深孔定向钻进技术及其在煤矿工程中的应用

李会刘杰

郑煤集团新兴煤业有限公司河南郑州452370

摘要：钻孔施工作为煤矿工程中的重要工作内容之一，钻孔精度及进度往往直接影响到煤矿采掘计划能否顺利进行。相对于传统钻进技术的低施工精度、低进度、低适应力而言，深孔定向钻进技术通过其特有的工艺流程和施工方案能更好的解决此类问题，大大提高了煤矿开采工程的进度和效率。本文分析了深孔定向钻进技术及其在煤矿工程中的应用。

关键词：深孔定向钻进；煤矿；应用

1深孔定向钻进技术的原理及参数

深孔定向钻进技术与传统的旋转钻进方式截然不同。最大的改变在于在钻进过程中是由钻头旋转钻进，而非传统的整个钻杆转动，这样有效的减小了钻机的负载，也增长了钻机的使用寿命。其工作原理主要是将高压水通过钻杆传输至孔内马达，孔内马达的转子在水压的作用下转动，通过U型接头和前端轴承带动钻头旋转钻进。其次是钻孔的轨迹，传统旋转钻进由于钻头与钻杆的一体性导致其钻进轨迹为直线，深孔定向钻进的钻机通过钻杆和孔内马达将机械力传送至钻头，方向沿着弯接头轴线方向，而弯接头和钻杆之间存在一定夹角，因此钻孔的轨迹为一条空间曲线，其偏转方向根据弯接头方向而定。

孔内马达的弯接头作为钻机的关键部件，在其规格挑选时需格外注意，因为不同规格的弯接头将改变钻孔曲率半径，从而影响改变转弯的快慢，与此同时，若要改变钻孔曲线的变化方向，只要改变弯接头的方向即可，在适当的位置甚至可以让钻孔分支。

测量设备在深孔定向钻进中提供了质量保证，在施工过程中，每隔一段距离（间隔距离根据施工精度要求而定，通常情况下，间距越小，精度越高，典型值为6m），测量出孔底参数，并通过相关计算，则可绘制出钻孔轨迹的几何投影图，从而调整钻头改变钻孔方向，以达到精确控制钻孔轨迹的目的。孔底参数组成：孔深、弯接头方向、孔的方位角接倾角。深孔定向钻进中的方位角和倾角的含义与传统钻进施工中的方位角、倾角含义相同，是根据孔深而异，所以钻孔轨迹变化趋势及快慢则是通过弯接头的调整来达到控制效果。

2深孔定向钻进技术应用条件

任何一项钻进技术都有其适用的地质条件，深孔定向钻进技术也不例外，其钻进要求钻孔（下向孔）倾角范围为-5°～-10°，由于下向孔排渣困难等因素，所以如果孔深要求在200米以上时应避免采用下向孔施工；在钻进过程中也应避免较强的垮孔，钻孔区域也应事先探测磁感强度，避免较强磁性区域和强烈的破碎带。

3深孔定向钻进技术的工艺流程

3.1深孔定向钻进施工前的准备工作

（1）对钻孔区域进行详尽的地质勘探，尤其注意强烈磁性区域及强烈的破碎带，以减少不必要的损失，其次摸清断层情况及其规模、煤岩层的范围、厚度、硬度、倾角、走向及其他变化，采集相关信息。

（2）根据采集的地质勘探情况结合钻孔布置要求，模拟设计出计划施工钻孔的轨迹，并计算好其他相应设定数据。

（3）根据轨迹要求制出的数据，布置好钻场、钻孔瓦斯排放系统、供排水系统、供电系统，并根据可能发生的意外制定施工安全防御措施。

（4）置放钻机、测试测量设备。按照数据要求的钻孔方位角及倾角来固定钻机，并检测测量工具的运行状况，确保其工作正常。

（5）开工、封孔、安置孔口设施。为提高施工效率，有效分离钻孔施工过程中的水渣，深孔定向钻进采用先封孔后打钻的方式，这样可以在进行煤层钻孔是控制钻孔中的瓦斯抽放，可在钻孔结束时当做瓦斯抽放孔，从而立即接抽。

（6）正常钻进。在孔口设备安设完毕后即可开展正常钻进，每钻进一段要求的距离，进行一次测量反馈，绘制出实际钻孔轨迹，并将其与设计的钻孔轨迹进行对比分析，根据偏差情况及时进行调整弯接头，从而降低偏差，达到效率最大化。

3.2深孔定向钻进施工过程中应注意的问题

（1）在整个钻进施工过程中，施工人员需做好详尽的施工记录，并对遇到的问题进行备注，及时分析讨论出解决方案，定期检查机械设备运行状况，以便及时应对煤矿钻进过程中的突发事故。

（2）合理控制钻进进度，当钻孔较深时，返渣不能即时反映煤岩硬度情况和变化情况，只能通过水压的变化情况来做出判断，因此在钻进过程中应时刻观察水压变化情况，水压同样可以反映出推进速度，要以保证水压无较大起伏为原则。

（3）深孔定向钻进施工方式为连续作业，尤其在钻孔较深或有垮孔现象的钻孔时，严禁唱时间停钻，因此需要钻工能及时交接班，并确保水电方面的正常供应。

（4）在钻进施工至顺煤层钻孔时，应当根据实际情况来进行顶底板探测。

4深孔定向钻进技术在煤矿工程中的实际应用

4.1地质探孔

由于深孔定向钻进技术可在煤层钻进时产生分支，因此常常被应用在探测煤层的起伏、断层和断距的确认，但需注意的是，若在岩石层钻进时不能开分支。

4.2煤层瓦斯抽放控

由于深孔定向钻进技术能使钻孔根据煤层顶底板的起伏而产生相应的变化，因此在顺层瓦斯抽放钻孔的施工工具中占据无法比拟的优势。首先需要预先计算出顶底板的实地情况，通常这种预计在钻孔实施前无法得知，通过探顶和探底能较好的解决此类问题，从而达到瓦斯抽放的目的。

（1）探顶：钻进过程中，每隔一段距离都会进行测量，在停钻过程中将弯接头方向调整为0°，让钻孔快速钻至顶板从而确定其所处位置，并画出该店与前一探顶点的连线，然后作出延长线以作为下一段钻进的参考顶板，之后使钻头后退到适合位置进行分支钻进，如此反复。为提高工作效率，往往可依据煤层的情况来定制探顶的间距，若煤层起伏平稳，则可将探顶的间距延长。

（2）探底：与探顶过程类似，不同之处在于将弯接头方向调整为180°并快速钻至底板从而完成探测。与探顶的作用类似，都是用于探测煤层的起伏状况，一般采用探顶方式，因为这样可以相较容易的开分支，但若要探测煤层的厚度，则必须进行探顶与探底。

4.3排水孔

因为地下深层积水区有时候会相对现有巷道较远，而传统旋转钻进方式很难准确的讲钻孔钻进积水区域，通深孔定向钻进通过其高精度的特性则能较好的解决此类问题。

5深孔定向钻进中关键性设备的选择

5.1测量工具

测量精度是煤矿工程施工质量的前提保证，目前而言，国内技术相较国外落后，在测量精度上有所欠缺，因此大部分还是通过进口来满足需求，譬如澳大利亚AMT的MECCA系统，该系统单次测量时间为5秒钟，方位角精度可达0.5°，倾角精度可达0.1°，并且能通过自身系统自动计算出测点坐标，最新版本的系统更可以直接将钻孔轨迹反映在测量工具上，为钻进工程的首选。

5.2钻机

传动方式为全液压，工作能力赢能满足预施工钻孔深度，要求运行性能稳定、低故障率。

5.3孔内马达

由于测量工具中的方位角探头往往为磁性元件，所以尽量选用无磁性孔内马达，以避免对测量工具的干扰。

6影响深孔定向钻进施工效果的主要原因

6.1地质条件

任何一种勘探工程的首要考虑因素就是地质条件，由于钻孔区域中会遇到破碎带、断层、煤岩层、岩石层等，会在特定情况采用下向孔钻法，若条件允许则尽量大上相孔以便于排水排渣。

6.2机器性能

由于深孔定向钻进要求连续施工作业，若在钻孔较深或是有垮孔的情况下，长时间停钻，则容易引起卡钻，从而造成钻孔事故，因此需准备充足的配件以应对突发故障。

6.3施工人员素质

因为钻孔工作的特殊性，则对施工人员的要求更高，需要强化其专业知识，并加强安全意识。定期进行培训，并对施工中出现的意外案例进行总结归纳，以从容应对突发状况，设立考核机制。

7结束语

综上所述，深孔定向钻进技术具有钻进速度快、成孔率高、精度高等优点，因此广泛应用于世界，国外的一些工业化国家掌握着更为成熟的深孔定向钻进技术，并广泛应用于煤矿地质勘探、瓦斯抽放、深孔排水等方面。当今我国尚处于煤炭行业高速发展时期，因此深孔定向钻进技术仍会广泛应用，在煤矿采掘过程中，若条件适合，应用此项技术则会显著提高生产率，缩短工期，带动经济利益的发展。

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