精准定向钻孔技术在巷道掘进中的研究与应用

精准定向钻孔技术在巷道掘进中的研究与应用

陈明善

川煤华荣能源公司铁山南煤矿  四川 达州635024

摘要：精准定向钻孔技术是煤矿井下钻探与钻井工程领域大力发展的关键性技术，根据已掌握现行钻探技术，对巷道掘进使用精准定向钻孔技术和配合轨迹仪测量技术就可以有效地提高煤矿探煤、巷道贯通的准确度。本文以铁山南煤矿在开切眼施工中采用精准定向钻孔技术，并采用定向机械掏槽技术为例，对精准定向钻孔的特点、发展、应用及关键技术进行了探讨和总结，强调了新技术，新方法的推广应用的重要性。

关键词:煤矿井下；巷道施工；钻孔技术；精准定向

1引言

随着科学技术的进步和发展，国家对煤矿企业的安全生产越来越重视。为了保证煤矿企业的安全生产，就需要对矿井的生产工艺进行优化和改进，井巷掘进技术和煤炭开采技术必须得到升级，新设备，新工艺，新技术在煤矿的应用尤其重要。在矿井生产过程中，煤矿生产运行中瓦斯灾害和水患的治理是煤矿企业必须解决的，因此煤矿井下的巷道施工和工作面的布置提前施工钻孔试行预抽排来降低瓦斯浓度达到抽放到标有效控制煤与瓦斯事故，矿井水患通过施工钻孔进行有效预探掌握矿井水文情况有效对矿井开采产生危害赋存的地下水进行“堵、排、疏”从而达到安全生产。钻探工作在煤矿显得尤为重要而且年钻探工作量大，这就需要我们在钻探工作中设备、工艺、技术不断升级达到钻探工作高效、精准、安全。

瓦斯的治理和水害的治理是重中之重，因此煤矿井下施工巷道如何采用新工艺，来减小巷道的瓦斯浓度和消除水对施工人员的危害非常重要。在传统的施工中，一般都是采用炮掘或机掘工艺，根据《煤矿防治水细则》的规定及瓦斯治理的要求的规定，提前采取定向钻孔技术探明瓦斯和水害非常重要，为此研究一种精准定向钻孔技术就成为了目前煤炭企业研究的重点。根据本矿井下的煤层倾角大施工的巷道长构造较为复杂的特点，采用给施工钻杆通水的方式用于现在倾角大的工作面施工钻孔非常困难，结合本矿实际情况采用给施工钻杆供高压风的钻孔方式，同时采用的精准定向钻孔技术在施工过程中产生很好的效果，达到施工钻孔精准钻穿的目的。

2  精准定向钻孔的基本概念

2.1 精准定向钻孔技术的发展

精准定向钻孔是利用钻杆因重力自然弯曲的规律或采用人工造斜工具使钻杆按设计要求精准钻到指定目标点的一种钻孔方法。也是钻孔精准穿到一个设计预定的地下目标点，使钻孔在特定方向偏斜的工艺和科学。精准定向钻孔技术是煤矿井下钻探与钻井工程领域大力发展的关键性技术，也是煤矿井下钻探与钻井工程领域一次革命性变革，没有精准定向钻孔技术作为支撑的钻探技术将成为一种落后的技术。精准定向钻孔技术属于比较先进的钻探技术，由于其先进的功能和特点，目前在煤矿生产、施工工程领域和灾害救助中得到了广泛的应用，具有显著的经济效益和社会效益。随着我国矿山深部资源的开采，面临的精准定向钻孔技术将成为最关键问题，精准定向钻孔技术是精确控制钻孔轨迹及其中靶点必不可少的技术手段。

2.2  精准定向钻孔技术应用范围

精准定向钻孔技术的适用范围及广,在煤矿井下也有较多用途，主要适用于瓦斯及水害的探测和治理方面，适用范围主要有（1）注浆加固孔；（2）探放水孔；（3）瓦斯抽放孔；（4）煤矿井下地质勘探孔；（5） 一孔多分支孔；（6）铺设地下管线开挖的孔。（7）巷道导向孔等。

3 精准定向钻孔施工工艺

3.1 精准定向钻孔技术要点

3.1.1  钻孔轴线及其有关参数
　　钻孔轴线的空间要素包括：轴线上各点的顶角及方位角，孔深，靶点的垂深，水平位移，曲线段的曲率，弯曲强度，以及钻孔轴线的遇层角等。根据孔眼轨迹的基本要素就可以利用一定的计算方法求出轨迹上每一点的空间坐标。

3.1.2  钻孔轨迹空间位置计算
　　钻孔轨迹空间位置计算的基本原理：将钻孔轴线分成若干小段，根据每一小段端点的测斜数据，将每一井段轴线看作为直线或曲线进行叠加计算。其计算方法有：全角全距法、全角半距法、均角全距法、曲率半径法、最小曲率法。

3.1.3  定向钻孔轨迹的设计

煤矿井下巷道钻孔前，必须设计好钻孔轨迹，定向钻孔轨迹的设计应考虑到以下几个因素：钻孔的类型（煤巷或岩巷）、施工钻孔的方位及个数和设计的孔深及孔的坡度、以及每个钻孔的终孔位置等。轨迹设计前，必须收集到能准确反映钻孔布孔平面和空间区域的地质测量资料（包括煤层顶底板等高线图、综合柱状图、采掘工程平面图），分析煤层顶底板岩性变化及煤厚变化情况。在轨迹的设计时，要综合考虑后期施工设备能否准确对准靶点，因此要控制设备的钻进速度，平稳钻进，要合理设计好钻孔的轨迹。精准定向钻孔的施工目的就是为了让施工设备直接命中设定的靶点。

定向钻孔设计的原则:

1）满足定向孔施工的目的和要求，据定向孔目的、用途选择合适的定向孔类型与钻孔轨迹形式。严格按照孔口位置、靶点位置、靶区范围、见矿遇层角等要求设计定向孔轴线。靶点和靶区，由地测部门给定；靶区范围，一般取靶点的偏线距、沿线距、偏高距分别为线距、孔距或标高距的1/4--l/5。

2）充分利用地层的自然弯曲规律，选择合理的定向钻孔轴线的设计。
3）选择合适的造斜强度。
4）选择易于钻进的钻孔轴线轨迹剖面型式，钻孔结构应考虑孔身剖面形状和造斜工具类型。
3.2  定向钻孔技术的施工要求

3.2.1  钻机固定

1).安装钻机前应加强施工钻孔地点巷道的支护。

2).安装钻机的地点应用水泥混凝土浇灌平整，底板无浮矸（煤），钻机下方垫好木方。四角打好液压立柱和斜柱，按钻孔的施工要求摆好钻机，钻机后方必须打个支柱将钻机顶好，以防钻机移位。

3).根据设计，在现场确定钻孔的开口位置时，必须由矿山测量人员在现场开口处标定中腰线。负责施工钻孔工作的人员亲临现场，共同确定钻孔的方位、倾角、深度及钻杆的数量。

4). 钻孔前必须清理巷道，疏通并挖好排水沟。

5).钻机开钻前，必须由机长亲自检查钻杆的方位、倾角是否与设计相符。

3.2.2 螺杆钻具的选择

根据矿井井下作业特点及煤岩层情况,采用73毫米螺杆钻具，该钻具适应性较强,具有以下特点： 

1）对煤矿井下地层的适应性广。

2）钻杆重量轻，柔韧性好，并且结构简单，动力机较短，易损件少，施工作业时可靠。 

3）输出特性过载性能较高，且输出扭矩与钻压成正比，输出转速与流量成正比（200～800 r/min），在小流量工作时转速较低，因而钻头寿命较长，可用金刚石或硬质合金钻进。

4）钻杆具有较大的扭矩和输出功率。

5）可以防止钻杆摩擦碰撞孔壁而造成孔径扩大，坍塌掉块及卡埋钻等情况。

6）具有造斜强度均匀和造斜方向和角度稳定的特点。
3.2.3  钻孔轨迹的控制

由于煤层倾角有时上下变化大，局部煤层有可能因陷落柱、断层、褶皱等地质构造，易出现卡埋钻现象，这就增加了钻孔轨迹精确控制的难度，为了实现钻孔轨迹精确控制，特采取以下措施:

1) 准确识别层位的变化。根据煤层采掘工程面图（含煤层等高线、地质构造）计算出钻孔轨迹处煤层的实际倾角，根据现场钻进后实际返渣（煤，岩）性的变化，判断出当前钻头在哪一层位（顶板岩层，煤层，底板岩层）。

2) 根据现场钻孔层位的变化，应及时调整钻孔设备倾角，使钻孔轨迹在水平面投影上沿设计轨迹上下平行波动，参考钻孔设计轨迹的倾角值控制倾角变化，使钻孔尽量处在煤层中钻进。

3) 了解煤层真实情况后再将两探顶点连线的延长线作为下一段钻进的参考顶板，从而保证钻孔始终在煤层中钻进。

3.2.4  开孔和扩孔的要点

开孔：钻孔时使用定向钻孔施工技术，轨迹设定好后要使钻杆从低向高缓慢钻进，保持钻头轨迹平顺稳定。在推进钻杆的同时要控制钻杆转速，不要过快或过慢，钻孔尽量要平稳钻进，钻杆才能按照设定的轨迹路线前行。钻孔设备在向上钻进时，轨迹线路的倾角不应该超过设定的坡度，这样才能保证钻孔施工顺利进行，保证孔的质量。钻孔产生的煤岩渣顺着钻头钻杆之间的间隙顺利流下。

扩孔：钻孔完成后，开始回拖扩孔工序，要求钻杆有足够的轴向强度和抗扭强度以及柔韧性，来承受钻机的回拖力扭矩力适应方向的改变。回拖扩孔器多为子弹头状有合金齿及喷嘴，扩孔器后部有一旋转接头与工作管相连，使用连接在钻杆上的锥形扩孔器时，扩孔器上装有通气喷嘴，压风通过钻杆进入，在回扩时高速压风可助于清除煤矸渣，旋转回拉扩孔器来扩大孔径。

4 精准定向钻孔技术在煤矿施工中的应用

按照《煤矿防治水细则》的规定：煤矿井下的所有施工巷道必须坚持有掘必探，先探后掘的原则，所以在巷道施工前必须按规定先施工钻孔。在煤矿井下施工钻孔过程中，对于钻孔轨迹管理控制标准要求非常高，在钻孔时需要严格按照钻孔轨迹设计的标准来施工，在巷道钻进的过程中，也要考虑钻孔设备自身对于这种轨迹的影响。同时,施工又受巷道技术条件的影响,分为全岩巷道和煤层巷道两种, 岩石的硬度不同,对钻孔钻头的材质要求又有差异。

4.1 全岩巷道的精准定向钻孔

全岩巷道分为平巷和斜巷。在平巷中，矿山测量人员只需要按设计要求在施工钻孔开孔处标定中线，施工人员按照标定的中线安装好钻机即可，在斜巷中按设计要求在施工钻孔开孔处既要标定中线又要标定腰线，并按设计的坡度计算出腰线数据，最后提供给施工钻孔的人员安装钻机。施工钻孔时按照中线方向在巷道断面的正中位置开孔，按巷道设计的长度定向施工完钻孔。施工的钻孔有以下用途：排放施工巷道前方的来水达到了消除水对施工人员的危害隐患，同时为巷道掘进施工起到精准定向的作用，为巷道贯通提供可靠的保证，并在巷道打眼时也有定向机械掏槽的作用、提高了巷道掘进爆破的效率

4.2  煤层巷道的精准定向钻孔

煤层巷道的定向钻孔施工，矿山测量人员按设计的方位角在现场钻孔位置标定出施工钻孔的中腰线，施工人员按照中腰线安装钻机即可。施工的精准定向钻孔可为巷道掘进施工时起到精准定向的作用，施工定向钻孔就是为了排放煤层中聚集的瓦斯，减小巷道施工时瓦斯的浓度，防止瓦斯超限，达到瓦斯零超限的目的。

5  精准定向钻孔技术应用实例

四川华荣能源公司铁山南煤

矿是地质条件极复杂矿井，矿井煤层赋存条件差，煤层倾角从20º至70º不等。特别是矿井东翼，工作面开切眼倾角基本在50°以上，人工施工开切眼难度大。为此，该矿在-121采区-1211（K21）工作面开切眼施工时，采用了精准定向钻孔技术，该开切眼倾角55°,倾斜长度128.30m，根据设计要求分别要在开孔间距5.0m处各进行1个钻孔，施工两个成孔孔径为600mm的孔后，左边一个是溜煤眼用于施工开切眼向下扩刷时下煤，右边一个是通风眼，最后从上向下扩刷成巷的方式进行，最终扩刷成宽5.6m的开切眼，施工过程如下：

该开切眼钻孔施工时，作业人员采用精准定向钻孔技术来进行钻孔。首先由矿山测量人员按设计方位在现场开孔位置处标定好钻孔的中腰线，作业人员在现场按照标定的中腰线安装钻机。现场采用DZY-3200型煤矿矿用全液压钻机，钻杆直径73mm，单根钻杆长度为1000mm，钻杆数量140根。钻头为筒状合金或PDC金刚石复合片系列钻头，直径有94mm113mm133 mm。

施工钻孔时可以采用钻杆通水钻孔和钻杆通风（压风）钻孔两种方式，该工作面风机巷高差有105.37m，经分析采用钻杆通水钻孔会有以下问题：井下水的压力达不到施工的要求（矿山井下防尘水的水压是6MPa，垂高105.37米则需要11 Mpa左右），并且随着钻孔深度的增加孔内的水还会对已钻好的孔造成破坏（钻孔的煤壁因水侵泡后会松软造成垮塌），同时水和钻杆的自重也会对钻杆的运动轨迹发生较大的改变，控制钻杆的运动轨迹也非常非常困难，难以达到精准定向钻孔。采用钻杆通风（压风）钻孔：压风机供的风压力大，风的比重也比空气轻，可以减小钻杆因重力原因向下的运动轨迹，所以该矿采用的是供压风定向钻孔,钻孔施工过程中随着钻孔轨迹的增加设定探头内置高精度角度传感器和深度传感器就可精测定钻孔空间轨迹，亦可自动准确测量钻孔的深度，以钻杆的轨迹根据现场钻孔的实际情况来调整钻进的坡度，在73mm钻杆前用94mm的定向钻头套用133mm扩刷钻头来钻孔，钻孔轨迹的精准才能够精确地控制钻头的钻进方向，在钻孔作业过程中每钻进10m现场测量人员就用坡度仪测量一次钻机及钻杆的倾角（倾角要控制在55°），同时要测量钻孔的轨迹及深度，并用计算器及时地计算出实际轨迹与设计之间的差值，进而及时调整钻孔的方向和倾角，以保证实际钻孔轨迹按照设计的要求来进行，保证钻孔达到精准定向钻穿。并要在接近风巷穿孔位置5m处时将钻孔设备的倾角降小1°-2°从而钻穿到该工作面风巷的底板处。精准穿孔后，将钻孔钻头换成直径为600mm的回拖扩孔器（回拖扩孔器多为子弹头状有合金齿及喷嘴），扩孔器后部有一旋转接头与工作管相连，使用连接在钻杆上的锥形扩孔器时，扩孔器上装有通气喷嘴，压风通过钻杆进入，在回扩时高速压风可助于清除煤矸渣，旋转回拉扩孔器以扩大孔径。扩刷作业完成后，不直接取出扩孔器，而是直接将设备卸下，进而卸下扩孔器。按照这种方式各施工一个溜煤眼和通风眼。

在施工完直径600mm的溜煤眼和通风眼后。由人工从上向下，两个孔起到了自然通风和定向的效果，巷道掘进所需的所有材料均用专用绞车向下慢放至施工碛头（以前施工开切眼均是人工从下向上搬运材料）现在大大减少了作业人员的劳动量也保证了施工的安全，设计宽5.6m的开切眼由于左右各有一个直径600mm的孔眼，巷道爆破后的煤渣均从溜煤眼直接流入机巷的矿车内，改善了作业环境，施工进度得到了提高，从而提高了整个施工效率。

6  结语

四川华荣能源公司铁山南煤矿通过采用精准定向钻孔技术施工开切眼钻孔，采用先进的精准定向钻孔技术大大提高了煤矿开采作业的生产效率，在煤矿井下钻孔作业的实际应用过程中，采用定向技术能够精准穿孔，并且钻孔可以替换原有的传统排水沟，可以加快煤矿井内的排水，也能减少煤矿井内施工巷道及工作面的瓦斯气体。为煤矿安全生产作业提供了重要的保障，同时精准定向钻孔技术也会给煤矿企业降低生产上的成本，达到了提质增效的作用，为矿井的安全生产创造了条件，精准定向钻孔技术对煤矿企业具有较强的应用价值，该精准定向钻孔技术值得所有煤矿井下采用。

参考文献：

[1]李向阳.定向钻孔探煤关键技术探究[J].内蒙古煤炭经济,2021(20):49-51.

[2]余鹏飞.高位定向钻孔技术的实践应用研究[J].山东煤炭科技,2019(10):28-29+35.

作者简介：陈明善（1977年-），男，汉族，四川达州人，大专，助理工程师，研究方向：煤矿测量管理。

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