方 俊

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

煤礦井下近水平定向孔具有孔深長(zhǎng)、軌跡控制精度高、一孔多用、可集中和超前進(jìn)行地質(zhì)勘查和災(zāi)害防治等優(yōu)點(diǎn)，自2002 年隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)引入我國(guó)煤礦井下以來(lái)，我國(guó)煤礦逐步建立了基于近水平定向孔的煤礦井下全域化瓦斯抽采體系、超前區(qū)域水害防治體系和隱蔽致災(zāi)因素精確探查體系等，取得了良好應(yīng)用效果，對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)發(fā)揮了重要作用[1-2]。

煤礦井下近水平定向孔主要為多分支定向孔，如枝狀定向孔、梳狀定向孔、束狀定向孔等，一般由主孔和分支孔組成[3]。分支孔對(duì)煤礦井下定向孔功能的發(fā)揮起到至關(guān)重要的作用，主要體現(xiàn)在：①礦井地質(zhì)資料與煤層實(shí)際賦存情況無(wú)法完全一致，定向孔施工時(shí)需要重復(fù)采用“探頂-開(kāi)分支-再探頂”工藝，先利用分支孔查明煤層賦存情況后，再利用側(cè)鉆分支技術(shù)將鉆孔軌跡調(diào)整至煤層鉆進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)沿煤層長(zhǎng)距離延伸[4-6]；②目標(biāo)地層復(fù)雜破碎不適宜布置主孔時(shí)，可將主孔布置在穩(wěn)定地層中，然后利用分支孔進(jìn)入目標(biāo)地層[7]；③單個(gè)定向孔覆蓋范圍有限，可利用分支孔提高鉆孔覆蓋面積，降低套管孔段的重復(fù)施工[8]；④利用定向孔進(jìn)行地質(zhì)異常體探查時(shí)，可先利用主孔探確定地質(zhì)異常體是否存在，然后利用多個(gè)角度的分支孔獲取地質(zhì)異常體的詳細(xì)三維信息，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)探查[9-10]。

在煤礦井下分支孔施工技術(shù)方面，石智軍等[11]介紹了分支孔軌跡設(shè)計(jì)方法；許超[12]介紹了低速磨削分支法和高速反復(fù)磨削分支法原理，指出低速磨削分支技術(shù)更適合煤礦井下近水平定向孔施工；李泉新等[13]介紹了分支點(diǎn)預(yù)留方法、選取原則及側(cè)鉆成功判識(shí)標(biāo)志；宋海濤[14]、孫利海[15]針對(duì)煤礦井下巖層側(cè)鉆困難問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了側(cè)鉆分支鉆具。

總的來(lái)說(shuō)，目前煤礦井下分支孔相關(guān)研究主要側(cè)重于分支孔設(shè)計(jì)與應(yīng)用、側(cè)鉆分支工藝原理和特殊機(jī)具，對(duì)分支孔側(cè)鉆的力學(xué)機(jī)理、動(dòng)態(tài)過(guò)程和過(guò)渡段穩(wěn)定性較少涉及。為此，以煤礦井下普遍采用的無(wú)孔底低速磨削分支法為基礎(chǔ)，對(duì)其側(cè)鉆分支機(jī)理進(jìn)行了深入研究，對(duì)完善煤礦井下近水平定向孔施工技術(shù)具有重要價(jià)值。

1 無(wú)孔底低速磨削懸空側(cè)鉆分支原理

目前煤礦井下分支施工方法主要有無(wú)孔底低速磨削懸空側(cè)鉆分支法、無(wú)孔底高速反復(fù)磨削懸空側(cè)鉆分支法、基于輔助工具的人造孔底側(cè)鉆分支法。其中基于輔助工具的人造孔底側(cè)鉆分支法，需要來(lái)回起下鉆以下入側(cè)鉆分支鉆具，其施工工藝相對(duì)繁瑣，且由于含煤地層普氏硬度系數(shù)一般≤8，不需要人造孔底即可實(shí)現(xiàn)開(kāi)分支作業(yè)，因此應(yīng)用較少。無(wú)孔底高速反復(fù)磨削懸空側(cè)鉆分支法主要適用于普氏硬度系數(shù)較低的煤層，且側(cè)鉆成功率無(wú)法保證，巖層中側(cè)鉆分支困難。相對(duì)而言，無(wú)孔底低速磨削懸空側(cè)鉆分支法適用地層范圍廣、成功率高、工藝流程簡(jiǎn)單，目前推廣應(yīng)用最為廣泛。

無(wú)孔底低速磨削懸空側(cè)鉆分支法的技術(shù)原理是：將定向鉆頭放置在預(yù)留分支點(diǎn)處，把螺桿馬達(dá)工具面向角調(diào)整至180°左右，開(kāi)啟泥漿泵向孔內(nèi)提供高壓沖洗液，驅(qū)動(dòng)螺桿馬達(dá)在孔底局部回轉(zhuǎn)，并利用定向鉆機(jī)緩慢平穩(wěn)推進(jìn)孔內(nèi)定向鉆具，利用螺桿馬達(dá)的重力作用和彎外管結(jié)構(gòu)，帶動(dòng)定向鉆頭對(duì)鉆孔孔壁下沿進(jìn)行持續(xù)磨削，使鉆孔下沿先造出臺(tái)階，然后逐漸與主孔分離，最終形成獨(dú)立的分支孔。

2 無(wú)孔底低速磨削懸空側(cè)鉆分支力學(xué)模型

定向鉆孔無(wú)孔底懸空側(cè)鉆分支時(shí)，螺桿馬達(dá)的工具面向角調(diào)整至180°左右，鉆桿不回轉(zhuǎn)，螺桿馬達(dá)處于滑動(dòng)鉆進(jìn)狀態(tài)，假設(shè)鉆具不震動(dòng)，且不考慮鉆頭旋轉(zhuǎn)切削力的反扭矩作用，可建立側(cè)鉆分支靜力學(xué)模型。無(wú)孔底低速磨削懸空側(cè)鉆分支力學(xué)模型如圖1。

圖1 無(wú)孔底低速磨削懸空側(cè)鉆分支力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of low speed grinding and hang sidetracking branch without hole bottom

圖中，定向鉆頭和上切點(diǎn)與孔壁下沿接觸，螺桿馬達(dá)彎點(diǎn)與孔壁上沿接觸，定向鉆具主要受鉆具自重、孔底正壓力、孔壁施加給定向鉆頭的側(cè)向力、彎點(diǎn)處的支撐力和鉆具摩擦阻力作用。根據(jù)受力平衡原理可知，彎點(diǎn)中心處的受力分析如下：

式中：θ 為鉆孔傾角，（°）；Ω 為螺桿馬達(dá)彎角，（°）；G 為鉆具浮重，kN；p 為孔底鉆頭正壓力，kN；T為孔壁施加給鉆頭的側(cè)向力，kN；N 為彎點(diǎn)處孔壁支撐力，kN；F 為鉆具摩擦阻力，kN；L1為鉆具重心至彎點(diǎn)的距離，m；L2為鉆頭至彎點(diǎn)距離，m；d 為鉆具直徑，m。

由式（1）和式（2）可知：

側(cè)向力是實(shí)現(xiàn)懸空側(cè)鉆開(kāi)分支的力學(xué)前提，由式（4）～式（6）可知：鉆孔傾角越小，側(cè)向力越大；螺桿馬達(dá)彎角越大，側(cè)向力越大；L1和L2比值越大，側(cè)向力越大。

3 無(wú)孔底低速磨削懸空側(cè)鉆分支動(dòng)態(tài)過(guò)程

根據(jù)側(cè)鉆時(shí)分支孔與主孔孔壁連接狀態(tài)不同，可將開(kāi)分支過(guò)程分為初期、中期和末期。側(cè)鉆過(guò)程中，先在孔底形成臺(tái)階，然后逐步與原鉆孔分離。

1）側(cè)鉆初期。側(cè)鉆初期主要在孔壁上形成穩(wěn)定臺(tái)階。先對(duì)鉆頭施加一定的初始給進(jìn)壓力，鉆頭接觸主孔孔壁，并以一定的初始加速度旋轉(zhuǎn)沖擊孔壁地層造成孔壁的不規(guī)則破碎形態(tài)，由于地層反力的影響，鉆頭在主孔內(nèi)呈現(xiàn)“跳躍式”滑動(dòng)，僅造成孔壁的表層破碎；隨鉆頭側(cè)鉆切入孔壁深度的增加，鉆頭受到的地層反力越來(lái)越大，表現(xiàn)為滑動(dòng)給進(jìn)壓力增大、滑動(dòng)給進(jìn)速度變平穩(wěn)；當(dāng)鉆頭側(cè)鉆深度達(dá)到一定值，鉆頭破巖產(chǎn)生的地層反力超過(guò)鉆頭滑動(dòng)給進(jìn)壓力時(shí)，出現(xiàn)鉆頭無(wú)法前進(jìn)現(xiàn)象，可適當(dāng)增加給進(jìn)壓力；若給進(jìn)壓力超出一定限值時(shí)，鉆頭上的彎矩將超出臺(tái)階承受能力，從而把孔壁上形成的臺(tái)階剪切掉，并重新進(jìn)入主孔之中。因此在側(cè)鉆初期，應(yīng)嚴(yán)格控制鉆壓和側(cè)鉆速度，以較小的給進(jìn)壓力使鉆頭緩慢平滑的逐漸側(cè)向切入地層，確保在主孔孔壁上產(chǎn)生穩(wěn)定的臺(tái)階。地層越硬，側(cè)鉆初期距離越長(zhǎng)。

2）側(cè)鉆中期。側(cè)鉆中期主要將穩(wěn)定的臺(tái)階繼續(xù)發(fā)展至使鉆頭沒(méi)入地層?？蛇m當(dāng)增加鉆壓，確保鉆頭對(duì)孔壁的側(cè)向切斜能力和切削速度，并提高鉆具造斜能力。但鉆壓增加應(yīng)在合理范圍內(nèi)，避免發(fā)生臺(tái)階被剪切的現(xiàn)象，使鉆具重新進(jìn)入主孔。

3）側(cè)鉆末期。側(cè)鉆末期主要將分支孔與主孔分離，形成獨(dú)立的穩(wěn)定分支孔。將分支孔開(kāi)始與主孔分離到分支孔與主孔相對(duì)穩(wěn)定孔段稱為分支過(guò)渡段。分支孔初始形成時(shí)，由于分支孔與主孔距離非常近，隨鉆具的進(jìn)一步前進(jìn)，螺桿馬達(dá)彎頭與分支過(guò)渡段會(huì)形成接觸，而給進(jìn)壓力在彎頭處的接觸分力會(huì)造成分支過(guò)渡段破碎，尤其是尖角處為破碎高危險(xiǎn)區(qū)域，分支過(guò)渡段并未最終穩(wěn)定；此時(shí)仍要保持分支孔與主孔脫離的方向繼續(xù)側(cè)鉆，至分支孔與主孔之間的距離達(dá)到穩(wěn)定厚度要求時(shí)，方可結(jié)束側(cè)鉆分支作業(yè)，開(kāi)始根據(jù)需要進(jìn)行鉆孔軌跡調(diào)整。

4 分支過(guò)渡段孔壁穩(wěn)定性

分支過(guò)渡段的穩(wěn)定性是開(kāi)分支成功與否和后期鉆孔安全鉆進(jìn)的關(guān)鍵。由于側(cè)鉆分支作業(yè)，過(guò)渡段的原有地層應(yīng)力產(chǎn)生擾動(dòng)，且過(guò)渡段分支孔與原鉆孔距離較近，地應(yīng)力的重新分布會(huì)造成過(guò)渡段應(yīng)力集中，在地應(yīng)力、沖洗液沖刷、鉆進(jìn)擾動(dòng)等影響下，極易導(dǎo)致孔壁局部或整體失穩(wěn)坍塌，從而發(fā)生孔內(nèi)事故或?qū)е路种Э资?，?yán)重制約鉆孔的鉆進(jìn)安全和鉆進(jìn)效率，因此應(yīng)確保過(guò)渡段的孔壁穩(wěn)定。

假定鉆孔沿最小水平主應(yīng)力方向，建立分支過(guò)渡段孔壁穩(wěn)定性分析數(shù)值模型，研究煤巖體破壞深度對(duì)分支過(guò)渡段穩(wěn)定性的影響。

4.1 分支過(guò)渡段數(shù)值模型和失效判據(jù)

1）數(shù)值模型。將分支過(guò)渡段穩(wěn)定性分析簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題，選擇煤礦井下常用的1.25°螺桿馬達(dá)、?96 mm 定向鉆孔，建立數(shù)值分析模型，劃分網(wǎng)格單元2 049 個(gè)，節(jié)點(diǎn)2 160 個(gè)，考慮到模擬計(jì)算精度的需要，對(duì)局部單元進(jìn)行加密處理。模型x 方向長(zhǎng)度取12 m，y 方向長(zhǎng)度取10 m，鉆孔直徑取96 mm，模型底部邊界采用全約束，左右邊界約束x 向位移，模型頂部施加等效的局部荷載。煤層力學(xué)參數(shù)為：①內(nèi)摩擦角：20°；②黏聚力：1.25 MPa；③彈性模量：1.3 GPa；④抗拉強(qiáng)度：750 kPa；⑤泊松比：0.25；⑥密度：1 600 g/cm。過(guò)渡段數(shù)值模型如圖2。

圖2 分支過(guò)渡段數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of branch transition section

2）分支過(guò)渡段失效判據(jù)。分支過(guò)渡段孔壁主要發(fā)生剪切破壞，當(dāng)分支過(guò)渡段煤巖體所受應(yīng)力超過(guò)其極限抗剪強(qiáng)度后，即發(fā)生剪切破壞。采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則來(lái)判斷分支過(guò)渡段是否破壞，通過(guò)失效準(zhǔn)則與接合處的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)比研究分支過(guò)渡段的穩(wěn)定性。

4.2 分支過(guò)渡段數(shù)值模擬

為了真實(shí)模擬開(kāi)分支鉆進(jìn)過(guò)程，采用分步鉆進(jìn)模擬方式，首先進(jìn)行初始地應(yīng)力場(chǎng)平衡，然后進(jìn)行主孔的鉆進(jìn)模擬，最后依次完成分支孔的鉆進(jìn)模擬。分支過(guò)渡段鉆進(jìn)過(guò)程模型如圖3。圖3（a）為模擬分支孔第1 步鉆進(jìn)，通過(guò)鉆頭的反復(fù)磨削，在主孔孔壁下緣形成臺(tái)階；隨后沿著形成的臺(tái)階繼續(xù)鉆進(jìn)形成分支孔，并逐漸延伸遠(yuǎn)離主孔，最終形成2 個(gè)獨(dú)立的鉆孔，如圖3（b）。

圖3 分支過(guò)渡段鉆進(jìn)過(guò)程模型Fig.3 Drilling process of branch transition section

分支過(guò)渡段位移云圖如圖4，分支過(guò)渡段最大主應(yīng)力云圖如圖5。

圖4 分支過(guò)渡段位移云圖Fig.4 Displacement diagram of branch transition section

圖5 分支過(guò)渡段最大主應(yīng)力云圖Fig.5 Maximum principal stress diagram of branch transition section

由圖4 分支過(guò)渡段位移云圖可以看出，在模擬分支孔鉆進(jìn)施工過(guò)程中，越遠(yuǎn)離分支孔孔底，過(guò)渡段尖角處的位移量越大，最大達(dá)到37 mm；越靠近孔底，過(guò)渡段豎向的位移量越小，當(dāng)過(guò)渡段厚度超過(guò)30 cm 后，過(guò)渡段豎向位移值逐漸接近原巖狀態(tài)。在主孔下沿臺(tái)階形成后，鉆頭在較小鉆壓作用下緩慢側(cè)向切入煤巖層中，過(guò)渡段煤巖體失去支撐，在上下方向逐漸臨空，在重力作用下產(chǎn)生豎向位移。隨著分支孔在煤巖體中不斷鉆進(jìn)，分支過(guò)渡段厚度逐漸增大，應(yīng)力集中程度有所減弱，分支過(guò)渡段煤巖體位移逐步縮小。

由圖5 分支過(guò)渡段應(yīng)力云圖可以看出，在側(cè)鉆開(kāi)分支后，鉆孔周圍煤巖體進(jìn)行應(yīng)力重分布，在分支過(guò)渡段出現(xiàn)應(yīng)力集中，應(yīng)力集中程度越大，分支過(guò)渡段煤巖體破壞幾率越大，過(guò)渡段煤巖體受自重應(yīng)力的作用最大達(dá)410 kPa，此時(shí)分支過(guò)渡段厚度30 cm。隨著分支孔的不斷鉆進(jìn)，應(yīng)力集中程度逐漸減弱，當(dāng)下降到一定程度時(shí)，應(yīng)力值趨于原巖應(yīng)力狀態(tài)，這時(shí)主孔與分支孔之間的相互影響非常微小。

隨著主孔與分支孔間距逐漸增大，分支過(guò)渡段豎向位移量逐漸減小，應(yīng)力集中程度逐漸減弱，主孔與分支孔的相互影響逐漸降低。當(dāng)主孔與分支孔之間的間距超過(guò)30 cm 后，其過(guò)渡段豎向位移量和應(yīng)力接近原巖狀態(tài)，此時(shí)可認(rèn)為分支過(guò)渡段孔壁煤巖體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 分支過(guò)渡段鉆進(jìn)建議

為了減小分支過(guò)渡段孔壁失穩(wěn)對(duì)鉆孔開(kāi)分支及正常鉆進(jìn)的影響，開(kāi)分支時(shí)可適當(dāng)選擇彎頭角度較大的螺桿馬達(dá)以增大造斜率，提高其側(cè)鉆能力；通過(guò)優(yōu)化鉆具組合和鉆進(jìn)工藝，縮短過(guò)渡段長(zhǎng)度，增大過(guò)渡段厚度；開(kāi)出分支后應(yīng)及時(shí)調(diào)整螺桿馬達(dá)工具面向角，根據(jù)分支孔方位設(shè)計(jì)情況改用100°～130°或240°～260°工具面控制分支孔方位角，使分支孔軌跡向主孔兩側(cè)延伸，一方面避免分支孔軌跡急速下斜、穿出目標(biāo)層，另一方面避免主孔與分支孔在垂直方向上過(guò)度重合、易坍塌，使分支孔快速偏離主孔，降低鉆孔過(guò)渡段孔壁失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，保證鉆孔安全高效鉆進(jìn)。

5 試驗(yàn)應(yīng)用

5.1 成莊礦枝狀煤層定向孔應(yīng)用

成莊礦為高瓦斯礦井，定向鉆進(jìn)煤層主要為3#煤層，賦存于位于山西組下段上部，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、沉積穩(wěn)定，平均厚度6.44 m，普氏硬度系數(shù)2～4。

施工鉆場(chǎng)位于四盤(pán)區(qū)43133 巷道迎頭，施工鉆孔類型為掩護(hù)巷道掘進(jìn)的瓦斯預(yù)抽枝狀煤層定向孔，包含1 個(gè)主孔和2 個(gè)主分支孔，利用主孔和主分支孔中側(cè)鉆的分支孔，全面覆蓋待掘進(jìn)的43133 巷道影響區(qū)，保障煤巷安全掘進(jìn)。

現(xiàn)場(chǎng)施工共完成深度834 m 的主孔1 個(gè)，主分支孔10 個(gè)，成功開(kāi)分支77 次，側(cè)鉆成功率100%，未發(fā)生分支孔坍塌等孔內(nèi)安全問(wèn)題，單孔總進(jìn)尺達(dá)到9 822 m，經(jīng)瓦斯預(yù)抽達(dá)標(biāo)后，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)定向鉆孔掩護(hù)煤巷安全掘進(jìn)。成莊礦枝狀煤層定向鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面圖如圖6。

圖6 成莊礦枝狀煤層定向鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面圖Fig.6 Actual drilling track of branch coal seam directional hole in Chengzhuang Mine

5.2 祁東礦底板梳狀定向孔應(yīng)用

祁東礦為煤與瓦斯突出礦井，近距離煤層群發(fā)育，首采煤層設(shè)計(jì)為71煤，平均厚度為1.9 m，普氏硬度系數(shù)為0.3～0.52，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。71煤下部為72煤，平均間距為2.9 m。71煤與72煤之間為灰色-深灰色泥巖。

施工鉆場(chǎng)位于94 采區(qū)61煤底板回風(fēng)上山上部平巷，施工鉆孔類型為71煤瓦斯預(yù)抽底板梳狀定向孔，其主孔自71煤中開(kāi)孔，先沿71煤底板延伸主孔，然后自主孔施工分支孔進(jìn)入71煤，對(duì)71煤瓦斯進(jìn)行區(qū)域預(yù)抽。

現(xiàn)場(chǎng)施工共完成底板梳狀定向孔3 個(gè)，開(kāi)分支13 次，側(cè)鉆成功率100%，未發(fā)生分支孔坍塌等孔內(nèi)安全問(wèn)題，總進(jìn)尺達(dá)到1 663 m，成功控制定向鉆孔主孔及分支孔在71煤與72煤之間延伸，為礦區(qū)71煤安全開(kāi)采提供了技術(shù)保障。祁東礦71煤底板梳狀定向孔實(shí)鉆軌跡剖面圖如圖7。

圖7 祁東礦71 煤底板梳狀定向孔實(shí)鉆軌跡剖面圖Fig.7 Actual drilling track of comb floor directional hole in Qidong Mine

6 結(jié) 語(yǔ)

1）分支孔是煤礦井下近水平定向孔功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，根據(jù)煤礦井下施工特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了無(wú)孔底低速磨削懸空側(cè)鉆分支技術(shù)，介紹了其技術(shù)原理與優(yōu)勢(shì)，分析了其力學(xué)機(jī)理、動(dòng)態(tài)過(guò)程和分支過(guò)渡段穩(wěn)定性，以成莊礦和祁東礦為例，進(jìn)行了煤層和巖層側(cè)鉆分支應(yīng)用，單孔最大分支數(shù)量達(dá)到77 個(gè)，側(cè)鉆成功率100%，安全性100%。

2）側(cè)向力是實(shí)現(xiàn)懸空側(cè)鉆開(kāi)分支的力學(xué)前提，建立了無(wú)孔底低速磨削懸空側(cè)鉆分支靜力學(xué)模型，給出了分支側(cè)鉆側(cè)向力計(jì)算公式，得出鉆孔傾角越小，側(cè)向力越大；螺桿馬達(dá)彎角越大，側(cè)向力越大；鉆具重心至彎點(diǎn)的距離與鉆頭至彎點(diǎn)距離比值越大，側(cè)向力越大。

3）無(wú)孔底低速磨削懸空側(cè)鉆分支時(shí)先在孔底形成臺(tái)階，然后逐步與主孔分離，根據(jù)分支孔與主孔孔壁連接狀態(tài)不同，可分為初期、中期和末期。側(cè)鉆初期，應(yīng)嚴(yán)格控制鉆壓和側(cè)鉆速度，確保在主孔孔壁上產(chǎn)生穩(wěn)定的臺(tái)階；側(cè)鉆中期可適當(dāng)增加鉆壓，提高鉆具造斜能力；側(cè)鉆末期，應(yīng)保持分支孔與主孔脫離的方向繼續(xù)側(cè)鉆，至分支過(guò)渡段厚度達(dá)到孔壁穩(wěn)定性要求，方可結(jié)束側(cè)鉆分支作業(yè)。

4）建立了分支過(guò)渡段孔壁穩(wěn)定性分析數(shù)值模型，分析結(jié)果表明煤層中當(dāng)主孔與分支孔間距超過(guò)30 cm 后，分支過(guò)渡段孔壁煤巖體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)方可開(kāi)始正常的鉆孔軌跡調(diào)控作業(yè)。