張廣強(qiáng)ZHANG Guang-qiang

（中煤第五建設(shè)有限公司第四十九工程處，邯鄲056003）

0 引言

由于復(fù)雜地質(zhì)條件下的煤礦區(qū)中存在的煤巖層大都比較松軟、易碎，在進(jìn)行水平定向鉆機(jī)工作的過程中，往往需要更加的仔細(xì)和小心，如果遇到斷層破碎帶、陷落柱等特殊的巖層時(shí)，稍不留意就會(huì)造成孔內(nèi)事故，出現(xiàn)孔內(nèi)垮塌、埋鉆、卡鉆等情況，而致使鉆進(jìn)效率低下。一旦孔遇到松軟、易碎巖層時(shí)，就要采用有效的措施將損失降至最小。

1 煤礦井下水平定向鉆進(jìn)技術(shù)概述

在二十世紀(jì)八十年代初期，首次由英國研制出煤礦井下水平定向鉆機(jī)，其鉆孔深度可高達(dá)六百米左右，繼而鉆進(jìn)技術(shù)得到持續(xù)發(fā)展，在八十年代中期鉆孔可深入井下七百米。近年來，科技與時(shí)代不斷得到發(fā)展，鉆進(jìn)設(shè)備與施工技術(shù)也在隨之改進(jìn)，直到今天鉆孔深度可達(dá)一千七百米左右。我國煤礦行業(yè)起步比較緩慢，有些企業(yè)從國外引進(jìn)多套規(guī)格、參數(shù)不同的水平定向鉆機(jī)，首先在鐵頭、松藻、淮南、平頂山等地試用。礦井地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，由于受到地域、自然、氣候等方面的影響，因此提高了對(duì)鉆進(jìn)技術(shù)的要求。在鉆進(jìn)的過程中由于配套的鉆桿壁比較薄，強(qiáng)度有限，致使鉆機(jī)在實(shí)施鉆進(jìn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)鉆桿折斷、螺桿鉆具脫落等情況，造成孔內(nèi)事故。最深鉆孔與其鉆機(jī)標(biāo)定能力會(huì)因?yàn)榫虑闆r的不同，難以成孔。在二零零三年山西某公司引入國外深孔定向鉆機(jī)，用于探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造、開展地面煤礦的瓦斯抽采，鉆孔深度可達(dá)到一千米左右。隨后我國連續(xù)從國外引進(jìn)多套水平定向鉆機(jī)，分別應(yīng)用于不同地質(zhì)條件下的鉆孔工作，均得到良好的效果。

2 水平定向鉆進(jìn)技術(shù)原理與工藝

水平定向鉆機(jī)上可對(duì)各種復(fù)雜地質(zhì)條件下的礦井進(jìn)行探測(cè)，本文將對(duì)澳大利亞鉆機(jī)鉆進(jìn)技術(shù)與工藝作出具體分析，其施工鉆孔直徑可約達(dá)九十毫米左右，鉆孔定向方位以及傾斜角偏差控制精度在規(guī)定數(shù)值以內(nèi)。這套技術(shù)就是將孔底馬達(dá)與隨鉆測(cè)斜技術(shù)聯(lián)系起來，以便對(duì)鉆孔鉆進(jìn)方向進(jìn)行控制，水平定向鉆機(jī)通過螺桿鉆具的應(yīng)用驅(qū)動(dòng)鉆頭，以高壓沖洗作為一種關(guān)鍵的原動(dòng)力，向設(shè)備傳遞出源源不斷的動(dòng)力，帶動(dòng)機(jī)械的運(yùn)作。水平定向鉆機(jī)配備各種不同功能的造斜部件，例如彎外管、彎接頭等，附帶隨鉆測(cè)斜儀器，以便靈活控制鉆進(jìn)方向。此種鉆機(jī)和以往的回轉(zhuǎn)鉆具最大的差異是其運(yùn)作驅(qū)動(dòng)的不同，通過螺桿鉆具驅(qū)動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，在鉆進(jìn)的過程中，鉆桿柱、選斜件以及螺桿鉆具的外殼是不受影響的，若鉆頭是工作的狀態(tài)，其造斜件彎曲方向也就是鉆孔鉆進(jìn)的方向。

水平定向鉆機(jī)工作時(shí)根據(jù)鉆桿柱來調(diào)節(jié)螺桿鉆具上造斜件的角度，可自由隨意的調(diào)整鉆進(jìn)方位、鉆進(jìn)傾角，按照操作的方位來控制螺桿鉆具上造斜件的面向角，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)定向的作用。如上文所述，鉆頭旋轉(zhuǎn)的控制原理是通過高壓水沖洗鉆桿傳遞動(dòng)力至孔內(nèi)馬達(dá)，使其內(nèi)部的轉(zhuǎn)子得到充足的動(dòng)力進(jìn)而有效轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)用前端軸承帶動(dòng)鉆頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在鉆孔工程中鉆桿有助于加快鉆頭旋轉(zhuǎn)，但鉆桿本身是不具備旋轉(zhuǎn)功能的，只有依靠孔底馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，才能減少鉆機(jī)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)破碎煤巖的目的。孔內(nèi)定向馬達(dá)最重要的工作部件是彎接頭，使其與鉆桿處于夾角的方位，以往的鉆機(jī)呈直線操作，而這種彎接頭所呈現(xiàn)出鉆孔軌跡是具有彎接頭方向的曲線操作，根據(jù)其夾角的規(guī)格不同，又被分為多規(guī)格的彎接頭，這些不同夾角參數(shù)的彎接頭將影響鉆孔曲率半徑，還可根據(jù)孔內(nèi)預(yù)定，在同一位置進(jìn)行分支孔鉆進(jìn)。水平定向鉆機(jī)附帶遠(yuǎn)程通訊測(cè)量系統(tǒng)可及時(shí)對(duì)鉆孔工作中多角度、多方向進(jìn)行監(jiān)測(cè)，例如內(nèi)前端方位角、傾角、彎接頭方向等參數(shù)與軌跡做出評(píng)判，可保證鉆孔定向是按照事前計(jì)劃的方向與軌跡鉆進(jìn)。并且還可通過孔內(nèi)測(cè)量的多參數(shù)對(duì)與其對(duì)應(yīng)的觀測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行計(jì)算，有利于描繪出垂直平面、水平面的鉆孔軌跡空間曲線，構(gòu)成一幅精準(zhǔn)的投影軌跡圖，在水平定向鉆進(jìn)的過程中觀測(cè)軌跡線，一旦發(fā)現(xiàn)與預(yù)定目標(biāo)不符出現(xiàn)差錯(cuò)的情形，可通過及時(shí)改變彎接頭方向，使其恢復(fù)原定的軌跡曲線，實(shí)現(xiàn)與預(yù)定軌跡目標(biāo)的最佳重合。

3 水平定向鉆進(jìn)的控制與技術(shù)措施

由于大部分煤礦井下環(huán)境的復(fù)雜性，其煤層厚度、鉆進(jìn)技術(shù)都對(duì)煤礦生產(chǎn)造成一定的影響。有些井下還存在較多的斷裂地質(zhì)，形成階梯狀正斷層，煤物質(zhì)也因?yàn)榈刭|(zhì)的影響致使其性質(zhì)發(fā)生了變化，逐漸變得質(zhì)地松軟，易于破碎。為提高煤礦開采的安全可靠性，減少生產(chǎn)與人身安全的隱患，對(duì)煤礦支護(hù)頂板的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要，可通過多個(gè)水平鉆孔，提高煤礦支護(hù)頂板的安全性。首先運(yùn)用水平定向鉆機(jī)對(duì)其礦井地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，并且抽采井下瓦斯樣本。水平鉆進(jìn)施工的過程中可能會(huì)遇到一些問題，例如煤層斷裂、巖石下沉、頂板坍塌等，這些問題通常大部分是因?yàn)榫碌刭|(zhì)條件過于復(fù)雜，其中的不穩(wěn)定因素較多風(fēng)險(xiǎn)性較高。這些風(fēng)險(xiǎn)性是無可估算的，最行之有效的方式就是做好事前防范工作，水平定向鉆孔施工技術(shù)對(duì)探測(cè)井下地質(zhì)有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

按照預(yù)定的開孔位置鉆進(jìn)抽放瓦斯，在鉆孔時(shí)要通過斷層破碎帶、薄煤層等巖層，最后才是目的層。由于復(fù)雜地質(zhì)井下條件過于惡劣，造成施工難度系數(shù)過大，鉆進(jìn)效果得不到提升，因此，在鉆進(jìn)的過程中要注重鉆具、泵量、鉆速、鉆進(jìn)方式等工藝，并進(jìn)行多次的試驗(yàn)，有利于提高鉆進(jìn)效果。在鉆孔時(shí)其角度對(duì)技術(shù)活動(dòng)有著重要的影響，如果鉆孔仰角超過孔口的時(shí)候，就會(huì)導(dǎo)致孔內(nèi)沖洗液隨著孔壁流出，頓時(shí)造成孔中壓力的降低，致使脆弱松軟的巖層出現(xiàn)斷裂或坍塌的情況。如果再次對(duì)原定位置進(jìn)行鉆孔，由于達(dá)不到之前的鉆孔深度，往往會(huì)出現(xiàn)容易卡鉆的情況，嚴(yán)重阻礙了鉆進(jìn)效率。在對(duì)礦井進(jìn)行水平鉆進(jìn)施工初期，如果發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)煤巖層出現(xiàn)坍塌情況，并且此種情形得不到改善，致使煤巖層持續(xù)垮落。此時(shí)再對(duì)其采取事前控制措施，例如注射多種化學(xué)鉆井漿體護(hù)孔馬立休、馬立散等，效果并不太理想，甚至?xí)霈F(xiàn)定位測(cè)量系統(tǒng)被卡鉆，無法對(duì)孔內(nèi)環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，導(dǎo)致定位測(cè)量系統(tǒng)失靈。首先對(duì)影響施工效率與質(zhì)量的原因進(jìn)行了分析，然后通過不斷改進(jìn)和創(chuàng)新水平定向鉆機(jī)的技術(shù)措施，在原定計(jì)劃方案的基礎(chǔ)上對(duì)其失誤進(jìn)行了調(diào)整，選取較穩(wěn)定、安全的巖層或泥巖開展鉆進(jìn)工作，在這個(gè)新計(jì)劃方案的引導(dǎo)下，得到良好的鉆進(jìn)效果。當(dāng)然在整個(gè)鉆進(jìn)過程中，也出現(xiàn)巖層破碎、斷層阻隔、垮塌等情況，但通過合理利用鉆機(jī)的定向功能，堅(jiān)持按照預(yù)定軌跡調(diào)整鉆進(jìn)方向，最終符合設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)施工目的。

4 結(jié)束語

綜上所述，水平定向鉆進(jìn)技術(shù)是一種先進(jìn)的、實(shí)用性高、適用范圍廣的施工技術(shù)，對(duì)于提高鉆進(jìn)效果、礦井生產(chǎn)效率有著重要作用。

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