井下穿层钻孔偏斜规律分析及保直钻进的工艺研究

陈若跃

摘要：井下瓦斯治理钻孔施工过程中的偏斜问题容易造成控制区域形成未知、不可控制盲区，影响瓦斯防治效果，重大灾害难以精准防控。本文以袁店一井煤矿42个已测斜的底板穿层钻孔为样本进行分析研究，总结了钻孔在钻进过程中的偏斜规律；针对钻孔偏斜问题制定不同保直钻进方案并进行对比分析，提出有效的解决方案。

关键词：穿层钻孔 偏斜 保直钻进

目前，淮北矿区重大灾害尤其是瓦斯灾害日益凸显，严重制约矿井的高效发展，精准治灾迫在眉睫。而井下施工大量的钻孔过程中往往存在偏斜，造成治害达不到预期效果，因此对井下施工的钻孔偏斜规律的研究及解决方案势在必行。

1 引言

袁店一井煤矿水、火、瓦斯灾害严重，各主采煤层均为突出煤层，10煤层实测瓦斯最大原始压力4MPa。灾害治理工程量大、钻孔种类繁多。

目前矿井主要实施的钻孔类型有瓦斯治理钻孔（穿层钻孔、顺层钻孔、高位钻孔、拦截钻孔、斜交钻孔等）、地质探查钻孔（近突出煤层岩巷超前地质探查钻孔、煤巷掘进超前地质探查钻孔等）、防治水钻孔（探水钻孔、放水钻孔等）以及防火钻孔。

现场实践表明，钻孔施工过程中存在人工开孔定位精度不高（方位、倾角、开孔位置等）、钻孔偏斜等问题，造成钻孔轨迹、落点发生位移，精度难以达到设计要求，形成未知、不可控制盲区，影响瓦斯防治等灾害治理效果，重大灾害难以精准防控。

通过对钻孔测斜发现，钻孔在施工过程中存在较大偏斜是普遍存在现象，但因测斜数据不足、地质条件差距大，对钻孔施工定量的偏斜规律仍是研究盲区。为摸清底抽巷穿层钻孔偏斜规律，有针对性对可能较大偏斜钻孔进行测斜，降低测斜工程量，对袁店一井煤矿底抽巷施工的42钻孔进行全程测斜，并分析其偏斜规律。

2 钻孔偏斜规律分析

2.1工程背景

1035机巷底抽巷位于10煤层底板15.6～25.1m，10煤层赋存较稳定，煤层厚度1.40～5.90m，平均4.14m。工作面整体倾角4～8°，平均6°。

在1035机巷底抽巷每隔40～50m布置一个钻场，钻场的尺寸为：宽×深×高=5.0×5.0×3.5m。条带预抽钻孔孔底轴向间距为5m、列间距为5m，钻孔终孔穿过10煤顶板3m，控制巷道两帮轮廓线外15m。

对底抽巷施工的42钻孔测斜资料进行汇总、统计、分析，分析其纵向和横向偏斜与钻孔倾角、孔深等关系。

序号	倾角（°）	孔深（m）	左（+）右（-）偏差（m）	上（+）下（-）偏差（m）
1	33	40	2.49	2.44
2	38	39	3.09	2.01
3	43	36	0.48	1.88
4	49	33	0.87	1.45
5	56	30	-0.01	1.15
6	24	63	7.87	-0.63
7	28	54	4.45	5.88
8	31	39	3.37	4.21
9	44	33	1.32	0.80
10	49	33	1.76	1.41
11	39	39	4.45	5.74
12	33	42	3.10	5.81
13	32	48	1.54	2.55
14	36	45	-4.41	3.73
15	41	49	0.97	1.97
16	27	60	2.70	7.38
17	45	27	3.72	2.21
18	42	39	5.79	1.60
19	45	45	-0.29	4,22
20	37	42	0.31	4.17
21	39	30	-0.95	1.65
22	35	35	-1.36	2.57
23	29	42	5.97	4.76
24	26	54	5.53	-5.38
25	27	54	5.13	3.33
26	27	48	2.44	2.65
27	41	33	0.50	1.47
28	33	39	0.43	0.43
29	34	36	1.69	1.84
30	31	48	1.81	3.02
31	30	54	3.09	1.14
32	47	30	0.76	0.61
33	64	33	0.55	0.26
34	71	27	-0.13	-0.06
35	47	30	-0.40	0.92
36	52	33	-0.35	1.87
37	58	30	-0.98	1.41
38	62	30	2.00	-1.25
39	44	30	-0.30	1.95
40	52	30	1.59	0.65
41	40	21	0.18	1.34
42	43	38	1.6	2.95

表1 测斜钻孔轨迹偏斜汇总表

2.2偏斜原因分析

造成钻孔的偏斜因素很多，但主要原因有两个方面。

1.施工钻孔时的操作。施工钻孔时的操作方面存在问题：一是钻机开孔时，没有慢速钻进磨孔，造成开孔时就出现上下左右偏差。二是钻进时钻机的没有稳牢固，压车柱子没打紧，钻机晃动大。三是钻机工的操作水平不一，存在抢进尺情况时，钻进时加大给进压力，做不到均速钻进等等。

2.不同的岩性以及不同地层的倾向倾角。钻进地层的不同岩性以及煤岩层倾向倾角对钻孔偏斜影响：钻机钻进在松软岩层时，容易改变钻孔方向；钻机在软硬交替的岩层中钻进时，钻头容易改变方向；受地质构造影响，地层岩性发生变化，钻头易改变方向。

2.3偏斜规律分析

根据表1统计数据，分析钻孔不同深度、倾角对钻孔轨迹偏斜的影响，如图1、图2所示。

图1 钻孔深度对轨迹影响分析柱状图

图2 钻孔倾角对轨迹影响分析柱状图

1.钻孔孔深对轨迹偏移的影响

测量钻孔深度为21m～63m，统计发现，钻孔深度21m～36m终孔落点偏移均小于3m，其中偏移小于2m约占90%，偏移2m～3m约占10%。钻孔深度38m～49m终孔落点偏移小于2m约占12%，偏移大于2m约占88%。钻孔深度大于49m终孔落点偏移3m～4m约占17%，偏移大约5m约占83%。

2.钻孔倾角对轨迹偏移的影响

测量钻孔倾角为24～71°，统计发现，钻孔倾角24～39°终孔落点偏移小于2m约占15%，落点偏移大于2m约占85%，其中偏移大于4m约占55%。钻孔倾角大于39°终孔落点偏移小于2m约占80%，偏移大于2m约占20%。

以上两个方面的分析表明，钻孔施工深度、钻孔倾角影响钻孔轨迹及落点。其中：

（1）钻孔孔深小于36m时钻孔落点偏移较小，90%钻孔偏移小于2m；孔深大于49m时，83%钻孔落点偏移大于5m。

（2）钻孔倾角小于39°时钻孔落点偏移较大，85%钻孔偏移大于2m；钻孔倾角大于39°时钻孔落点影响较小，80%钻孔偏移小于2m。

（3）对深度小于36m、倾角大于39°的钻孔落点分析，其落点偏移较小。钻孔落点偏移量小于2m约占81%，其中偏移量在1～2m之间约占62%。

3 保直钻进方案

上文分析了穿层钻孔在施工过程中的偏斜规律。为有效降低钻孔偏斜，提高精准治灾能力，制定四种保直钻进方案并进行充分对比分析，提出最优扶正器组合方案。

3.1保直钻进应用

在1037机巷底抽巷7#钻场使用了四种扶正器安装方法，钻孔施工结束后对其轨迹进行了测量，具体情况如下：

1#孔：孔深45m，扶正器位于第一根和第三根，终孔平面误差4.13m，剖面误差0.77m。

2#孔：孔深45m，扶正器位于第二根，终孔平面误差5.73m，剖面误差1.56m。

3#孔：孔深57m，扶正器位于第三根，终孔平面误差0.72m，剖面误差0.23m。

4#孔：孔深75m，扶正器位于第一根，终孔平面误差10.81m，剖面误差8.82m。

3.2应用成果分析

1.当扶正器放在第一根时，钻孔测斜终孔轨迹与设计轨迹平面误差较大，基本不能起到保直作用；

2.当扶正器放在第二根时，扶正器对钻孔在剖面上起到明显的保直作用，但是平面上钻孔轨迹偏斜较大；

3.当扶正器放在第三根时，扶正器对钻孔在平、剖面上保直作用明显；

4.当扶正器放在第一、三根组合时，扶正器对钻孔在平、剖面上保直作用明显，尤其是钻孔深度30m以内钻孔实际轨迹与设计轨迹基本一致，30m后平面上钻孔轨迹有一定的偏斜。

从现有数据分析，扶正器放在第三根保直效果最为明显，在孔深30m以内采用第一、三根组合效果最佳。

4 结论

1.井下钻孔施工过程中存在明显测斜，且同一地质条件下钻孔偏斜呈现一定的规律性，钻孔施工深度、钻孔倾角均影响钻孔轨迹，其中孔深36m、倾角39°是一个明显的分界线。

2.采用扶正器施工可有效降低钻孔偏斜度，应用表明，扶正器放在第三根保直效果最为明显，在孔深30m以内采用第一、三根组合效果最佳。

参考文献：

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