煤矿千米定向钻进施工方案

煤矿千米定向钻进施工方案
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2018年2月
目录
一、定向钻进技术简介 (1)
二、煤矿井下定向钻孔轨迹设计 (1)
（一）煤矿井下定向钻孔设计的一般原则 (1)
（二）定向钻孔设计的主要内容 (2)
三、煤矿井下定向钻孔轨迹控制 (2)
（一）定向钻孔轨迹控制主要参数 (2)
（二）定向钻孔轨迹控制注意事项 (2)
四、煤矿井下定向钻进工艺 (3)
（一）定向钻进工艺流程 (3)
（二）探放水和构造探测施工工程设计 (3)
（三）定向钻进工艺 (5)
五、施工设备与人员配置 (9)
（一）施工工程设备配备 (9)
（二）施工工程人员配备 (10)
六、孔内事故处理 (11)
七、钻孔施工注意事项 (11)
八、灾害应急措施及避灾线路 (12)
煤矿千米定向钻进施工方案
一、定向钻进技术简介
定向钻进起源于石油钻井,随着钻探技术的不断深入,受控定向钻进技术从石油行业逐渐延伸到煤炭、地质等领域,发挥着重要的作用。

煤矿井下近水平定向钻进技术是钻探工程领域的一项新技术,通过对倾角和方位角的实时调节实现对钻孔轨迹的精确控制，保证钻孔轨迹在目的层中有效延伸，并可进行多分支钻孔施工，具有钻进效率高、一孔多用、集中抽采等优点，现已成为国内外瓦斯高效抽采的主要技术途径，并应用于地质构造探测和探放水等领域。

二、煤矿井下定向钻孔轨迹设计
煤矿井下定向钻孔是通过对倾角和方位角的实时调节实现对钻孔轨迹的精确控制，保证钻孔轨迹在目的层中有效延伸。

（一）煤矿井下定向钻孔设计的一般原则
1、充分掌握原始资料
内容包括施工目的、技术要求等。

根据施工要求应尽量获取最全面的地质资料并及时更新主要信息，详细了解施工区域的地质情况和井下情况，便于合理设计施工方案，保障施工安全。

地质资料主要包括3项内容：地质报告（地质说明书）、采掘平面图、钻孔柱状图
钻孔施工资料包括：瓦斯治理报告、瓦斯抽采数据、水文报告等
2、可行性分析
从技术、经济、效用等角度分析包括：煤层坚固性系数f、顶底板岩性、钻孔类型、钻孔长度（经济长度、能力长度）、供水供电情况、人员配置情况、工期要求（超前探工期紧张）
3、尽量利用自然造斜规律
4、考虑施工方便和安全钻进
5、注重经济效益
（二）定向钻孔设计的主要内容
1、选择孔身剖面
2、确定定向钻孔目标层位、靶区、靶点
3、确定主孔和分支孔的施工方案，预留好分支点
4、确定定向孔孔深轨迹参数
参数包括：磁偏角、各孔段长度，起始点和终点的倾角、方位角，各孔段起点和终点的上下、左右位移，到达目标层位的倾角、方位角、上下和左右位移。

5、如果出现抱钻情况，设备打捞的能力
6、进行经济效益评估
三、煤矿井下定向钻孔轨迹控制
螺杆钻具是一种把液体的压力能转换为机械能的能量容积式正排量动力转换装置，主要由螺杆马达（定子、转子）总成、万向轴总成、传动轴总成三大部分组成。

螺杆钻具特点：不需要钻杆旋转；通过冲洗液压差推动马达转子旋转，通过万向轴和传动轴将转速和扭矩传递给钻头，从而达到碎岩的目的。

图3-1 螺杆马达示意图
螺杆马达配合造斜件是实现定向钻进理想的人工受控弯曲工具。

能够进行定向钻进主要基于三个缘由：钻头回转破碎岩石，螺杆外管及钻杆柱不回转、连接不同角度的定向或可调弯外管、可随钻测量倾角和方位。

图3-2 钻具组合示意图
（一）定向钻孔轨迹控制主要参数：
倾角、方位角、工具面角、磁偏角、上下位移、左右位移
（二）定向钻孔轨迹控制注意事项
1、准确识别地层变化
2、调整工具面使钻孔沿煤层钻进
3、提钻开分支绕过钻进障碍区域
4、了解煤层真实走势
四、煤矿井下定向钻进工艺
（一）定向钻进工艺流程
（二）探放水和构造探测施工工程设计
1、施工目的:
⑴地质构造、水文勘测：通过1#定向钻孔施工，精确勘测该区域地质
构造、水文条件，为后续的巷道掘进设计进提供数据参考。

⑵防治水害：通过1#定向钻孔施工，实现超前探防水，有效的防治矿
井水害，确保煤矿的安全生产
2、钻探技术规范:
通过1#定向钻孔施工，形成一套适合该矿超前探放水定向钻孔设计、工艺及施工技术规范；
3、超前探放水定向钻孔设计
根据矿井实际及钻孔应布置原则，本方案在钻场内沿巷道掘进施工方向共施工1个定向钻孔,2个分支孔。

1#孔开孔位于定向钻场开孔断面右帮1.5m，开孔高度距巷道底板2.0m，设计深度500m，终孔位置平面位于巷道左右帮15m处，钻孔每50～80m开分支，剖面图中分支为探测煤层顶底板和构造，水平图中分支为探测煤层中老空水以及含水层。

表4-1 超前探放水定向钻孔设计参数
图4-2 钻孔轨迹水平投影图
图4-3 钻孔轨迹剖面图
（三）定向钻进工艺
采用ZYL6000D钻机+外平通缆定向钻杆+外平无磁钻具+矿用有线随钻测量装置+外平打岩马达，实现常规普通地质条件下的钻进施工。

1、钻机稳固
⑴首先根据钻孔设计要求调整好方位角和倾角。

b. 为确保钻机打钻时的稳定性，钻机平台前后必须根据实际情况打锚索至底板岩层中用以支撑钻机，确保钻机不发生前后窜动。

c. 钻机稳固后须基本保持钻机车体的前沿和后沿水平，不能侧面倾斜。

d. 钻机夹持器一端须距离开孔点1m ～2m ，便于孔口装置的安装和螺杆钻具下入孔内。

⑵开孔
a. 采用Φ96 mm 以上PDC 钻头回转钻进至设计一开设计位置后提出钻具。

b. 采用Φ133 mm 以上扩孔钻头回转扩孔至一开设计位置，用冲洗液冲孔，将孔内钻渣排出。

c. 采用Φ153 mm 以上扩孔钻头回转扩孔至一开设计位置，用冲洗液冲孔，将孔内钻渣排出。

d. 下入Φ120mm 孔口管至设计孔深并注浆封孔。

以上开孔程序和配套钻具级配，可以根据需要进行调整。

2、连接定向钻具
a. 安装螺杆钻具时，将螺杆钻具从钻机夹持器前方穿入，不 应使螺杆钻具弯点通过钻机夹持器和回转器。

b. 按照安装步骤将钻具及仪器进行连接。

如下图所示
c.
依次连接钻头、螺杆钻具、下无磁钻杆、无磁测量外管和上无磁钻杆
时，应将丝扣清理干净，均匀涂抹上螺纹密封胶，并将螺纹丝扣上紧，螺纹上扣扭矩应不小于300N.m。

3、钻进前的检查工作
a. 开钻前检查钻头新旧情况，如果钻头磨损严重则应更换钻头。

b. 开钻前检查泥浆泵：检查档位选择是否正确，吸水端是否安装吸水蓬头，泵量和泵压大小是否正常。

c. 检查螺杆钻具工作是否正常，开启泥浆泵观察螺杆钻具旋转状态及泥浆泵压力，一般使用的Φ76mm螺杆钻具的启动压力为1.5MPa～2.5MPa；如果启动压力大于2.5MPa或小于1MPa，应更换螺杆钻具。

d. 检查通缆钻杆通缆接头，如有松动或变形，应更换钻杆并进行修理；如发现通缆公头密封圈磨损或丢失，应立即更换。

e. 检查钻机各项操作功能是否正常。

4、导入设计文件和校正工具面
检查完毕之后，将钻孔设计文件导入随钻测量软件，同时还需要完成工具面的校正工作。

工具面校正：缓慢回转钻具，调整螺杆钻具弯头方向，使螺杆钻具弯头(高边)点朝向正上方；通过测量线连接测量仪器与监视器，修正工具面向角，以保证弯头朝向正上方时工具面向角大小为0°。

5、钻进
a.钻具下到孔底后，钻头提离孔底10cm～20cm，调整工具面，准备钻进。

b.孔口返水后开始钻进，严禁在孔口冲洗液未返出的情况下钻进。

c.加接钻杆前，将孔内钻具提出10cm～20cm；加接钻杆时，应清洁钻杆通缆接头，给通缆钻杆丝扣及通缆公接头涂沫润滑油；应防止误转动钻具而影响钻具的工具面向角。

d.定向钻进过程中，通过调节螺杆钻具工具面向角来控制钻孔轨迹的弯曲方向，使钻孔实钻轨迹沿着设计轨迹延伸。

e.钻孔施工时，应当根据设计要求和实际钻进情况预留分支点。

f.根据设计，依次完成钻孔的主孔和分支孔施工。

g.在钻进过程中，应时刻注意泥浆泵泵压变化。

如果发现泥浆泵压力发生突变，应立即停止给进，提钻2～3根，冲孔5min～10min，如泵压继续升高，起拔或给进力变大，应根据具体情况考虑退钻开分支绕过此区
域或终孔。

在钻进过程中如发现孔口不返水，须将钻具提离孔底，分析不返水的原因，不能强行开动钻具。

h.提钻后重新下入钻具时，应注意钻头在孔内的位置，防止钻头撞击孔底而导致螺杆钻具、钻头和钻具的损坏。

6、提钻终孔
按照设计要求完成钻孔施工后则进行提钻终孔。

a. 提钻前，开泵冲孔至孔内钻屑清除干净。

b. 提钻过程中，一般每隔60～90m须连接泥浆泵进行冲孔，以免出现钻渣堆积导致卡钻。

c. 终孔后将孔口设备拆除并安装后期作业所需要的管路设施，进行封孔。

7、钻遇高压、大水量地层的处理
钻遇高压、大水量地层时，高压水会影响钻具安全、孔口安全和钻进效率。

在孔内高压水和钻具内泵送高压水出现负压差时，螺杆钻具会发生反转，孔内岩粉进入钻具后，会损坏螺杆钻具。

如果孔口没有安全装置，高压水喷出后会造成人员和装备安全隐患。

a. 采用孔口防喷装置。

确保在出现孔内出水异常时，能实现安全关井，同时钻进时不影响排渣、钻具起下。

b.采用钻具逆止回流装置，防止地层高压水反入损坏钻具，提高钻具安全性。

c.出水位置在孔底时，应从钻机操作方面考虑，防止高压水压力造成钻具在倒杆操作时顶钻现象。

当泥浆泵加压跳动大时及时关闭泥浆泵并关闭回水阀，同时来回活动钻具，当压力恢复稳定后再次开泵钻进。

d.出水位置在中间孔段，影响下部孔段排渣与钻进泵压。

当泥浆泵加压跳动大时及时关闭泥浆泵并关闭回水阀，同时来回活动钻具，当压力恢复稳定后再次开泵钻进。

为了提高下部孔段钻进排渣效率，钻进一定进尺后，采用“停止给进、回转钻柱”工艺促进排渣。

e.如果因地层出水导致泥浆泵压力达到10MPa时，应提钻采取充分疏放水，或采取注浆措施以下注浆措施：
①若钻孔能够压进水时，采用普通注浆工艺：连接孔口注浆装置，采用地面注浆站（或乳化泵）向孔内压浆；先泵入一级水泥浆，然后泵入二级水泥浆，再泵入清水，向孔底加压注入，通过泵入清水量计算停浆位置。

②若钻孔压不进水时，采用封隔器注浆工艺：连接Ф100mm封隔器和Ф89mm高压密封钻杆下至出水前10m位置；泵入清水使封隔器膨胀座封，进而打开注浆通道；采用地面注浆站（或乳化泵）向钻杆内压浆；先泵入一级水泥浆，然后泵入二级水泥浆，再泵入清水，向孔底加压注入，泵水量一定要稍大于钻杆内孔体积；待水泥浆候凝到一定强度后起拔Ф89mm高压密封钻杆，封隔器解封，起出孔内管柱。

③待充分疏水降压后钻进或注浆凝固后在钻进。

8、钻孔封孔
a. 封孔注浆设备：ZBY3/7.0-11液压注浆泵
b. 封孔材料及工器具
①封孔管：Ф120mm、Ф146mm套管
②注浆、返浆管：4ˊ×2m铁管
③棉纱、双抗编织袋或彩条布
④水泥（425#）
c. 钻孔封孔工艺
d.下套管注意事项
①下套管前，钻机夹持器与孔口之间的钻场顶板打两个起吊锚杆。

②套管采用导链起吊，导链一端连接上部锚杆，套管起吊前上断口穿过起吊环后用夹具卡住端口防止起吊时套管下溜，下端口先用夹具夹住后再从端部穿入吊环。

③起吊后对准孔内套管丝扣人工上扣后卸开孔内套管夹具，钻机推送下入，下入后再次用夹具夹住套管孔外部分，并用绳具连接顶部锚杆，防止孔内套管下溜。

④下套管封孔时，封孔管之间丝扣要衔接到位，避免出现套管脱落现象。

d. 钻孔注浆前的准备工作
①待钻孔下套管后，用注浆泵对钻孔进行注浆，钻孔封孔注浆前，施工人员必须熟悉钻孔封孔工艺。

注浆前，注浆泵及注浆软管详细检查，确认无堵塞后方可注浆；对水管、4分注浆管使用丝扣或“U”型卡连接是否牢固进行检查，严禁用铁丝绑扎；对卸压阀及压力表是否完好进行检查。

所有注浆管路连接处使用8#铁丝进行二次保护。

②注浆泵出口处必须安装三通装置，其一端安装截止阀，以便在注
浆结束后释放高压管内残余压力。

e. 钻孔封孔注浆工艺
①采用ZBY3/7.0-11液压注浆泵将配比好的水泥浆进行注浆（水灰
质量比为普通水泥：水：膨胀剂=1：0.8：0.2）。

通过胶管注入水泥浆
液，待返浆管出浆后，关闭4分返浆管处闸阀。

并间歇性地继续注浆，
待注浆终压达到5Mpa后方可停止注浆。

②注浆结束后，对注浆泵进行卸压时，必须先关闭注浆管口的闸
阀，然后打开卸压阀，人员严禁站在卸压口正前方。

③最后对注浆管路和注浆泵进行清洗，管内无残余浆液，直至流出
清水为止。

如遇到停电，及时将注浆泵腔体打开用清水冲洗干净；注浆
管路直接连接至清水管上冲洗。

五、施工设备与人员配置
（一）施工工程设备配备
表5-1 ZYL6000D设备配置
表5-2 资料与工具、易耗品配置
表5-3 封孔材料及工器具
表5-4 矿方提供的设备与资料
（二）施工工程人员配备
表5-5 定向钻进工程人员配置
煤矿井下定向钻孔常见孔内事故分为：卡、埋钻事故，钻具断裂或脱落事故等。

由于定向钻进系统孔内部分造价昂贵，掉钻会造成很大经
济损失。

因此，针对不同事故，有不同的打捞技术和相应打捞钻具。

图6-1定向钻进孔内事故处理流程图
七、钻孔施工注意事项
1.施工前组织技术交底，对各级安全人员进行工作职责、任务分工，组织学习瓦斯突出、透顶等征兆应急救援程序和逃生技能及下井路线、避灾路线等知识。

2.施工中强化管理，做好地层、钻孔施工记录及裂隙、涌水、掉块及岩石破碎等地质、水文现象的描述和记录，及时将钻进中遇到的问题进行汇报。

3.钻进施工中每隔6m或者3m进行钻孔轨迹测量，按照实钻轨迹测定钻孔工程量，申请工程量及质量验收。

4.各种施工原始记录必须编制及时准确清楚完整。

5.钻孔、钻场施工结束后，及时申请矿井组织验收；钻场工程量全部施工结束后，两天内将整理的施工原始记录和施工工作总结报送地质部门。

6.钻孔开孔部分应圆且光滑。

钻孔施工中不得出现三角孔、偏孔、台阶等变形孔。

7.钻孔间距、方位、倾角、深度符合设计参数。

成孔孔口间距误差不大于50cm，方位角误差不超过±2°，倾角误差不超过±1°，钻孔深度误差不超过±2m。

8.钻孔因地质原因无法达到设计孔深时，必须经过矿方的地质部门和通风工区现场确认，并经过总工程师批准后，方可通知钻孔验收人员进行钻孔验收。

9.其他施工操作、安全要求满足《煤矿水治理工程设计规范》、《煤矿安全规程》之要求。

八、灾害应急措施及避灾线路
1.水灾、火灾、瓦斯等有毒有害气体事故发生后，事故点人员应视情况，立即戴好自救器采取一切可能的方法直接控制，并迅速报告调度室，通知当班班长，由班长通知所有人员戴好自救器积极组织处理，无条件处理或危及人员安全时，由班长或跟班干部统一指挥，有组织地按避灾路线撤至安全地方清点人数，并汇报调度室。

2.发生水灾时要及时组织排水，若水灾危及人员安全，由班长、安监员组织人员撤离，撤到安全地点后清点人数并向调度室汇报，听候调度指令。

3.发生冒顶事故时，首先由班长组织人员进行处理，同时向调度室汇报。

若危急人员安全时，由班长、安监员组织工作面人员撤至安全地点，清点人数后汇报调度室听候调度室指令。

届时另行制定专项措施。

4.遇到危急情形，及时向避灾路线转移，当遇到火情或瓦斯爆炸时，及时使用自救器。