1、1急倾斜岩层中垂直俯角贯通钻孔施工工艺探索摘要：为解决李嘴孜煤矿孔井主副井井筒填井后期的排水问题，需施工贯通钻孔。在急倾斜岩层中施工长距离、近垂直、俯角贯通钻孔，本文主要从如何解决钻孔弯曲达到钻孔保直方面着手，提供了两个施工工艺并对施工情况进行比较，为后期施工类似钻孔提供了宝贵的经验。 关键词：李嘴孜煤矿 井下钻孔 急倾斜岩层 俯角贯通钻孔 钻孔弯曲 钻孔保直 一、钻孔施工概述 因李嘴孜煤矿孔井主副井筒填井，需对-250m 水平孔井西部的水进行改道，研究决定在-250m 孔井井底车场附近施工钻孔，钻孔需贯通-400m水平的巷道，从而利用钻孔将-250m 孔井以西的水引至-400m 水平。钻孔设
2、计参数，见表 1。 施工钻孔需过中粒砂岩，B4b 煤，泥岩，中粒砂岩，砂质泥岩，B4a煤，泥岩，砂泥岩互层，中粗粒砂岩。 二、钻孔施工难点 施工处的岩（煤）层倾角约 65，近垂直钻孔与岩层面之间的夹角在 2426。该钻孔孔深较深，倾角为近垂直钻孔，井下钻孔与地面钻探无法避免的一个难题就是钻孔弯曲。 钻孔穿过软硬岩层互层时，钻孔的倾角和方位角均发生变化。 （1）钻头由软岩层进入硬岩层时，因孔底岩石抵抗破碎的能力不同，2产生不平均破碎，导致钻孔发生弯曲。 当钻孔轴线与层面夹角小于 15时，钻孔沿硬层面下滑。当钻孔轴线与层面夹角大于 30时，钻孔向垂直硬层层面方向弯曲。当钻孔轴线与岩层层面的夹角 1
3、530时，钻孔弯曲的方向规律性不固定。 （2）钻头自硬岩层进入软岩层时，钻孔向硬岩层方向弯曲。软硬岩层接触面倾角越大，表现得更为明显。1 钻孔为近垂直俯角钻孔，井下钻机多采用无芯钻进，施工的钻进设备多为坑道液压钻机，与地面钻探比较，钻进能力差，钻杆较细，抗弯曲较弱，施工时，岩（煤）粉排渣较难，遇到松软煤层，钻孔易发生垮塌，出现孔内事故，孔底排渣不彻，影响钻进时钻头对围岩的均等切割，对钻孔的保直也会有影响。 三、钻孔施工工艺 1、用黄土粉、碱混合充当排渣介质，3NB320-118/3-30 型往复式泥浆泵当排渣的泥浆动力。 由于泥浆比重大、粘稠度大、增滑，确保施工时有效的排出岩煤粉，并对孔壁起到
4、了很好的护壁作用，保证长钻孔的顺利施工和保直。 2、采用新型设备 ZDY-3200S 型绳索取芯钻机（中煤科工集团西安研究院产）施工。 钻机主要参数：最大扭矩 3200N，给进能力 102kN，起拔能力 70kN，主副泵额定压力 21MPa，对原动力头进行改制配套 89mm 外径钻杆。 （1）采用 89mm（HQU）取芯钻杆组合 94mm 金刚石取芯钻头施工。3该组合钻具主要优点是钻杆和钻头外径大小相近，钻孔施工过程中，钻杆的外径与孔壁间距小，能有效防止进尺时，钻头与钻杆的接头、钻杆与钻杆的接头发生弯曲变形，影响保直。绳索取芯结构外面是专用的取芯钻杆，中空，钻杆内能放入一根内管，内管能跟管钻进
5、，取芯施工时，岩芯会进入内管，岩芯内的专用卡子那能确保岩芯不掉落，待施工完一个岩芯管长度后，利用泥浆泵打压将连接钢丝绳的打捞器压入孔底，卡住内管，再利用卷扬拉动钢丝绳提出打捞器和内管，卸掉内管内的岩芯，再将内管放回取芯钻杆内，继续进尺。如此往复。 （2）由于工期限制，采用 89mm 肋骨钻杆组合 94mm 复合片钻头无芯进尺施工。 该组合钻具钻杆保直原理与第（1）种组合钻具一样。相比绳索取芯，缺点是钻进时岩粉量大和进尺时磨岩阻力大，岩粉量大和阻力大相对影响钻孔的保直，优点是不需要取芯，施工工序简单，避免停钻及取芯时，岩煤粉下沉，堵实钻头发生孔内事故。 3、钻孔贯通后，采用 133mm 扩孔钻头
6、进行扩孔，扩孔钻头前方带91mm 导向，扩孔时前方引导，能有效防止扩孔跑偏。扩孔后全孔下108mm 套管进行封孔注浆。 四、钻孔成孔概况 1、3#钻孔施工至 142m 孔深，透-390m 皮带机巷。根据开孔及终孔位置分析，水平发生偏差 14m，钻孔轨迹平均倾角为-84.3，与设计倾角偏差-4.9，平均每 10 米倾角偏差-0.35。平均每 10 米方位偏差-1.529； 42、2#钻孔施工时，0-130m 采用绳索取芯工艺施工，130-141m 施工工艺为 89mm 肋骨钻杆组合 94mm 复合片钻头无芯进尺施工，施工至141m 透-390m 皮带机巷。根据开孔及终孔位置分析，水皮偏差 10.
7、9m，钻孔平均倾角为-85.5，与设计倾角偏差-3.6，平均每 10 米倾角偏差-0.257，平均每 10 米方位偏差-3.493； 3、施工 1#时，考虑钻孔施工过程中偏斜方向，修改 1#孔施工方位及倾角按 3#孔设计参数施工，采用 89mm 肋骨钻杆组合 94mm 复合片钻头无芯进尺施工。施工至 142m 时透-390m 皮带机巷。根据开孔及终孔位置分析，水平偏差 13.9m，钻孔平均倾角为-84.3，与设计倾角偏差-4.87，平均每 10 米倾角偏差-0.348，平均每 10 米方位偏差-3.039。 两种组合钻具，倾角的保直较好，方位保直不明显，主要是钻孔施工倾角为近垂直俯角孔，发生偏
8、斜时方位变化性大，第（1）种组合钻具（取芯）比第（2）组合钻具（无芯） ，倾角保直性提高了 26%，无芯进尺比取芯进尺工效要提高 2.5 倍以上。 其中 2#孔施工至 27m 因与 3#孔间距较小，孔内出现垮塌造成两孔沟通，2#孔无法继续施工，决定对 3#孔进行全孔注实。后期对重新对 3#孔进行扫孔，扫孔过程中孔内发生岔孔，未沿原孔轨迹钻进，施工至 148m孔深透-400m 运输大巷。水平发生偏差 8m，较原孔保直效果明显，分析为全孔注浆，对钻孔过程中出现的松软岩层进行了加固，由于松软岩层部分的钻孔内壁不能很好的起到限制钻杆弯曲变形的作用，注浆后，加固了孔壁，反而起到了一个防偏的作用。若钻孔施工工期足够，可在见5松软岩层后采用全孔注水泥浆封孔，来劲后继续钻进施工。 此次施工是长距离贯通钻的一次勇敢尝试，施工了三个钻孔都打透到下水平巷道，解决了下一步矿方副井填井后的排水问题。 参考文献： 1马植侃.钻探工程学. 徐州：中国矿业大学出版社，解京选，1998. 10，102.
