第42卷 第2期 2014年4月 Vol. 42 No.2
COAL GEOLOGY & EXPLORATION Apr. 2014
煤田地质与勘探
文章编号: 1001-1986(2014)02-0085-04
煤矿井下定向钻进工艺技术的应用
李泉新，石智军，史海岐
(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)
摘要: 定向钻进技术以其精确控制钻孔轨迹逐渐被应用于煤矿井下瓦斯抽采钻孔及防治水钻孔施工中。从定向钻进技术的原理入手，以国内多家煤矿企业井下施工定向钻孔的实际资料，研究了定向钻进技术在煤矿井下进行瓦斯抽采、地质构造探测及防治水施工的适用条件、布孔方式和成孔原理。结果显示，定向钻进技术在煤矿井下瓦斯抽采、地质构造探测及防治水领域的应用效果显著。
关 键 词：定向钻进技术；集束型定向钻孔；梳状钻孔；顶板高位定向钻孔；探放水定向钻孔 中图分类号：P634 文献标识码：A DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2014.02.018
The Application of directional drilling technology in coal mine
LI Quanxin, SHI Zhijun, SHI Haiqi
(Xi′an Research Institute,China Coal Technology & Engineering Group Corp, Xi′an 710077, China)
Abstract: Due to its highly accurate controlled borehole trajectory, directional drilling technology has been gradu-ally and widely applied in gas drainage and water control in underground coal mines. According to the technical principle of directional drilling and studying the application conditions, hole patterns, borehole-forming principles of gas drainage, geological structure detection and water prevention, the technology has a good effect in the fields of gas drainage, geological structure detection and water prevention, so it provides protection to coal mine in China and technology reference for other disaster in coal mine.
Key words: directional drilling technology; directional borehole cluster; comb-like directional borehole; high level
directional borehole in roof; directional borehole for water detection and drainage
我国煤矿煤层赋存地质条件复杂，煤层瓦斯含量高、压力大，瓦斯灾害事故频发，严重影响了煤炭的开采[1]。
实践证明，利用钻孔抽采煤层瓦斯是目前国内常用且有效的方法[2-4]。但采用传统回转钻进工艺技术施工钻孔存在施工精度低、施工速度慢、钻孔轨迹不可控制、无法适应煤层顶底板起伏、无效进尺多、钻孔利用率低及单孔瓦斯抽采量小等缺点，不能满足煤矿区瓦斯高效抽采的需求。
煤矿井下定向钻进技术可以实现钻孔轨迹的精确控制，保证钻孔轨迹在预定层位中的有效延伸，增长钻孔有效抽采距离，增加钻孔瓦斯抽采量进而提高瓦斯抽采率；另外定向钻进技术可进行多分支孔施工，施工的钻孔能均匀覆盖整个工作面，具有钻进效率高、一孔多用、集中抽采等优点，能显著提高煤层瓦斯治理效果，现已成为我国煤矿区瓦斯高效抽采的主要技术途径[5]。
随着随钻测量定向钻进技术与装备的改进完善，其在煤矿井下的应用也越来越广泛，不仅可应用于煤矿井下瓦斯抽采，还推广应用于煤矿井下探放水及工作面地质构造探测等工程领域，均取得了较好的效果。本文依据国内多家煤矿企业井下施工定向钻孔的实际资料，研究定向钻进技术在煤矿井下施工的适用条件、布孔方式和成孔原理，以期为我国煤矿安全生产提供技术借鉴。
1 定向钻进技术用于煤矿井下瓦斯抽采
煤矿井下定向钻进技术实现了井下瓦斯抽采钻孔从“无控钻进”到“精确定向钻进”的跨越，改变了煤矿瓦斯抽采钻孔的布置和施工模式[6]。根据使用条件及布孔方式的不同，其应用方式可分为本煤层集束型定向钻孔群抽采瓦斯、松软煤层梳状定向钻孔远距离卸压抽采瓦斯、顶板高位定向长钻孔采空区抽采瓦斯及井上、井下瓦斯联合抽采瓦斯等4种形式。
收稿日期: 2013-03-25
基金项目: 国家科技重大专项课题(2011ZX05041-001)
作者简介:李泉新(1980—)，男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士，工程师，从事煤矿井下钻探工艺及过程控制研究.
· 86 ·
煤田地质与勘探
第42卷
1.1 集束型定向钻孔群抽采瓦斯
集束型定向钻孔群是指在一个钻场内施工多个多分支定向钻孔，其主孔开孔点孔段相对集中，钻孔或分支孔方位呈扇型、花束型展开或平行延伸，是主孔深度基本相同的钻孔集合体。当煤层普氏硬度系数大于1，赋存条件好，地质构造简单，煤层中易成孔时，可利用定向钻进技术在煤层中施工集束型定向钻孔群进行瓦斯抽采，其抽采方式主要分为单孔抽采和主孔与分支孔联合抽采。
集束型定向钻孔群是目前国内应用最多、技术最成熟的定向钻孔瓦斯抽采方式，其钻孔布置方式如图1所示。国内晋城寺河、陕西大佛寺和神华汝箕沟等煤矿采用了集束型定向钻孔抽采煤层瓦斯，取得了良好的使用效果。图1为神华宁煤汝箕沟煤矿32215工作面的主孔与分支孔联合抽采平面图，在32215工作面1号钻场施工主孔11个，7个分支孔，总进尺为14 971 m，最大主孔深度961 m，最大分支孔深度698 m，穿煤率100%。
图1 集束型钻孔平面示意图
Fig.1 The drilling trajectory of borehole cluster with
multi-laterals
相对于常规回转钻进钻孔，集束型定向钻孔群抽采工作面煤层瓦斯，由于其施工的钻孔深度长、轨迹可控制等特点，显示了巨大的优势。以某矿煤炭储量同为141×104
t的3311和1302工作面为例，对两种方法抽采瓦斯效果进行了对比。3311工作面于2006年4月采用常规回转钻进装备施工本煤层瓦斯抽采钻孔，2009年10月结束，共施工钻孔266个，总进尺45 954 m，抽出瓦斯459.440 5×104
m3
。1302工作面于2008年9月开始采用定向钻进技术施工本煤层瓦斯抽采钻孔，2009年6月施工完毕，共施工钻孔35个，总进尺27 368 m，抽放瓦斯量970.468 9×104 m3。
从单孔瓦斯抽采量方面讲，定向钻孔抽采效率从开始的每百米约0.64 m³/min，逐渐降至每百米约0.27 m³/min，衰减率达到57.8%；常规钻孔抽采效率从开始的每百米约0.11 m³/min，逐渐降至每百米约0.04 m³/min，衰减率达到63.6%。可见定向钻孔
瓦斯抽采量是常规钻孔的3~5倍。
从整个工作面瓦斯抽采方面讲，在相同煤炭储量的条件下，采用定向钻进技术施工的集束型定向钻孔群瓦斯抽采量是常规回转钻进技术施工的钻孔瓦斯抽采量的2倍。
1.2 梳状定向钻孔远距离卸压抽采瓦斯
当施钻煤层普氏硬度系数小于1，煤质松软，在煤层中难以成孔时，可利用定向钻进技术施工梳状钻孔进行瓦斯抽采。
梳状钻孔技术是通过在目标煤层上(下)较稳定岩层施工水平长钻孔，并进行分支穿入煤层实现难成孔松软煤层的瓦斯有效长期抽采。如果煤层透气性比较低，可在梳状钻孔内进行压裂，以增加松软煤层的透气性，进而提高瓦斯抽采效果。这种成孔技术不但可以治理松软煤层中的瓦斯，而且还可以治理工作面采空区的瓦斯，可实现采前预抽、采中抽采和采空区抽采3种抽放方式联合抽采，大大提高松软煤层瓦斯治理效果。梳状钻孔布置如图2所示。
图2 梳状钻孔布置示意图
Fig.2 The pattern layouts of comb-like directional drilling
boreholes
焦煤集团九里山矿、淮北朱仙庄及杨柳等多家煤矿均为松软煤层，采取梳状钻孔抽采煤层瓦斯。在淮北朱仙庄煤矿利用梳状钻孔进行邻近煤层瓦斯预抽和防突试验，钻孔主孔布置在煤层底板，分别向上和向下施工了梳状分支孔，主孔钻进深度603 m，钻孔实钻轨迹见图3。
淮北朱仙庄煤矿梳状钻孔随着回采区域的增大，煤层顶板产生的卸压增透效应区域增加，瓦斯抽采量逐渐增加，截至2011年4月底，已抽采瓦斯54 752.5 m3。为了验证梳状钻孔抽采效果，选用与试验点相邻的10715工作面高位顶板钻孔进行了对比。该高位钻场共布置了4个，每个钻场布置钻孔60个，自2011年1月开始抽采，截至4月底共抽采瓦斯49 638.02 m3，
第2期
李泉新等: 煤矿井下定向钻进工艺技术的应用 · 87 ·
其抽采效果如图4所示。相对而言，梳状钻孔单位孔深出气量大，瓦斯抽采量大而持久[7]。
图3 朱仙庄煤矿梳状钻孔实钻轨迹图
Fig.3 The drilling trajectory of comb-like directional drilling in
Zhuxianzhuang coal mine
图4 梳状钻孔与高位孔瓦斯抽采效果对比曲线
Fig.4 The comparison of gas drainage by comb-like directional
borehole and high level borehole
1.3 顶板高位定向钻孔抽采瓦斯
顶板高位钻孔主要应用于工作面上隅角瓦斯抽采，也是目前国内外常用瓦斯治理手段。
定向钻进技术可保证钻孔沿着煤层顶板高效抽采层位延伸，使顶板高位定向长钻孔布孔及施工成为可能。顶板高位定向钻孔一般沿工作面走向，布置于工作面平面投影范围内距回顺10~40 m的煤层顶板中(图5)。在工作面回采过程中，随着采空区顶板变形、垮落，高位定向钻孔可抽采采空区上隅角附近高浓度瓦斯，以防止采空区瓦斯涌入工作面导致上隅
图5 高位定向钻孔空间布置示意图
Fig.5 The pattern layouts for high level directional
boreholes
角瓦斯超限。除了随钻测量定向钻进技术外，顶板高位定向钻孔扩孔技术也是实现高位钻孔高效瓦斯抽采的关键技术，通过扩大钻孔孔径可有效降低钻孔抽采阻力，提高抽采效率。
顶板定向高位钻孔于2011年至2012年在陕西铜川某煤矿进行现场试验，试验钻孔最深408 m，孔径达到153 mm，最大瓦斯抽采浓度达80%以上，高负压抽采正常单孔平均纯瓦斯流量达0.7 m³/min以上。
1.4 井上下钻孔联合抽采瓦斯
煤矿区地面直井与井下水平孔联合抽采技术的核心思想是在充分利用、发展地面抽采直井和井下水平长钻孔施工技术的基础上，将井下集束型水平长钻孔群定向穿越地面直井压裂区域，建立地面井下煤层气/瓦斯立体化抽采通道，进而利用井下钻孔排水并控制水位、地面直井进行煤层气无动力排采，实现采气、排水分离作业(图6)。
图6 井上下联合抽采示意图
Fig.6 The schematic diagram of combined gas drainage tech-nology by both surface and underground boreholes
地面井下立体化抽采通道具有地面多分支水平井的特点，利于煤矿区煤层气的高效开发。而与地面多分支井相比，地面井下立体化抽采通道在井下施工沿煤层钻孔的技术成熟、施工难度相对较低，风险小，且施工过程中不存在储层伤害等问题。
2 定向钻进技术用于井下地质异常探测 煤矿井下煤层的走向、煤层厚度及煤层中的地质异常等信息多以地面钻孔探测及巷道掘进时获得。地面钻孔能够获得大范围煤层信息，但对于局部范围的煤层信息准确性低；巷道掘进只能获得揭露的煤层信息，不能超前探测煤层信息。
定向钻孔可超前探测煤层地质信息，当利用定向钻孔探测井下煤层工作面的构造情况(断层、破碎带
及陷落柱等)及煤层顶底板倾向、走向及标高等情况时[8]，可采用前进式开分支施工工艺施工，即以先施工的钻孔为主孔，在主孔内施工多个分支钻孔探测煤
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煤田地质与勘探 第42卷
层构造情况及确定煤层顶底板标高。 2.1 探测地质构造
利用定向钻进技术的随钻测量及计算功能，计算出钻遇地层构造点的三维坐标；然后利用定向开分支技术在已探明构造点的钻孔后部设计多个分支孔，当分支孔钻遇构造区域时计算出此点的三维坐标；最后，通过对获知的多组三维坐标点数据分析，即可勾勒出此区域的地质构造的空间分布。
2.2 探测工作面煤层走向及煤层厚度
在定向主钻孔中按照一定距离设计多个探顶(底)分支钻孔。当分支钻孔钻遇煤层顶(底)板时，通过仪器测量的数据计算出钻遇顶(底)相应点的上下位移，并转化为该点的相对标高；然后将多个探顶(底)分支钻孔的顶(底)板相对标高顺序连在一起可计算出所钻煤层的倾角；最后，根据煤层倾角与走向的关系推出工作面煤层的走向。图7为汝箕沟煤矿探测工作面煤层顶板实钻轨迹。
图7 定向钻孔探测工作面煤层顶板实钻轨迹
Fig.7 The drilling trajectory of directional boreholes for de-tecting the roof of coal seam
煤层厚度的探测可按照上述方法在获知定向主钻孔某一点的分支钻孔的顶板和底板相对标高后，将该点的顶板和底板标高相减即可得出煤层厚度。
3 定向钻进技术用于井下防治水工程
3.1 煤矿井下定向钻孔探放水
煤矿井下采掘工作必须执行“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的方针，钻孔探放水是煤矿井下最直接、最有效的治水方法。定向钻进技术以其钻孔轨迹可实时控制的特点在井下探放水钻孔施工中显示了巨大优势，可定点施工定向钻孔释放煤层底板的承压水、老窑水和采空区水[9]。
宁煤红柳煤矿利用定向钻进技术进行了探放水钻孔施工试验。该矿在3121工作面共施工钻孔7个，总进尺2 979 m，最大单孔放水量120 m3/h，总放水量达到了135 136.58 m3，使用效果较好。
3.2 煤矿井下定向钻孔注浆加固煤层底板
煤层底板注浆加固定向钻进技术是以先进的随钻测控技术为依托，对实钻钻孔轨迹进行实时测量和精确控制。利用回转钻进施工下斜钻孔至预定层位，然后利用定向钻进技术进行造斜钻进，使钻孔在欲加固
的层位延伸，并可在需加固的工作面进行分支钻进，成孔后高压注浆，将钻孔钻遇的裂隙填满，形成隔水层。这一技术具有：a. 实现区域煤层底板超前治理；b. 增加钻孔钻遇含水层的有效孔段；c. 对煤层底板地质构造进行超前探测；d. 准确计算出水点坐标位置；e. 提高钻孔钻遇裂隙的几率，为后续钻孔注浆堵水提供有力的技术条件[10]。钻孔布置如图8所示。
图8 底板注浆加固定向钻孔布置图
Fig.8 The pattern layouts of directional boreholes for grouting
reinforcement
煤层底板超前注浆加固定向钻进技术在焦煤集团赵固一矿11151工作面进行了应用。在11151工作面共施工钻孔6个，最大钻孔深度为610.5m，单孔最大注浆量达到了14 889.303 m3，6个钻孔出水及注浆情况见表1。
表1 钻孔出水次数、出水量及注浆量统计表
Table 1 The statistics of number of water-inrushes，discharge
volume and grouting volume of boreholes
孔号
出水次数最大出水量 注浆次数 注浆量 /个
/(m3·h−1)
/次
/m3
1 9 35 5 14 889.3035 6 10 4 1 633.2034 5 8.4 4 921.294
2 3 10 3 646.767 5-补
0 0 1 58.938
3 1
1
4 125.631
从表1中可知，钻孔的施工顺序对钻孔出水量和注浆量影响明显。先施工的定向钻孔出水最多，同时注浆量也最多。由于先施工的定向钻孔区域注浆影响使得后施工的定向钻孔出水量和注浆量明显减少，充分体现了定向钻孔区域注浆的效果。
4 结 论
a. 根据我国煤矿井下煤层赋存条件及性质，提
(下转第92页)
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COAL GEOLOGY & EXPLORATION Apr. 2014
煤田地质与勘探
文章编号: 1001-1986(2014)02-0085-04
煤矿井下定向钻进工艺技术的应用
李泉新，石智军，史海岐
(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)
摘要: 定向钻进技术以其精确控制钻孔轨迹逐渐被应用于煤矿井下瓦斯抽采钻孔及防治水钻孔施工中。从定向钻进技术的原理入手，以国内多家煤矿企业井下施工定向钻孔的实际资料，研究了定向钻进技术在煤矿井下进行瓦斯抽采、地质构造探测及防治水施工的适用条件、布孔方式和成孔原理。结果显示，定向钻进技术在煤矿井下瓦斯抽采、地质构造探测及防治水领域的应用效果显著。
关 键 词：定向钻进技术；集束型定向钻孔；梳状钻孔；顶板高位定向钻孔；探放水定向钻孔 中图分类号：P634 文献标识码：A DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2014.02.018
The Application of directional drilling technology in coal mine
LI Quanxin, SHI Zhijun, SHI Haiqi
(Xi′an Research Institute,China Coal Technology & Engineering Group Corp, Xi′an 710077, China)
Abstract: Due to its highly accurate controlled borehole trajectory, directional drilling technology has been gradu-ally and widely applied in gas drainage and water control in underground coal mines. According to the technical principle of directional drilling and studying the application conditions, hole patterns, borehole-forming principles of gas drainage, geological structure detection and water prevention, the technology has a good effect in the fields of gas drainage, geological structure detection and water prevention, so it provides protection to coal mine in China and technology reference for other disaster in coal mine.
Key words: directional drilling technology; directional borehole cluster; comb-like directional borehole; high level
directional borehole in roof; directional borehole for water detection and drainage
我国煤矿煤层赋存地质条件复杂，煤层瓦斯含量高、压力大，瓦斯灾害事故频发，严重影响了煤炭的开采[1]。
实践证明，利用钻孔抽采煤层瓦斯是目前国内常用且有效的方法[2-4]。但采用传统回转钻进工艺技术施工钻孔存在施工精度低、施工速度慢、钻孔轨迹不可控制、无法适应煤层顶底板起伏、无效进尺多、钻孔利用率低及单孔瓦斯抽采量小等缺点，不能满足煤矿区瓦斯高效抽采的需求。
煤矿井下定向钻进技术可以实现钻孔轨迹的精确控制，保证钻孔轨迹在预定层位中的有效延伸，增长钻孔有效抽采距离，增加钻孔瓦斯抽采量进而提高瓦斯抽采率；另外定向钻进技术可进行多分支孔施工，施工的钻孔能均匀覆盖整个工作面，具有钻进效率高、一孔多用、集中抽采等优点，能显著提高煤层瓦斯治理效果，现已成为我国煤矿区瓦斯高效抽采的主要技术途径[5]。
随着随钻测量定向钻进技术与装备的改进完善，其在煤矿井下的应用也越来越广泛，不仅可应用于煤矿井下瓦斯抽采，还推广应用于煤矿井下探放水及工作面地质构造探测等工程领域，均取得了较好的效果。本文依据国内多家煤矿企业井下施工定向钻孔的实际资料，研究定向钻进技术在煤矿井下施工的适用条件、布孔方式和成孔原理，以期为我国煤矿安全生产提供技术借鉴。
1 定向钻进技术用于煤矿井下瓦斯抽采
煤矿井下定向钻进技术实现了井下瓦斯抽采钻孔从“无控钻进”到“精确定向钻进”的跨越，改变了煤矿瓦斯抽采钻孔的布置和施工模式[6]。根据使用条件及布孔方式的不同，其应用方式可分为本煤层集束型定向钻孔群抽采瓦斯、松软煤层梳状定向钻孔远距离卸压抽采瓦斯、顶板高位定向长钻孔采空区抽采瓦斯及井上、井下瓦斯联合抽采瓦斯等4种形式。
收稿日期: 2013-03-25
基金项目: 国家科技重大专项课题(2011ZX05041-001)
作者简介:李泉新(1980—)，男，黑龙江齐齐哈尔人，硕士，工程师，从事煤矿井下钻探工艺及过程控制研究.
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1.1 集束型定向钻孔群抽采瓦斯
集束型定向钻孔群是指在一个钻场内施工多个多分支定向钻孔，其主孔开孔点孔段相对集中，钻孔或分支孔方位呈扇型、花束型展开或平行延伸，是主孔深度基本相同的钻孔集合体。当煤层普氏硬度系数大于1，赋存条件好，地质构造简单，煤层中易成孔时，可利用定向钻进技术在煤层中施工集束型定向钻孔群进行瓦斯抽采，其抽采方式主要分为单孔抽采和主孔与分支孔联合抽采。
集束型定向钻孔群是目前国内应用最多、技术最成熟的定向钻孔瓦斯抽采方式，其钻孔布置方式如图1所示。国内晋城寺河、陕西大佛寺和神华汝箕沟等煤矿采用了集束型定向钻孔抽采煤层瓦斯，取得了良好的使用效果。图1为神华宁煤汝箕沟煤矿32215工作面的主孔与分支孔联合抽采平面图，在32215工作面1号钻场施工主孔11个，7个分支孔，总进尺为14 971 m，最大主孔深度961 m，最大分支孔深度698 m，穿煤率100%。
图1 集束型钻孔平面示意图
Fig.1 The drilling trajectory of borehole cluster with
multi-laterals
相对于常规回转钻进钻孔，集束型定向钻孔群抽采工作面煤层瓦斯，由于其施工的钻孔深度长、轨迹可控制等特点，显示了巨大的优势。以某矿煤炭储量同为141×104
t的3311和1302工作面为例，对两种方法抽采瓦斯效果进行了对比。3311工作面于2006年4月采用常规回转钻进装备施工本煤层瓦斯抽采钻孔，2009年10月结束，共施工钻孔266个，总进尺45 954 m，抽出瓦斯459.440 5×104
m3
。1302工作面于2008年9月开始采用定向钻进技术施工本煤层瓦斯抽采钻孔，2009年6月施工完毕，共施工钻孔35个，总进尺27 368 m，抽放瓦斯量970.468 9×104 m3。
从单孔瓦斯抽采量方面讲，定向钻孔抽采效率从开始的每百米约0.64 m³/min，逐渐降至每百米约0.27 m³/min，衰减率达到57.8%；常规钻孔抽采效率从开始的每百米约0.11 m³/min，逐渐降至每百米约0.04 m³/min，衰减率达到63.6%。可见定向钻孔
瓦斯抽采量是常规钻孔的3~5倍。
从整个工作面瓦斯抽采方面讲，在相同煤炭储量的条件下，采用定向钻进技术施工的集束型定向钻孔群瓦斯抽采量是常规回转钻进技术施工的钻孔瓦斯抽采量的2倍。
1.2 梳状定向钻孔远距离卸压抽采瓦斯
当施钻煤层普氏硬度系数小于1，煤质松软，在煤层中难以成孔时，可利用定向钻进技术施工梳状钻孔进行瓦斯抽采。
梳状钻孔技术是通过在目标煤层上(下)较稳定岩层施工水平长钻孔，并进行分支穿入煤层实现难成孔松软煤层的瓦斯有效长期抽采。如果煤层透气性比较低，可在梳状钻孔内进行压裂，以增加松软煤层的透气性，进而提高瓦斯抽采效果。这种成孔技术不但可以治理松软煤层中的瓦斯，而且还可以治理工作面采空区的瓦斯，可实现采前预抽、采中抽采和采空区抽采3种抽放方式联合抽采，大大提高松软煤层瓦斯治理效果。梳状钻孔布置如图2所示。
图2 梳状钻孔布置示意图
Fig.2 The pattern layouts of comb-like directional drilling
boreholes
焦煤集团九里山矿、淮北朱仙庄及杨柳等多家煤矿均为松软煤层，采取梳状钻孔抽采煤层瓦斯。在淮北朱仙庄煤矿利用梳状钻孔进行邻近煤层瓦斯预抽和防突试验，钻孔主孔布置在煤层底板，分别向上和向下施工了梳状分支孔，主孔钻进深度603 m，钻孔实钻轨迹见图3。
淮北朱仙庄煤矿梳状钻孔随着回采区域的增大，煤层顶板产生的卸压增透效应区域增加，瓦斯抽采量逐渐增加，截至2011年4月底，已抽采瓦斯54 752.5 m3。为了验证梳状钻孔抽采效果，选用与试验点相邻的10715工作面高位顶板钻孔进行了对比。该高位钻场共布置了4个，每个钻场布置钻孔60个，自2011年1月开始抽采，截至4月底共抽采瓦斯49 638.02 m3，
第2期
李泉新等: 煤矿井下定向钻进工艺技术的应用 · 87 ·
其抽采效果如图4所示。相对而言，梳状钻孔单位孔深出气量大，瓦斯抽采量大而持久[7]。
图3 朱仙庄煤矿梳状钻孔实钻轨迹图
Fig.3 The drilling trajectory of comb-like directional drilling in
Zhuxianzhuang coal mine
图4 梳状钻孔与高位孔瓦斯抽采效果对比曲线
Fig.4 The comparison of gas drainage by comb-like directional
borehole and high level borehole
1.3 顶板高位定向钻孔抽采瓦斯
顶板高位钻孔主要应用于工作面上隅角瓦斯抽采，也是目前国内外常用瓦斯治理手段。
定向钻进技术可保证钻孔沿着煤层顶板高效抽采层位延伸，使顶板高位定向长钻孔布孔及施工成为可能。顶板高位定向钻孔一般沿工作面走向，布置于工作面平面投影范围内距回顺10~40 m的煤层顶板中(图5)。在工作面回采过程中，随着采空区顶板变形、垮落，高位定向钻孔可抽采采空区上隅角附近高浓度瓦斯，以防止采空区瓦斯涌入工作面导致上隅
图5 高位定向钻孔空间布置示意图
Fig.5 The pattern layouts for high level directional
boreholes
角瓦斯超限。除了随钻测量定向钻进技术外，顶板高位定向钻孔扩孔技术也是实现高位钻孔高效瓦斯抽采的关键技术，通过扩大钻孔孔径可有效降低钻孔抽采阻力，提高抽采效率。
顶板定向高位钻孔于2011年至2012年在陕西铜川某煤矿进行现场试验，试验钻孔最深408 m，孔径达到153 mm，最大瓦斯抽采浓度达80%以上，高负压抽采正常单孔平均纯瓦斯流量达0.7 m³/min以上。
1.4 井上下钻孔联合抽采瓦斯
煤矿区地面直井与井下水平孔联合抽采技术的核心思想是在充分利用、发展地面抽采直井和井下水平长钻孔施工技术的基础上，将井下集束型水平长钻孔群定向穿越地面直井压裂区域，建立地面井下煤层气/瓦斯立体化抽采通道，进而利用井下钻孔排水并控制水位、地面直井进行煤层气无动力排采，实现采气、排水分离作业(图6)。
图6 井上下联合抽采示意图
Fig.6 The schematic diagram of combined gas drainage tech-nology by both surface and underground boreholes
地面井下立体化抽采通道具有地面多分支水平井的特点，利于煤矿区煤层气的高效开发。而与地面多分支井相比，地面井下立体化抽采通道在井下施工沿煤层钻孔的技术成熟、施工难度相对较低，风险小，且施工过程中不存在储层伤害等问题。
2 定向钻进技术用于井下地质异常探测 煤矿井下煤层的走向、煤层厚度及煤层中的地质异常等信息多以地面钻孔探测及巷道掘进时获得。地面钻孔能够获得大范围煤层信息，但对于局部范围的煤层信息准确性低；巷道掘进只能获得揭露的煤层信息，不能超前探测煤层信息。
定向钻孔可超前探测煤层地质信息，当利用定向钻孔探测井下煤层工作面的构造情况(断层、破碎带
及陷落柱等)及煤层顶底板倾向、走向及标高等情况时[8]，可采用前进式开分支施工工艺施工，即以先施工的钻孔为主孔，在主孔内施工多个分支钻孔探测煤
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煤田地质与勘探 第42卷
层构造情况及确定煤层顶底板标高。 2.1 探测地质构造
利用定向钻进技术的随钻测量及计算功能，计算出钻遇地层构造点的三维坐标；然后利用定向开分支技术在已探明构造点的钻孔后部设计多个分支孔，当分支孔钻遇构造区域时计算出此点的三维坐标；最后，通过对获知的多组三维坐标点数据分析，即可勾勒出此区域的地质构造的空间分布。
2.2 探测工作面煤层走向及煤层厚度
在定向主钻孔中按照一定距离设计多个探顶(底)分支钻孔。当分支钻孔钻遇煤层顶(底)板时，通过仪器测量的数据计算出钻遇顶(底)相应点的上下位移，并转化为该点的相对标高；然后将多个探顶(底)分支钻孔的顶(底)板相对标高顺序连在一起可计算出所钻煤层的倾角；最后，根据煤层倾角与走向的关系推出工作面煤层的走向。图7为汝箕沟煤矿探测工作面煤层顶板实钻轨迹。
图7 定向钻孔探测工作面煤层顶板实钻轨迹
Fig.7 The drilling trajectory of directional boreholes for de-tecting the roof of coal seam
煤层厚度的探测可按照上述方法在获知定向主钻孔某一点的分支钻孔的顶板和底板相对标高后，将该点的顶板和底板标高相减即可得出煤层厚度。
3 定向钻进技术用于井下防治水工程
3.1 煤矿井下定向钻孔探放水
煤矿井下采掘工作必须执行“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的方针，钻孔探放水是煤矿井下最直接、最有效的治水方法。定向钻进技术以其钻孔轨迹可实时控制的特点在井下探放水钻孔施工中显示了巨大优势，可定点施工定向钻孔释放煤层底板的承压水、老窑水和采空区水[9]。
宁煤红柳煤矿利用定向钻进技术进行了探放水钻孔施工试验。该矿在3121工作面共施工钻孔7个，总进尺2 979 m，最大单孔放水量120 m3/h，总放水量达到了135 136.58 m3，使用效果较好。
3.2 煤矿井下定向钻孔注浆加固煤层底板
煤层底板注浆加固定向钻进技术是以先进的随钻测控技术为依托，对实钻钻孔轨迹进行实时测量和精确控制。利用回转钻进施工下斜钻孔至预定层位，然后利用定向钻进技术进行造斜钻进，使钻孔在欲加固
的层位延伸，并可在需加固的工作面进行分支钻进，成孔后高压注浆，将钻孔钻遇的裂隙填满，形成隔水层。这一技术具有：a. 实现区域煤层底板超前治理；b. 增加钻孔钻遇含水层的有效孔段；c. 对煤层底板地质构造进行超前探测；d. 准确计算出水点坐标位置；e. 提高钻孔钻遇裂隙的几率，为后续钻孔注浆堵水提供有力的技术条件[10]。钻孔布置如图8所示。
图8 底板注浆加固定向钻孔布置图
Fig.8 The pattern layouts of directional boreholes for grouting
reinforcement
煤层底板超前注浆加固定向钻进技术在焦煤集团赵固一矿11151工作面进行了应用。在11151工作面共施工钻孔6个，最大钻孔深度为610.5m，单孔最大注浆量达到了14 889.303 m3，6个钻孔出水及注浆情况见表1。
表1 钻孔出水次数、出水量及注浆量统计表
Table 1 The statistics of number of water-inrushes，discharge
volume and grouting volume of boreholes
孔号
出水次数最大出水量 注浆次数 注浆量 /个
/(m3·h−1)
/次
/m3
1 9 35 5 14 889.3035 6 10 4 1 633.2034 5 8.4 4 921.294
2 3 10 3 646.767 5-补
0 0 1 58.938
3 1
1
4 125.631
从表1中可知，钻孔的施工顺序对钻孔出水量和注浆量影响明显。先施工的定向钻孔出水最多，同时注浆量也最多。由于先施工的定向钻孔区域注浆影响使得后施工的定向钻孔出水量和注浆量明显减少，充分体现了定向钻孔区域注浆的效果。
4 结 论
a. 根据我国煤矿井下煤层赋存条件及性质，提
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