井下大直径高精度立孔反井钻进施工工艺研究与应用

靳鑫 陈高鹏

摘 要： 岱庄煤矿井下充填立孔钻孔深达171m、成孔最大直径Ф450mm，钻孔孔采用ZDY4000S型煤矿用全液压坑道钻机施工。本论文介绍了反井钻进施工工艺和钻孔防斜保直措施，并详细分析了反井钻进施工工艺相较常规施工工艺的优势。该充填立孔最终符合设计要求，充填管路顺利下放，施工总工期36d，比常规施工工艺提前14d完成，反井钻进工艺成效突出，并安全无事故。

关键词： 反井钻进;防斜保直;塌孔处理

【中图分类号】TD713+.3     【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）21-0242-01

引言：目前，煤矿井下输料钻孔施工主要面临的问题有：地质条件复杂、钻孔精度高、工期紧迫、成本高、风险大，如何解决这些问题实现煤矿安全经济高效发展，分析研究反井钻进施工工艺较常规施工工艺的优势并加以改进，对煤矿发展具有重大意义。

1 概况

根据《岱庄煤矿16煤高承压水上膏体充填开采可行性分析》报告，为了缩短充填管路的铺设距离，减少不必要的浪费，实现煤矿绿色开采，遵循国家工程绿色发展理念，最后决定在下组煤充填管子道与1160采区胶带上山交叉处施工一个大直径输料钻孔。钻孔起止位置：从3煤底板泥岩至16煤顶板石灰岩，共穿过岩层56层，累计总厚度为173.29m，且在孔深120m的位置存在一条断层。经过研究分析，该钻孔施工主要面临如下问题：

（1）地质条件复杂：钻孔穿过的地层以泥岩、粉砂岩为主。该类岩层为软岩，成分以粘土矿物为主，强度很低，钻进过程中遇水易膨胀、崩解坍塌;尤其要通过一条断层破碎带，更加剧了钻孔的坍塌程度。钻进过程中经常出现钻孔反水排粉困难、堵钻埋钻现象。

（2）精度要求高：全孔偏斜率不超过0.5%。因地层变化频繁，特别是在软硬岩层交替处，易出现钻孔偏斜，因此防斜保值显得尤为重要。

（3）工期紧迫：从钻孔施工到套管安装固管，工期不超过65天。而使用常规七级扩孔的施工方法无法满足工期要求。

（4）风险大、成本高：钻孔采用固定单价合同，承担了施工过程中钻孔塌孔、涌水、超斜废孔等不可预见的风险因素。使用常规施工方法一次性投入成本高。为了在合理工期内高质量、低成本、快速完成这个项目，解决钻孔施工中一系列不确定因素所导致的工期延误、材料浪费造成成本上升的问题，确保钻孔精度达到设计要求并按工期顺利下放安装套管，以实现岱庄充填立孔在技术及施工工艺上的成果转换，我们对反进钻进施工工艺、防斜保直措施和塌孔处理进行了研究。

2 反井钻进施工工艺

施工导孔（Φ89mm）→三灰含水层、断层区域注浆→第一次反井扩孔（Φ212mm）→第二次反井扩孔（Φ300mm）→第三次反井扩孔（Φ380mm）→第四次反井扩孔（Φ450mm）→下放注浆管→全孔注浆管外壁注浆固管→竣工验收、撤出设备。

3 传统钻进施工工艺

施工导孔（Φ89mm）→三灰含水层、断层区域注浆→第一次扩孔（Φ159mm）→第二次扩孔（Φ200mm）→第三次扩孔（Φ245mm）→第四次扩孔（Φ290mm）→第五次扩孔（Φ320mm）→第六次扩孔（Φ350mm）→第七次扩孔（Φ450mm）→下放注浆管→全孔注浆管外壁注浆固管→竣工验收、撤出设备。

4 反井钻进施工工艺相较常规施工工艺的优势

（1）在传统的自上而下扩孔钻进的施工工艺中，穿过破碎带、岩层变换频率高的孔段，导向钻头可以有效防止钻杆弯曲而产生新孔，同时因为钻头导向的存在，随着钻孔的进一步深入，水压也会相对减弱，会造成返水排粉困难，钻头、钻杆与孔壁的摩擦力加大，导致钻机扭转力相对削弱，此时出现塌孔、埋钻等钻孔事故的几率也会加大。而在反井钻进工艺中，煤、岩粉利用自然重力和水压作用可以随时从孔底排出，从而降低钻进阻力，减少钻孔事故率，从而达到节省工期，降低风险，提高效益的目的。

（2）在反井钻进施工工艺中，由于没有钻头导向和排粉困难所造成的钻机扭转力削弱，同时利用自然重力和水压作用帮助煤、岩粉顺利排出可以减少钻机扭转力的消耗，相比传统施工工艺相当于对钻机扭转力的补偿，这样就可以适当加大反井钻头的直径，所以采用反向钻头反井钻进施工该充填立孔只需扩孔4次，而传统的施工工艺需要正向扩孔7次。由于擴孔次数的减少，所用工期、材料、以及出现出现钻孔事故的几率都相应减少。而且利用钻头与钻杆的自重对该充填立孔有一定防斜保直的作用。

综上所述，反井钻进施工工艺相比传统的施工工艺有节省工期、减少材料消耗、降低钻孔事故风险以及钻孔防斜保直提高钻孔质量的优势。

5 钻孔防斜保直措施

为防止钻孔偏斜超限，采用积极的防偏措施，使用合理的钻进参数，加密对孔斜的监测。具体操作如下：

（1）精准开孔。钻孔开孔是钻孔防斜的一个关键环节，开孔质量直接影响到全孔偏斜率，开孔过程中要在立轴钻杆顶部设上稳定机构，将钻孔倾角偏斜误差控制在最小范围，待动力机运转正常后，开动钻机，平稳接合离合器，不得冲击，必须轻、匀、稳且要轻压慢转，钻进至孔深5m后方可正常钻进。

（2）采用合理的钻进参数。采用合理的钻进参数不仅能保持钻进的高效率，而且能有效地减少钻孔偏斜。钻进中要精心操作，根据钻杆转动情况和孔口反馈声音结合钻孔柱状图岩层情况，合理改变钻进速度和钻进压力应对岩层变化。“软变硬”时，降低钻压，待钻进0.5m后再恢复到该地层应使用的正常压力;当“硬变软”时，适当减小压力，降低转速。

（3）施工导孔增添扶正器。钻杆上加足量的扶正器，可以减少钻杆的晃动，能有效减少钻孔的偏斜。实践证明，扶正器有效缩短来了钻杆与孔壁之间的间隙，阻止了钻杆的弯曲，钻头可按钻孔设计角度和轨迹钻进。

（4）加密对孔斜的监测。每施工15m用测斜仪进行测斜，发现孔斜有超限趋势及时进行纠偏并加密测斜次数，从而使钻孔达到设计精度。测斜仪由专门的技术人员操作，并在使用前进行校验，以减少误差确保测量数据的准确无误。

（5）用反井钻头扩孔时，为防止出新孔，扩孔钻头上部均带有匹配导向头，导向尺寸与上一级扩孔钻头相匹配，避免在扩孔过程中出新孔。

6 塌孔处理

塌孔处理：在反井钻进中，钻进至破碎带、松软层岩石、岩层变化频繁孔段，易反生塌孔埋钻事故，由于原反向钻头底部没有钻进功能，只能利用反向钻头的平底的摩擦力缓缓正向钻进，费时费力，且易对钻头造成损伤。现直接将反向钻头底部加工成可以正反井钻进的复合钻头，反井钻进，正向顺孔，当出现向上返水，说明出现塌孔，我们可以直接正向顺孔，这样煤、岩粉就可以顺利排出，省时省力，操作简单。

7 结语

不仅可以为钻探行业提供相应技术基础，还可以带动钻探行业快速稳步前进。