水平定向井轨迹设计元初版

1、煤矿井下水平定向钻孔轨迹设计摘要：钻孔轨迹设计是指导定向钻孔关键因素。本文根据定向钻孔的设计原则，如何利用仅有的地质资料，选取计算模型，设计合理钻孔参数，并在实钻过程中优化设计参数，使实钻轨迹精确控制至靶点。关键词：钻孔主设计方位角；磁偏角；钻孔轨迹 Design of Horizontal Directional Drilling Trajectory in Underground Coalmine/LI qiao-qiao，ZHANG jie,，ZHANG yu-bi(Xian Branch of china coal technology & Engineering Group

2、Corp,XIan shanxi ,710077,China)Abstract: Drilling trajectory design is the key factor in guiding directional drilling. According to the design principles of directional drilling, how to use the only geological data, select model, designed drilling parameters, and in the actual drilling process to op

3、timize the design parameters, the actual drilling trajectory to the target for precise control.Key word: Azimuth of the main design of drilling；Magnetic declination；Borehole trajectory为了满足煤矿接续安全生产需要，越来越多的大型煤矿重视施工近水平定向钻孔，实现对工作面瓦斯进行区域抽采。而在煤矿井下安全指导定向钻孔高效的施工中，主要分析设计钻孔轨迹参数与实钻轨迹数据在平面投影图和垂直剖面投影图来控制钻孔轨迹，进而指

4、导定向钻施工，因此如何依据地质资料合理设计钻孔轨迹，优化钻孔轨迹参数，对定向钻孔的施工具有重要指导意义。1 定向孔设计原则煤矿井下水平定向井设计基本原则是在保证解决煤矿瓦斯抽采的前提下，有利于安全、经济、优质、高效完成定向孔施工。1.1 定向孔设计类型确定满足定向孔目的和用二维平面投影图及剖面投影图选择合适的定向孔类型。根据煤矿安全需求和定向钻孔的目的，合理布置钻场钻孔个数，孔深，根据现场工作面地质条件，确定直线、直线曲线直线等定向孔类型。1.2钻孔轴线设计顺序选择单条定向孔轴线合理设计顺序从定向孔靶点与开孔点两端确定，根据合适的造斜强度，设计曲线段孔身。多孔底多分支钻孔设计顺序当选用“从下往

5、上”顺序施工，依据开孔方位，造斜点，确定定向孔钻孔轴线。1.3 躲避事故地层为达到最佳瓦斯抽放效果，需尽可能将设计钻孔在煤层中延伸，依据煤层的走向、倾向等自然弯曲规律，避免设计轨迹经过断层、褶皱等地质构造区域。1.4开孔倾角和方位角确定根据钻场尺寸和定向孔个数，避免串孔等事故，合理选择开孔方位角、倾角、孔间距等。1.5造斜强度选择定向孔造斜孔段应均匀造斜，避免急弯，根据钻杆的抗弯强度及最小允许弯曲半径，选择合适的设计造斜强度。2 钻孔轨迹设计为了更直观、更形象地反映钻孔轨迹的变化规律，用水平投影，垂直投影二维图来描述钻孔空间位置。钻孔轴线空间位置的确定一般是通过实际钻孔测点的孔深、倾角、方位角

6、经计算求得其坐标值，或根据钻孔测点的孔深、倾角、方位角绘制钻孔轴线垂直剖面展开图和水平投影图。目前，确定钻孔轴线任一点的坐标或者相对于孔口位置，一般是把该点以上的钻孔轴线分成若干小段，求出各测段的垂直深度和水平位移，然后再叠加起来，得出该点相对于孔口的累计垂直深度和水平位移（该点绝对坐标可根据已知的孔口坐标求出）。因此，钻孔的每一小测段是进行计算的基本单元。假设水平定向钻孔轴线上的计算基本单元孔段为直线，长度等于相邻两测点之间钻孔轴线长度。但是该直线的倾角和方位角分别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，其与实际轨迹近似的程度取决于测点的密集程度。表征钻孔轴线空间形态有

7、孔深（）、倾角（）和方位角（）三个主要参数。表征钻孔轨迹空间位置的点、线、面和角之间的关系以及钻孔轨迹计算方法如下：图2-1 钻孔轨迹空间位置关系及计算方法式中：，Mi，Mi-1的倾角，°；，Mi，Mi-1的方位角，°；主设计方位角，°；钻孔两测点之间距离，m。2.1 钻孔主设计方位角确定钻孔主设计方位角根据矿区地质图与巷道掘进方向等确定，便于左右偏差及垂深的计算，一般设定煤矿井下定向钻孔的主延伸方向为钻孔主设计方位角，从而确定钻孔轨迹的空间位置。2.2 钻场设计坐标系的确定在过开孔点的水平面内，以开孔点为原点，X轴正向指向钻孔主设计方位，顺时针旋转90°

8、;为Y轴正方向，Z轴正方向垂直指向上，即符合左手螺旋法则。钻孔设计坐标系内，定向钻孔轴线上任一测点在Z轴上投影所得到的长度称为上下偏差，用“z”表示“+为上偏”“”为下偏。定向钻孔轴线上任一测点向水平面上投影后再向Y轴投影所得到的长度称为左右偏差，用“y”表示，“+”为右偏，“”为左偏。定向钻孔轴线上任一测点向水平面上投影后再向X轴上投影所得到的长度称为水平位移，用“x”表示。2.3 主孔轨迹设计煤矿井下水平定向钻孔轨迹设计可近似为曲线与直线的组合，以“直线曲线直线”的形式为主。根据掌握的地质资料，井下水平定向钻孔轨迹设计方法各有优选。直线曲线直线型钻孔轴线系指从孔口施工一段直线孔后，再以一定

9、曲率半径弯曲增斜，最后以一段直线孔稳斜至目标点的钻孔。设计步骤如下： 2.3.1 钻孔孔间距确定对突出煤层来说，有效抽放半径是指钻孔抽放一定时间后能消除突出的范围，这个范围用以钻孔为中心的半径来表示。因此，在一定抽放条件下，有效抽放半径由预抽瓦斯有效性指标和预抽时间决定。目前应用钻孔瓦斯抽放影响半径的测试方法主要有钻孔测试法、计算机模拟法及二者相结合的方法。实际上，在一定抽放条件下，可以通过理论分析有效抽放半径和预抽时间的函数关系，再结合少量实测资料能较准确地确定有效抽放半径。在一般的假设条件下，根据达西定律和质量守恒定律，可推导出预抽钻孔周围瓦斯流动方程为：式中 空隙率，%；、瓦斯吸附常数；

10、煤的水份和灰份校正系数；瓦斯压力平方，MPa2；离预抽钻孔距离，m；煤层透气性系数，m2/MPa2·d。定解条件为：式中： 煤层原始瓦斯压力，MPa； 抽放时孔口瓦斯压力，MPa；，钻孔半径，m。由于上述方程是非线性偏微分方程，无解析解。因此，可以通过数值模拟的方法求出在给定条件下的钻孔周围瓦斯压力随预抽时间增加的变化，从而确定在假定条件下的有效抽放半径。从上面公式推出，确定抽放半径需实际钻孔试验和预抽时间确定，抽放半径随预抽时间变化很大，而在实际的钻孔设计中，也可根据各个煤矿煤层赋存条件及抽放经验，确定定向钻孔抽采半径。2.3.2 定向孔方位角设计以真北方位角0°为始边，

11、顺时针旋转至钻孔轴线方位为钻孔真方位角，而目前探管测量实钻轨迹方位角为磁方位角，真方位与磁方位角之间有一差值为磁偏角。测量探管测出方位角需进行校正，换算成真方位角参与计算。真方位角与磁方位角之间换算关系为：磁方位角=真方位角磁偏角 （西磁为负，东磁为正）为了便于指导定向钻进施工，一般将钻孔轴线终孔方位角与钻孔主设计方位角设定一致，方位角设计包括以下几点：（1）根据矿上瓦斯抽采区域和抽放半径，确定钻孔群中各个钻孔靶区，从而确定每个钻孔轴线左右偏差。（2）根据钻场大小和钻场布孔个数，为避免串孔，选取适当开孔孔间距和开孔方位角。（3）根据方位角增量，选取合适造斜强度与钻孔曲线段长度。（4）根据曲率，

12、确定造斜点，稳斜点，利用插值计算法，计算出弧线段每个测点方位角。2.3.3 定向孔倾角设计 为了体现定向钻孔优势及更高效的瓦斯抽采，保证安全，高效的定向钻孔施工， 定向孔轨迹应尽可能在稳定煤层中施工，避免断层，破碎带等复杂地层，所以倾角是定向孔设计的重点。根据矿上钻场工作面地质资料情况分为以下两种情况：（1）工作面煤层顶底板标高已知若矿方已在预定实施定向钻进的工作面开掘出运输顺槽和回风顺槽，根据运输顺槽和回风顺槽底板标高，和掘进巷道时地质构造情况，运用三角函数关系计算出各钻孔测点标高，依据各个测点的标高，推算出钻孔轨迹各孔段的倾角，完成定向钻孔轨迹剖面设计。（2）工作面地质资料不充分工作面没有

13、开掘出运输顺槽和回风顺槽，工作面的煤层顶底板标高不清楚，特别是在地质构造变化较大的区段，按下述方法设计： 根据井田平面图上定向钻孔与煤层的等高线交点的标高，结合定向钻孔的方位角与煤层走向的关系，确定定向钻孔各个区段的倾角，据此初步做出定向钻孔剖面轨迹设计； 根据主孔设计轨迹，在适当孔段（隔50m-80m）设计探顶分支点，根据实钻施工过程中探测煤层顶板获得顶板标高资料，确定煤层倾向相关参数，进而优化相邻定向钻孔的倾角设计参数。2.3.4 分支孔轨迹设计根据煤矿瓦斯抽采区域与布孔形式，选择合适的分支孔类型， 根据分支孔施工方法分为“后退式”、“前进式”两种。当选用“后退式”的顺序施工多分支钻孔时，

14、分支孔应从深往浅顺序设计；当选用“前进式”顺序施工多分支钻孔时，分支孔应从浅往深顺序设计。3 设计实例分析汾西矿业公司双柳煤矿305工作面位于三采区前进方向的南翼，东面的303工作面正在回采，西面的307工作面尚未掘成巷道，该区域煤层为3、4#煤，厚度为3.75m，倾角为010°，煤层结构简单，以305工作面钻孔群设计为例：图3-1 双柳煤矿305工作面定向孔设计平面图3.1 钻孔孔间距确定瓦斯抽放半径需通过实际钻孔试验及较长预抽时间，在此先初步结合矿上瓦斯抽放经验、孔数及钻孔靶区，确定孔间距。305工作面宽200m，为达到1#钻场施工定向钻孔覆盖整个工作面，实现305工作面瓦斯预抽

15、，确定煤矿瓦斯抽放半径为10m，可根据各煤层透气率而适当调整。3.2 设计主方位角确定 为便于指导定向钻孔施工，将巷道延伸方向设定为钻孔主设计方位角，确定钻孔设计坐标系，根据孔间距依次求出各个钻孔靶区距X轴的左右偏差。3.3方位角设计根据303工作面运巷和钻场位置。为方便参与计算，将终孔方位角与钻孔主设计方位角设定为一致，确定305工作面钻孔群终孔方位角，1#钻场宽为4.5米，孔间距10m，为了达到较好的瓦斯抽放效果和避免施工中出现串孔，钻孔开孔孔间距为0.8米均匀分布，确定 1#钻孔开孔方位角，逆时针依次递减确定各主孔开孔方位角，再确定曲线段方位角，直线曲线直线型钻孔轨迹设计步骤如下： 图3

16、-2 方位角设计示意图图3-2中：0为真北方位角；1开孔方位角；2终孔方位角；3主设计方位角；为方位角增量；L为左右偏差。（1） 煤矿开拓图上确定真北方位角0，根据巷道走向及现场条件，确定设计主方位角3。（2） 根据煤矿抽放要求及孔间距，在煤层开拓图上确定定向钻孔靶区及左右偏差L。（3） 依据73mm通缆钻杆全弯曲强度i<0.33°/m，确定分支点B与稳斜点C。为避免孔内事故，钻孔主孔轴线需尽可能平滑，避免急转弯曲线，造斜曲线段方位角弯曲强度i一般选取0.083°/m（0.5°/6m）。3.4 倾角设计根据煤层平面图3-3，找出钻孔轴线与305工作面煤层顶板等高线交点，确定开孔点O、A、B、C、D、E六个设计点煤层顶板标高，将钻孔轨迹分为5段，假设相邻两个设计点之间的煤层在垂直剖面上的投影为直线段，通过三角函数确定两个设计点之间煤层的顶板标高，并通过303工作面巷道煤层顶板标高描绘出沿钻孔轴线方向煤层垂直剖面图（如图3-4），将钻孔轨迹布置在预想煤层剖面中，从而确定钻孔每个测点的倾角。 图3-3 钻孔轨迹倾角设计示意图图3-4 钻孔设计预想剖面图3.5 分支孔设计 由于305工作面煤层倾向不详，在施工的过程中，需探测煤层顶板，根据探测出煤层的顶板标高等地