煤矿井下定向钻孔轨迹设计与控制技术_姚宁平

M i 为第 i 个测点， i = 1， 2， …， n； ΔX i 、 ΔY i 、 ΔZ i 分别为测点 M i 、 M i － 1 在 X、 Y、 Z 轴投影点间距， m； ΔS XZ 、 ΔS XY 分别为测点 M i ， M i － 1 在垂直面、 m 水平面投影点间距，
走势可设计钻孔倾角值， 使钻孔上下位移处于目标 层位中。主孔轨迹设计尽可能避开断层、 褶皱等地 质构造复杂区域。 2 ） 钻孔间距确定。 根据钻孔施工速度、 煤层瓦 煤层开采计划、 煤层特性， 选择合适的 斯抽采周期、 本煤层定向孔间距一般 20 m 左右， 岩层 钻孔间距，
图1
钻孔轨迹空间位置关系
因此定向钻孔轨迹设计主要是对钻孔各测点孔 8
姚宁平等： 煤矿井下定向钻孔轨迹设计与控制技术
2013 年第 3 期
定向孔间距一般 10 m 左右。 3 ） 钻孔主设计方位角确定。 钻孔主设计方位 角根据矿区采掘工程平面图与巷道走向等确定 ， 便 于左右位移及上下位移 （ 垂深 ） 的计算， 钻孔主设计 方位角一般选定为煤矿井下定向钻孔的主延伸方 向， 以此方位作为 X 轴方位， 顺时针旋转 90° 作为 Y 轴方位， 竖直向上为 Z 轴指向， 从而确定一个三维 坐标系， 进而确定钻孔轨迹的空间位置。 4 ） 开孔参数设计。 根据钻场尺寸和定向孔个 、 数 开孔层位岩性， 合理选择开孔方位角、 孔间距， 避 。 3° 免串口 一般相邻钻孔间开孔方位角相差大于 ， 且开孔方位角与目标方位角相差小于 30° ， 开孔点 间距大于 0. 5 m。合理选择开孔倾角使钻孔快速进 入目标地层且主孔角度波动幅度小于 15° 。 5 ） 钻孔弯曲强度选择。 定向孔造斜孔段应均 匀造斜， 避免急弯， 不仅考虑 73 mm 钻杆 抗 弯 强 而且优先考虑事故处理采用 95 mm 套管抗弯 度， 强度及最小允许弯曲半径， 选择合适的轨迹弯曲强 孔段不同， 轨迹弯曲 度设计值。此外根据钻孔岩性、 强度设计值选择不同。 由于主孔钻孔较长， 分支孔 处于钻孔尾部孔段， 应重点防止主孔摩擦阻力过大，
（ 中国煤炭科工集团西安研究院， 陕西 西安 710077 ）
要： 为了更好地控制钻孔轨迹， 通过研究煤矿井下定向钻孔轨迹算法， 得出钻孔轨迹设计参数， 按 照钻孔设计步骤系统总结出钻孔轨迹参数设计准则以指导 钻孔轨迹 设计， 并给出利 用 实 钻对钻孔轨 摘 迹设计优化方法。通过研究定向钻 造斜规律得出 工具 面 向 角是影响螺杆 钻具 改变 钻孔轨迹主要 因 素， 结合地层硬度、 重力作用等因素对钻孔造斜影响， 得出利 用工具 面 向 角预 测钻孔轨迹方法。 最后 根据定向钻造斜规律和施工经验归纳总结出满足不同 钻孔轨迹控制 需求 的工具 面组合， 以 控制钻孔 轨迹在目标区域的施工。 关键词： 钻孔轨迹设计; 钻孔轨迹预测; 钻孔轨迹控制; 定向钻进 中图分类号： TD712. 6 文献标志码： A 文章编号： 0253 － 2336 （ 2013 ） 03 － 0007 － 05
7
2013 年第 3 期
煤炭科学技术
第 41 卷
钻进技术应用现状， 开展了钻孔轨迹设计方法、 钻孔 轨迹预测技术、 钻孔轨迹控制技术等方面的研究 。
深、 倾角、 方位角等参数设计。定向钻孔常用测量间 距为 6 m， 钻孔设计时相邻测点间距一般为 6 m。 1. 2 钻孔轨迹参数设计 煤矿井下水平定向钻孔轨迹设计基本原则是在 确保定向钻孔安 实现煤层瓦斯有效治理的前提下， 全、 经济、 优质、 高效施工。 根据钻孔施工目的以及 煤层、 顶底板地质条件， 首先分为本煤层定向孔和岩 层定向孔。根据主孔与煤层空间关系差异， 岩层定 向孔分为顶板定向孔、 底板梳状孔； 而顶板定向孔根 据布孔层位不同又分为近煤层顶板梳状孔 、 远煤层 。 顶板梳状孔 其中远煤层定向孔主要用于治理煤层 回采后采空区瓦斯 。 常见定向钻孔类型在煤层 现场勘查施 中分布如图 2 所示。 钻孔轨迹设计时， 工区域煤层、 岩层条件、 地层走势、 地质构造， 根据施 工目的分析出合适钻孔类型， 结合矿方提供的煤层 采掘工程平面图、 相邻巷道采掘地质报告， 分析出钻 为钻孔轨迹设计提供参考。 孔轨迹处地层倾角变化， 此外钻孔设计轨迹应远离已揭露陷落柱 、 断层、 褶皱 确保钻孔轨迹可施工。 钻孔 等地质构造异常区域， 类型确定后， 具体钻孔轨迹参数设计准则如下 。
［1 － 3 ］
。定向钻孔轨迹设计与施
扬
。 笔者针对煤矿井下定向
收稿日期： 2013 － 01 － 06 ； 责任编辑： 张
基金项目： 国家科技重大专项资助项目（ 2011ZX05040 － 001 － 004 ） 作者简介： 姚宁平( 1970 —) ， 男， 甘肃泾川人， 研究员， 博士， 现任中国煤炭科工集团西安研究院钻探技术研究所所长。Tel： 029 － 81881033 引用格式： 姚宁平， 张 2013 ， 41 （ 3 ） ： 7 － 11 ， 46． 杰， 李泉新， 等． 煤矿井下定向钻孔轨迹设计与控制技术［J］． 煤炭科学技术，
［7 ］
1
钻孔轨迹设计方法
煤矿井下定向钻轨迹设计需先确定描叙钻孔轨 迹计算方法， 得出描述钻孔轨迹主要轨迹参数 ， 然后 按照轨迹 根据施工目的确定钻孔类型及目标层位， 。 设计原则对轨迹参数进行设计 1. 1 钻孔轨迹计算方法 煤矿井下定向钻孔轨迹可通过对钻孔测点的孔 深、 倾角、 方位角进行计算求得其空间三维坐标值， 进而确定钻孔轴线空间位置。钻孔轴线轨迹常用的 长度等于相邻两测 计算模型： 假设测量孔段为直线， 点之间钻孔轴线长度， 该直线的倾角和方位角分别 ［5 ］ 等于上下两测点倾角和方位角的平均值 。 整个 钻孔轨迹仍是空间折线。通过表征钻孔轴线空间形 倾角 θ 和方位角 α 三个主要参数， 可 态的孔深 ΔL、 计算出各测点的主设计方位方向位移 X 、 上下位移 ［6 ］ Z、 左右位移 Y， 具体钻孔轨迹空间位置关系 如图 1 所示， 其计算方法如下： n θ + θ i －1 α i + α i －1 X n = ∑ ΔL i cos i cos －λ 2 2 i =1 Yn
DOI：10.13199/j.cst.2013.03.13.yaonp.010
第 41 卷第 3 期
2013 年 3月
煤炭科学技术
Coal Science and Technology
Vol. 41 March
No. 3 2013
煤矿井下定向钻孔轨迹设计与控制技术
姚宁平， 张 杰， 李泉新， 宋昱播， 刘睿全， 李 浩
Tracing Design and Control Technology of Directional Drilling Borehole in Underground Mine
YAO Ningping， ZHANG Jie， LI Quanxin， SONG Yubo， LIU Ruiquan， LI Hao
( θ = ∑ ΔL cos (
n i i =1 n
Zn
) ( +θ α +α sin ( ) 2 2 + θ θ = ∑ ΔL sin ( ) 2
i i －1 i i i －1 iห้องสมุดไป่ตู้i =1
i －1
) － λ)
m； θ i 、 式中： X n 为 M n 主设计方位方向位移， θ i － 1 分别 M i － 1 的倾角， （ ° ） ； αi 、 Mi － 1 的 为 Mi 、 α i － 1 分别为 M i 、 （ ° ） ； λ 为 主 设 计 方 位 角， （ ° ） ； ΔL i 为 M i 、 方位角， M i － 1 两测点距离， m； Y n 、 Z n 分别为测点 M n 的左右、 m。 上下位移，
图2
常见定向钻孔类型
1 ） 目标层位与区域确定。 本煤层定向钻孔需 尽可能将设计钻孔在煤层中延伸 。对于岩层定向孔 的主孔应选在可钻性好（ 普氏系数 f ＜ 5 ） 、 钻孔稳定 的岩层。近煤层顶板梳状孔、 底板梳状孔的主孔层 分支 位分布在距离煤层 2 ～ 5 m 成孔性好的岩层中， 孔进入煤层。远煤层顶板梳状孔的主孔分布在煤层 回采后顶板断裂带中。 确定好目标层位， 根据地层
［2 ， 4 ］
煤矿井下定向钻进技术可精确控制钻孔轨迹 ， 有效提高钻孔深度， 具有单孔抽采量大、 衰减期长、 抽采效率高、 瓦斯浓度高、 抽采区域面积大等优点， 越来越广泛应用于煤矿瓦斯治理、 地质构造勘探等 领域。煤矿井下定向钻技术先进性主要体现在钻孔 轨迹可控， 因此定向钻孔轨迹设计与施工技术是该 技术成功应用的基础
（ Xian Research Institute， China Coal Technology and Engineering Group Corporation， Xian 710077 ， China）
Abstract： In order to better control the borehole tracing， with a study on an algorithm of the directional drilling borehole tracing in underground mine， the parameters of the borehole tracing design were obtained． According to the borehole design procedure， the design code of the borehole tracing parameters was systematically summarized to guide the design of the borehole tracing． The site drilling was provided to the optimized method of the borehole tracing design． The tools orientation angle obtained from the study on the deflection law of the directional drilling was the main factor affected to the borehole tracing of the screw rod drilling tools． In combination with the strata hardness， gravity role and other factors affected to the borehole deflection， the borehole tracing predicted method with the tools orientation angle was the tools face combination to meet the obtained． Finally according to the directional drilling deflection law and the construction experiences， requirements of the different borehole tracing control was concluded and summarized． With the rational tools face combination selected， the borehole tracing could be controlled in the construction of the target area． Key words： borehole tracing design； borehole tracing prediction； borehole tracing control； directional drilling