造成鉆場瓦斯超限，影響鉆進(jìn)效率。

4 結(jié)論

1）根據(jù)朱家店煤礦超前探放水鉆孔施工要求，采用ZDY6000LD定向鉆機(jī)及其配套裝備進(jìn)行定向鉆進(jìn)，在技術(shù)上完全可行。

2）ZDY6000LD定向鉆機(jī)能力大，其配套裝備強(qiáng)度高、綜合性能較好，在該礦巖層中能很好的施工600m以內(nèi)定向鉆孔。

3）4號煤層在水力沖刷作用下，容易塌孔，底板巖層較穩(wěn)定，因此鉆孔主要控制在底板巖層與煤層之間，進(jìn)行局部點(diǎn)探查。

4）施工時盡量在較穩(wěn)定和完整地層中鉆進(jìn)，以保證鉆具安全，降低事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)性，為防止鉆進(jìn)過程中鉆場瓦斯超限，施工時安裝孔口瓦斯收集裝置，并連接好瓦斯抽放管路。

[1]姚寧平.我國煤礦井下近水平定向鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展[J].煤田地質(zhì)與勘探，2008，36(4):78-80.

[2]董昌樂.煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，43(5):106-110.

[3]段志國.不同方式的定向鉆孔在采面治理瓦斯上的應(yīng)用[J].山西煤炭，2014，34(8):56-58.

[4]荊鴻飛.西山煤田區(qū)域瓦斯抽采深孔定向鉆進(jìn)技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(11):90-94.

[5]凌志強(qiáng)，彭勇，周宗波，等.沿煤層定向鉆進(jìn)瓦斯抽采技術(shù)在寧夏礦區(qū)的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36(11):47-51.

[6]蔡永樂，劉沂星.煤礦井下千米定向鉆進(jìn)技術(shù)及其應(yīng)用[J].山西煤炭，2011，31(4):65-67.

[7]姚寧平，姚亞峰，張杰，等.煤礦井下梳狀定向孔鉆進(jìn)技術(shù)與裝備[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40(10):12-16．

[8]李泉新，石智軍，史海岐.煤礦井下定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)的應(yīng)用[J].煤田地質(zhì)與勘探，2014，42(4):85-88，92.

[9]石智軍，董書寧，姚寧平，等.煤礦井下近水平隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(3):1-6.

[10]石智軍，李泉新，姚克.煤礦井下1800m水平定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，43(2):109-113.

[11]石智軍，溫榕，方俊，等.煤層井下定向鉆進(jìn)用隨鉆測量系統(tǒng)的研制[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(3):16-20，69．

[12]劉濤，王伯雄，崔園園，等.水平定向鉆進(jìn)的軌跡誤差分析與優(yōu)化[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，51(5):592-596．

（編輯：薄小玲）

Experim ental Study on Directional Drilling Technology for Thin Coal Seam

SHEN Changli1,WANG Shuanlin2,3
(1.Shanxi Liliu Coking Coal Group,Lvliang 033000,China; 2.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute,Beijing 100013,China; 3.State Key Laboratory of Efficient Exploitation and Clean Utilization of Coal Resources,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

Based on the thin,smallbutdeveloped structureof the No.4CoalSeam in Zhujiadian Coal Mine,a directional drilling testwas conducted using the ZDY6000ZD drilling rig,its supporting drilling tools,andmeasuring system along the driving direction in order to obtain the water contentof the roof of the air inlet of No.0402 working face and meet the requirement of the drilling with advanced water exploration and drainage technology.The rig is developed by Xi'an Research Institute of China Coal Technology&Engineering Group.The testwas conducted by themain and the branch borehole drilling. The results show that it is feasible to use the ZDY6000LD rig in the directional drillingwithin 600m in the rock strata,laying the experimental foundation for the construction of longand large diameter borehole in localgasdrainage.

thin coalseam;directional drilling;waterexploration;long borehole

TD 421

A

1672-5050（2016）06-039-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxm t.2016.12.012

2016-06-19

申常利（1963-），男，山西交城人，大學(xué)專科，工程師，從事礦井生產(chǎn)管理工作。