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【摘 要】随着我国对煤矿瓦斯治理力度的加强，通过大量施工瓦斯抽放钻孔有效满足了煤矿瓦斯治理方针“先抽后采”的要求，降低了抽采区域瓦斯浓度。但随着抽采瓦斯钻孔深度不断增加和对钻孔轨迹精确定位需求的出现，传统的打钻施工工艺已不能满足现代化高产高效矿井生产的要求。深孔定向长钻施工技术利用孔底马达驱动装置及测斜装置成功实现了深孔定向技术的应用，突破了钻孔深度、钻进盲目性的制约，有效解决了普通钻孔抽采瓦斯单孔抽采量小、衰减迅速、抽采效率不高的问题，在瓦斯防治与开发领域发挥着多方面的作用。
【关键词】深孔定向；长钻施工；瓦斯治理
深孔定向长钻施工技术通过山西潞安工程有限公司在多个高瓦斯矿井抽采工程的应用，不断总结改进，逐渐形成一套完整的施工工法。深孔定向长钻施工工法于2013年6月通过了山西省住建厅鉴定委员会的科学技术成果鉴定，获得省级工法的认证。
一、工法特点
（一）先封孔后打钻：将传统的先成孔后封孔工艺改为先施工封孔段，封孔后继续钻进。
（二）设计并使用双向钻头：通过摸索改进将钻头后方加上金刚石片，在退钻时加上的金刚石片可以不断切割钻头周围煤层，防止煤渣卡钻，方便钻杆退出，利于钻孔成型。
（三）施工工程量小、工期短、节约材料：深孔定向长钻施工技术单孔钻进深度长，通过开分支的技术扩大了单孔长度及覆盖范围，增大了单孔的有效抽采半径，一个孔可以起到普通钻孔20~30个孔的作用，施工钻孔的数量减少，减小了工程量，缩短了工期，节约了施工材料。
（四）钻孔成型好、质量高：深孔定向长钻施工技术采用孔底马达动力旋转技术，只有钻杆最前面的钻头转而后面的钻杆不转，极大的减少了钻杆对钻孔的扰动影响，钻孔成型好，施工质量高。
（五）具有定位功能，可定向钻探、实现区域防突：深孔定向长钻施工技术利用测量系统和孔外电脑，可以对钻杆、钻头进行精确定位，从而精确控制钻孔轨迹，可实现“指哪打哪”的功效，对指定区域施工钻孔。
（六）施工过程安全可靠:深孔定向长钻施工过程中在孔口安装防喷孔装置，实现气水渣分离，达到了边打钻边抽采的效果，避免了施工过程中瓦斯喷孔对施工人员的危害，施工过程安全可靠。
二、适用范围
（一）本工法可用于煤矿井下瓦斯抽（排）放孔、煤层注水孔、防突卸压孔、地质勘探孔及其它工程孔的开凿。适用于岩石坚固性系数f＜10的各种煤层及岩层。
（二）为巷道掘进的地质情况探测，巷道掘进水的探测，提供更多的依据，保证巷道掘进安全施工。
三、操作要点
（一）钻孔的设计，包括垂直面和水平面的投影图和钻孔参数，应尽量避开复杂地质构造区，并通过技术交底使钻工清楚该钻孔的钻进意图。
（二）分支位置的布置密度要求能确定煤层顶底板层位标高，保证主孔在煤层中钻进。
（三）钻孔主孔和分支间设计间距保证主孔与分支不会打穿，并且间距是否小于有效抽放半径。
四、钻机就位、施工物资准备
（一）钻机根据设计方位角、倾角摆放到位后试运转，检查各运动部件的油温、油位、油压情况。观察钻机在试运转过程中的状态，若发现有异常声响、动力头振动过大、支撑立柱松动，应立即停机检查并加以处理。
（二）钻机到位检查完毕后，施工前需准备速凝水泥、石膏、封孔管、注浆管、孔口三通，并检查注浆泵完好。
五、钻机管路安装
（一）将孔口三通和气水分离器用铠装管连接、供水管与巷道供水系统连接，安装钻机冷却水管。
（二）管路安装完毕并检查安装是否正确、牢固，检查完成后进行试钻，检查水泵水压、瓦斯抽放线及测量信号是否准确。
六、开孔、扩孔及封孔
测量系统及管路安装完成检验工作后，使用直径为96mm钻头开孔，开孔时后夹持器夹紧钻杆，前夹持器松开，后夹持器旋转进行开孔，开孔深度9m后退出所有钻杆，更换用直径为153mm专用扩孔钻头扩孔9m。扩孔完毕后，采用一端带法兰的φ133钢管对钻孔进行封孔。将长度为13m的φ25mm PVC管穿入钢管，有法兰盘的一端留出4mPVC管连接到封孔泵，用石膏在钢管两端将PVC管与钢管固定在一起，再将长度为3m直径为25mm的PVC管伸至孔内2mm，用石膏将孔口封堵，将余出孔外的PVC管一端连接注浆，待注浆泵压力表明显升高时，待上方PVC管有浆溢出，则孔已封实，迅速将2个PVC端口折起，然后再慢慢注浆几下，将煤壁缝隙渗入浆后，关闭注浆泵，用双股8#铁丝紧密固定端口，则封孔完毕。
七、进钻、随钻测斜调整角度
将扩孔钻头卸下,依次安装孔底马达、上无磁钻杆、测量探管及下无磁钻杆、水尾。启动水泵，观察从汽水分离器返出的水，确认返水正常后方可开始给压钻进，钻进过程中每6m进行一次测量并进行数据保存操作，将钻孔的垂直和水平投影坐标相应地画在设计图上，并与设计轨迹进行对比，根据偏移情况及时调整弯头方向。
八、开分支
（一）在钻进过程中每隔30~50米预留一个分支点。要求留出一个倾角相对较大地方，以便于开出分支。
（二）遇到复杂地质情况，钻进困难，可以退钻至最近的预留分支点，调整孔底马达的方向另开分支，实现持续钻进。
（三）根据实际情况设计开分支进行探顶、探底，可确定顶底板及煤层走向，保证钻孔始终在煤层中钻进。
九、退钻、并网
钻孔完成后把孔內杂质清洗干净，开始退钻杆：1）用回转器拔出钻杆至拆卸位置，关闭水泵控制阀、流量表隔离阀，停止供水，卸下水尾，用回转器将钻杆松2-3扣，人工拆下钻杆。2）将回转器复位，夹持下一根钻杆，拔出至拆卸位置，用回转器将钻杆松2-3扣，人工拆下钻杆。3）重复以上操作步骤直至将钻杆全部拆卸完毕。4) 在退钻过程中，要求每间隔30~50 m进行一次洗孔操作，以确保退钻顺利和抽放通道的畅通。5）施工完成后将钻孔并入抽采瓦斯管路，并网要保证严密性，不能漏气。6）退钻完成后将测量仪内的数据传输至计算机，通过处理后生成相应轨迹图（图9-1、图9-2所示）。
图9-1 高河矿某定向钻孔设计与实钻轨迹剖面图
图9-2高河矿某定向钻孔设计与实钻轨迹平面图
十、效果检验
（一）钻进中每6m进行一次测量，并与设计轨迹进行对比，确定本组数据是否达到了钻进的目的。
（二）成孔后将打钻实际测量的数据分析后上CAD图，并通过CAD图确定钻孔覆盖工作面情况，钻孔抽放间距是否在有效抽放半径内。
（三）并网对钻孔进行日常监测，包括瓦斯浓度、孔板压差、纯瓦斯流量、混合瓦斯流量等，建立日常监测台账。
十一、质量控制
质量控制要点：（一）打钻方位角、倾角等钻孔施工参数严格按照钻孔设计轨迹要求。（二）遇到煤质松软易出现塌孔区域，每隔10m～30m向煤层施工倾斜分支孔，用分支孔释放煤层压力，尽量降低塌孔几率。（三）钻机钻进中，若钻孔被煤渣煤粉充实造成无法正常回水，应停止钻进，加大水泵水压，及时使用高压水将孔内残渣冲洗干净，待钻孔回水正常后方可继续钻进。（四）钻机钻进时必须在不同钻进阶段调整转速，尤其在通过软煤分层时应该降低钻机推进压力，加大供水压力，以减慢钻进速度，使用高压水充分排渣。（五）成孔后必须把孔内杂质清洗干净，保证抽采效果。（六）封孔要保证钻孔密实，不漏气，保证抽放效果。
十二、效益分析
（一）社会效益。通过本次研究表明，采用深孔定向长钻工艺合理布置钻孔参数，可使井下瓦斯抽采达到很好的效果，大大提高煤层瓦斯抽放率，从而确保矿井安全生产。有数据证明甲烷气体的温室效应是二氧化碳的21倍，当钻孔抽放瓦斯达到合适浓度时，可以将矿井矿井井下煤层瓦斯抽放至地面并合理利用，可减少井下瓦斯向大气中的排放量，有利于环境保护，同时符合十八大提出的绿色工业理念。
（二）经济效益。以解决高河矿北翼E1302工作面（采区面积300×1000平方米）的瓦斯抽采问题为例，若使用普通钻机进行瓦斯抽采钻孔施工，需要施工钻孔4480个，打钻进尺72.2万米，仅打钻作业成本为5993万元。如果使用深孔定向长钻施工技术，需要施工钻孔50个，打钻进尺6.5万米，打钻作业成本为5336万元，费用节约657万元。除此之外，在人工消耗、掘钻场数量、封孔并网材料使用上也有大量节省。
十三、结语
（一）高河矿北翼E1302工作面使用深孔定向长钻施工技术，施工钻孔50个能达到高抽巷的抽采效果，显著提高了瓦斯抽放效果，降低了瓦斯治理费用。
（二）采用深孔定向长钻工艺，发展了现有瓦斯抽采技术，与其他综合抽放方法相比，具有巨大的经济效益和应用前景。
作者简介：刘朋，1984年出生，安全技术办主任 山西潞安工程有限公司；王虎伟，1986年出生，生产副经理 山西潞安工程有限公司；贾澎波，1988年，业务开发办主任 山西潞安工程有限公司；陈二亮，1988年，业务开发办副主任山西潞安工程有限公司
【关键词】深孔定向；长钻施工；瓦斯治理
深孔定向长钻施工技术通过山西潞安工程有限公司在多个高瓦斯矿井抽采工程的应用，不断总结改进，逐渐形成一套完整的施工工法。深孔定向长钻施工工法于2013年6月通过了山西省住建厅鉴定委员会的科学技术成果鉴定，获得省级工法的认证。
一、工法特点
（一）先封孔后打钻：将传统的先成孔后封孔工艺改为先施工封孔段，封孔后继续钻进。
（二）设计并使用双向钻头：通过摸索改进将钻头后方加上金刚石片，在退钻时加上的金刚石片可以不断切割钻头周围煤层，防止煤渣卡钻，方便钻杆退出，利于钻孔成型。
（三）施工工程量小、工期短、节约材料：深孔定向长钻施工技术单孔钻进深度长，通过开分支的技术扩大了单孔长度及覆盖范围，增大了单孔的有效抽采半径，一个孔可以起到普通钻孔20~30个孔的作用，施工钻孔的数量减少，减小了工程量，缩短了工期，节约了施工材料。
（四）钻孔成型好、质量高：深孔定向长钻施工技术采用孔底马达动力旋转技术，只有钻杆最前面的钻头转而后面的钻杆不转，极大的减少了钻杆对钻孔的扰动影响，钻孔成型好，施工质量高。
（五）具有定位功能，可定向钻探、实现区域防突：深孔定向长钻施工技术利用测量系统和孔外电脑，可以对钻杆、钻头进行精确定位，从而精确控制钻孔轨迹，可实现“指哪打哪”的功效，对指定区域施工钻孔。
（六）施工过程安全可靠:深孔定向长钻施工过程中在孔口安装防喷孔装置，实现气水渣分离，达到了边打钻边抽采的效果，避免了施工过程中瓦斯喷孔对施工人员的危害，施工过程安全可靠。
二、适用范围
（一）本工法可用于煤矿井下瓦斯抽（排）放孔、煤层注水孔、防突卸压孔、地质勘探孔及其它工程孔的开凿。适用于岩石坚固性系数f＜10的各种煤层及岩层。
（二）为巷道掘进的地质情况探测，巷道掘进水的探测，提供更多的依据，保证巷道掘进安全施工。
三、操作要点
（一）钻孔的设计，包括垂直面和水平面的投影图和钻孔参数，应尽量避开复杂地质构造区，并通过技术交底使钻工清楚该钻孔的钻进意图。
（二）分支位置的布置密度要求能确定煤层顶底板层位标高，保证主孔在煤层中钻进。
（三）钻孔主孔和分支间设计间距保证主孔与分支不会打穿，并且间距是否小于有效抽放半径。
四、钻机就位、施工物资准备
（一）钻机根据设计方位角、倾角摆放到位后试运转，检查各运动部件的油温、油位、油压情况。观察钻机在试运转过程中的状态，若发现有异常声响、动力头振动过大、支撑立柱松动，应立即停机检查并加以处理。
（二）钻机到位检查完毕后，施工前需准备速凝水泥、石膏、封孔管、注浆管、孔口三通，并检查注浆泵完好。
五、钻机管路安装
（一）将孔口三通和气水分离器用铠装管连接、供水管与巷道供水系统连接，安装钻机冷却水管。
（二）管路安装完毕并检查安装是否正确、牢固，检查完成后进行试钻，检查水泵水压、瓦斯抽放线及测量信号是否准确。
六、开孔、扩孔及封孔
测量系统及管路安装完成检验工作后，使用直径为96mm钻头开孔，开孔时后夹持器夹紧钻杆，前夹持器松开，后夹持器旋转进行开孔，开孔深度9m后退出所有钻杆，更换用直径为153mm专用扩孔钻头扩孔9m。扩孔完毕后，采用一端带法兰的φ133钢管对钻孔进行封孔。将长度为13m的φ25mm PVC管穿入钢管，有法兰盘的一端留出4mPVC管连接到封孔泵，用石膏在钢管两端将PVC管与钢管固定在一起，再将长度为3m直径为25mm的PVC管伸至孔内2mm，用石膏将孔口封堵，将余出孔外的PVC管一端连接注浆，待注浆泵压力表明显升高时，待上方PVC管有浆溢出，则孔已封实，迅速将2个PVC端口折起，然后再慢慢注浆几下，将煤壁缝隙渗入浆后，关闭注浆泵，用双股8#铁丝紧密固定端口，则封孔完毕。
七、进钻、随钻测斜调整角度
将扩孔钻头卸下,依次安装孔底马达、上无磁钻杆、测量探管及下无磁钻杆、水尾。启动水泵，观察从汽水分离器返出的水，确认返水正常后方可开始给压钻进，钻进过程中每6m进行一次测量并进行数据保存操作，将钻孔的垂直和水平投影坐标相应地画在设计图上，并与设计轨迹进行对比，根据偏移情况及时调整弯头方向。
八、开分支
（一）在钻进过程中每隔30~50米预留一个分支点。要求留出一个倾角相对较大地方，以便于开出分支。
（二）遇到复杂地质情况，钻进困难，可以退钻至最近的预留分支点，调整孔底马达的方向另开分支，实现持续钻进。
（三）根据实际情况设计开分支进行探顶、探底，可确定顶底板及煤层走向，保证钻孔始终在煤层中钻进。
九、退钻、并网
钻孔完成后把孔內杂质清洗干净，开始退钻杆：1）用回转器拔出钻杆至拆卸位置，关闭水泵控制阀、流量表隔离阀，停止供水，卸下水尾，用回转器将钻杆松2-3扣，人工拆下钻杆。2）将回转器复位，夹持下一根钻杆，拔出至拆卸位置，用回转器将钻杆松2-3扣，人工拆下钻杆。3）重复以上操作步骤直至将钻杆全部拆卸完毕。4) 在退钻过程中，要求每间隔30~50 m进行一次洗孔操作，以确保退钻顺利和抽放通道的畅通。5）施工完成后将钻孔并入抽采瓦斯管路，并网要保证严密性，不能漏气。6）退钻完成后将测量仪内的数据传输至计算机，通过处理后生成相应轨迹图（图9-1、图9-2所示）。
图9-1 高河矿某定向钻孔设计与实钻轨迹剖面图
图9-2高河矿某定向钻孔设计与实钻轨迹平面图
十、效果检验
（一）钻进中每6m进行一次测量，并与设计轨迹进行对比，确定本组数据是否达到了钻进的目的。
（二）成孔后将打钻实际测量的数据分析后上CAD图，并通过CAD图确定钻孔覆盖工作面情况，钻孔抽放间距是否在有效抽放半径内。
（三）并网对钻孔进行日常监测，包括瓦斯浓度、孔板压差、纯瓦斯流量、混合瓦斯流量等，建立日常监测台账。
十一、质量控制
质量控制要点：（一）打钻方位角、倾角等钻孔施工参数严格按照钻孔设计轨迹要求。（二）遇到煤质松软易出现塌孔区域，每隔10m～30m向煤层施工倾斜分支孔，用分支孔释放煤层压力，尽量降低塌孔几率。（三）钻机钻进中，若钻孔被煤渣煤粉充实造成无法正常回水，应停止钻进，加大水泵水压，及时使用高压水将孔内残渣冲洗干净，待钻孔回水正常后方可继续钻进。（四）钻机钻进时必须在不同钻进阶段调整转速，尤其在通过软煤分层时应该降低钻机推进压力，加大供水压力，以减慢钻进速度，使用高压水充分排渣。（五）成孔后必须把孔内杂质清洗干净，保证抽采效果。（六）封孔要保证钻孔密实，不漏气，保证抽放效果。
十二、效益分析
（一）社会效益。通过本次研究表明，采用深孔定向长钻工艺合理布置钻孔参数，可使井下瓦斯抽采达到很好的效果，大大提高煤层瓦斯抽放率，从而确保矿井安全生产。有数据证明甲烷气体的温室效应是二氧化碳的21倍，当钻孔抽放瓦斯达到合适浓度时，可以将矿井矿井井下煤层瓦斯抽放至地面并合理利用，可减少井下瓦斯向大气中的排放量，有利于环境保护，同时符合十八大提出的绿色工业理念。
（二）经济效益。以解决高河矿北翼E1302工作面（采区面积300×1000平方米）的瓦斯抽采问题为例，若使用普通钻机进行瓦斯抽采钻孔施工，需要施工钻孔4480个，打钻进尺72.2万米，仅打钻作业成本为5993万元。如果使用深孔定向长钻施工技术，需要施工钻孔50个，打钻进尺6.5万米，打钻作业成本为5336万元，费用节约657万元。除此之外，在人工消耗、掘钻场数量、封孔并网材料使用上也有大量节省。
十三、结语
（一）高河矿北翼E1302工作面使用深孔定向长钻施工技术，施工钻孔50个能达到高抽巷的抽采效果，显著提高了瓦斯抽放效果，降低了瓦斯治理费用。
（二）采用深孔定向长钻工艺，发展了现有瓦斯抽采技术，与其他综合抽放方法相比，具有巨大的经济效益和应用前景。
作者简介：刘朋，1984年出生，安全技术办主任 山西潞安工程有限公司；王虎伟，1986年出生，生产副经理 山西潞安工程有限公司；贾澎波，1988年，业务开发办主任 山西潞安工程有限公司；陈二亮，1988年，业务开发办副主任山西潞安工程有限公司