方 俊

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

煤矿井下近水平定向孔具有孔深长、轨迹控制精度高、一孔多用、可集中和超前进行地质勘查和灾害防治等优点，自2002 年随钻测量定向钻进技术引入我国煤矿井下以来，我国煤矿逐步建立了基于近水平定向孔的煤矿井下全域化瓦斯抽采体系、超前区域水害防治体系和隐蔽致灾因素精确探查体系等，取得了良好应用效果，对保障煤矿安全生产发挥了重要作用[1-2]。

煤矿井下近水平定向孔主要为多分支定向孔，如枝状定向孔、梳状定向孔、束状定向孔等，一般由主孔和分支孔组成[3]。分支孔对煤矿井下定向孔功能的发挥起到至关重要的作用，主要体现在：①矿井地质资料与煤层实际赋存情况无法完全一致，定向孔施工时需要重复采用“探顶-开分支-再探顶”工艺，先利用分支孔查明煤层赋存情况后，再利用侧钻分支技术将钻孔轨迹调整至煤层钻进，从而实现沿煤层长距离延伸[4-6]；②目标地层复杂破碎不适宜布置主孔时，可将主孔布置在稳定地层中，然后利用分支孔进入目标地层[7]；③单个定向孔覆盖范围有限，可利用分支孔提高钻孔覆盖面积，降低套管孔段的重复施工[8]；④利用定向孔进行地质异常体探查时，可先利用主孔探确定地质异常体是否存在，然后利用多个角度的分支孔获取地质异常体的详细三维信息，实现精准探查[9-10]。

在煤矿井下分支孔施工技术方面，石智军等[11]介绍了分支孔轨迹设计方法；许超[12]介绍了低速磨削分支法和高速反复磨削分支法原理，指出低速磨削分支技术更适合煤矿井下近水平定向孔施工；李泉新等[13]介绍了分支点预留方法、选取原则及侧钻成功判识标志；宋海涛[14]、孙利海[15]针对煤矿井下岩层侧钻困难问题，开发了侧钻分支钻具。

总的来说，目前煤矿井下分支孔相关研究主要侧重于分支孔设计与应用、侧钻分支工艺原理和特殊机具，对分支孔侧钻的力学机理、动态过程和过渡段稳定性较少涉及。为此，以煤矿井下普遍采用的无孔底低速磨削分支法为基础，对其侧钻分支机理进行了深入研究，对完善煤矿井下近水平定向孔施工技术具有重要价值。

1 无孔底低速磨削悬空侧钻分支原理

目前煤矿井下分支施工方法主要有无孔底低速磨削悬空侧钻分支法、无孔底高速反复磨削悬空侧钻分支法、基于辅助工具的人造孔底侧钻分支法。其中基于辅助工具的人造孔底侧钻分支法，需要来回起下钻以下入侧钻分支钻具，其施工工艺相对繁琐，且由于含煤地层普氏硬度系数一般≤8，不需要人造孔底即可实现开分支作业，因此应用较少。无孔底高速反复磨削悬空侧钻分支法主要适用于普氏硬度系数较低的煤层，且侧钻成功率无法保证，岩层中侧钻分支困难。相对而言，无孔底低速磨削悬空侧钻分支法适用地层范围广、成功率高、工艺流程简单，目前推广应用最为广泛。

无孔底低速磨削悬空侧钻分支法的技术原理是：将定向钻头放置在预留分支点处，把螺杆马达工具面向角调整至180°左右，开启泥浆泵向孔内提供高压冲洗液，驱动螺杆马达在孔底局部回转，并利用定向钻机缓慢平稳推进孔内定向钻具，利用螺杆马达的重力作用和弯外管结构，带动定向钻头对钻孔孔壁下沿进行持续磨削，使钻孔下沿先造出台阶，然后逐渐与主孔分离，最终形成独立的分支孔。

2 无孔底低速磨削悬空侧钻分支力学模型

定向钻孔无孔底悬空侧钻分支时，螺杆马达的工具面向角调整至180°左右，钻杆不回转，螺杆马达处于滑动钻进状态，假设钻具不震动，且不考虑钻头旋转切削力的反扭矩作用，可建立侧钻分支静力学模型。无孔底低速磨削悬空侧钻分支力学模型如图1。

图1 无孔底低速磨削悬空侧钻分支力学模型Fig.1 Mechanical model of low speed grinding and hang sidetracking branch without hole bottom

图中，定向钻头和上切点与孔壁下沿接触，螺杆马达弯点与孔壁上沿接触，定向钻具主要受钻具自重、孔底正压力、孔壁施加给定向钻头的侧向力、弯点处的支撑力和钻具摩擦阻力作用。根据受力平衡原理可知，弯点中心处的受力分析如下：

式中：θ 为钻孔倾角，（°）；Ω 为螺杆马达弯角，（°）；G 为钻具浮重，kN；p 为孔底钻头正压力，kN；T为孔壁施加给钻头的侧向力，kN；N 为弯点处孔壁支撑力，kN；F 为钻具摩擦阻力，kN；L1为钻具重心至弯点的距离，m；L2为钻头至弯点距离，m；d 为钻具直径，m。

由式（1）和式（2）可知：

侧向力是实现悬空侧钻开分支的力学前提，由式（4）～式（6）可知：钻孔倾角越小，侧向力越大；螺杆马达弯角越大，侧向力越大；L1和L2比值越大，侧向力越大。

3 无孔底低速磨削悬空侧钻分支动态过程

根据侧钻时分支孔与主孔孔壁连接状态不同，可将开分支过程分为初期、中期和末期。侧钻过程中，先在孔底形成台阶，然后逐步与原钻孔分离。

1）侧钻初期。侧钻初期主要在孔壁上形成稳定台阶。先对钻头施加一定的初始给进压力，钻头接触主孔孔壁，并以一定的初始加速度旋转冲击孔壁地层造成孔壁的不规则破碎形态，由于地层反力的影响，钻头在主孔内呈现“跳跃式”滑动，仅造成孔壁的表层破碎；随钻头侧钻切入孔壁深度的增加，钻头受到的地层反力越来越大，表现为滑动给进压力增大、滑动给进速度变平稳；当钻头侧钻深度达到一定值，钻头破岩产生的地层反力超过钻头滑动给进压力时，出现钻头无法前进现象，可适当增加给进压力；若给进压力超出一定限值时，钻头上的弯矩将超出台阶承受能力，从而把孔壁上形成的台阶剪切掉，并重新进入主孔之中。因此在侧钻初期，应严格控制钻压和侧钻速度，以较小的给进压力使钻头缓慢平滑的逐渐侧向切入地层，确保在主孔孔壁上产生稳定的台阶。地层越硬，侧钻初期距离越长。

2）侧钻中期。侧钻中期主要将稳定的台阶继续发展至使钻头没入地层。可适当增加钻压，确保钻头对孔壁的侧向切斜能力和切削速度，并提高钻具造斜能力。但钻压增加应在合理范围内，避免发生台阶被剪切的现象，使钻具重新进入主孔。

3）侧钻末期。侧钻末期主要将分支孔与主孔分离，形成独立的稳定分支孔。将分支孔开始与主孔分离到分支孔与主孔相对稳定孔段称为分支过渡段。分支孔初始形成时，由于分支孔与主孔距离非常近，随钻具的进一步前进，螺杆马达弯头与分支过渡段会形成接触，而给进压力在弯头处的接触分力会造成分支过渡段破碎，尤其是尖角处为破碎高危险区域，分支过渡段并未最终稳定；此时仍要保持分支孔与主孔脱离的方向继续侧钻，至分支孔与主孔之间的距离达到稳定厚度要求时，方可结束侧钻分支作业，开始根据需要进行钻孔轨迹调整。

4 分支过渡段孔壁稳定性

分支过渡段的稳定性是开分支成功与否和后期钻孔安全钻进的关键。由于侧钻分支作业，过渡段的原有地层应力产生扰动，且过渡段分支孔与原钻孔距离较近，地应力的重新分布会造成过渡段应力集中，在地应力、冲洗液冲刷、钻进扰动等影响下，极易导致孔壁局部或整体失稳坍塌，从而发生孔内事故或导致分支孔失效，严重制约钻孔的钻进安全和钻进效率，因此应确保过渡段的孔壁稳定。

假定钻孔沿最小水平主应力方向，建立分支过渡段孔壁稳定性分析数值模型，研究煤岩体破坏深度对分支过渡段稳定性的影响。

4.1 分支过渡段数值模型和失效判据

1）数值模型。将分支过渡段稳定性分析简化为平面应变问题，选择煤矿井下常用的1.25°螺杆马达、ϕ96 mm 定向钻孔，建立数值分析模型，划分网格单元2 049 个，节点2 160 个，考虑到模拟计算精度的需要，对局部单元进行加密处理。模型x 方向长度取12 m，y 方向长度取10 m，钻孔直径取96 mm，模型底部边界采用全约束，左右边界约束x 向位移，模型顶部施加等效的局部荷载。煤层力学参数为：①内摩擦角：20°；②黏聚力：1.25 MPa；③弹性模量：1.3 GPa；④抗拉强度：750 kPa；⑤泊松比：0.25；⑥密度：1 600 g/cm。过渡段数值模型如图2。

图2 分支过渡段数值模型Fig.2 Numerical model of branch transition section

2）分支过渡段失效判据。分支过渡段孔壁主要发生剪切破坏，当分支过渡段煤岩体所受应力超过其极限抗剪强度后，即发生剪切破坏。采用Mohr-Coulomb 准则来判断分支过渡段是否破坏，通过失效准则与接合处的应力状态对比研究分支过渡段的稳定性。

4.2 分支过渡段数值模拟

为了真实模拟开分支钻进过程，采用分步钻进模拟方式，首先进行初始地应力场平衡，然后进行主孔的钻进模拟，最后依次完成分支孔的钻进模拟。分支过渡段钻进过程模型如图3。图3（a）为模拟分支孔第1 步钻进，通过钻头的反复磨削，在主孔孔壁下缘形成台阶；随后沿着形成的台阶继续钻进形成分支孔，并逐渐延伸远离主孔，最终形成2 个独立的钻孔，如图3（b）。

图3 分支过渡段钻进过程模型Fig.3 Drilling process of branch transition section

分支过渡段位移云图如图4，分支过渡段最大主应力云图如图5。

图4 分支过渡段位移云图Fig.4 Displacement diagram of branch transition section

图5 分支过渡段最大主应力云图Fig.5 Maximum principal stress diagram of branch transition section

由图4 分支过渡段位移云图可以看出，在模拟分支孔钻进施工过程中，越远离分支孔孔底，过渡段尖角处的位移量越大，最大达到37 mm；越靠近孔底，过渡段竖向的位移量越小，当过渡段厚度超过30 cm 后，过渡段竖向位移值逐渐接近原岩状态。在主孔下沿台阶形成后，钻头在较小钻压作用下缓慢侧向切入煤岩层中，过渡段煤岩体失去支撑，在上下方向逐渐临空，在重力作用下产生竖向位移。随着分支孔在煤岩体中不断钻进，分支过渡段厚度逐渐增大，应力集中程度有所减弱，分支过渡段煤岩体位移逐步缩小。

由图5 分支过渡段应力云图可以看出，在侧钻开分支后，钻孔周围煤岩体进行应力重分布，在分支过渡段出现应力集中，应力集中程度越大，分支过渡段煤岩体破坏几率越大，过渡段煤岩体受自重应力的作用最大达410 kPa，此时分支过渡段厚度30 cm。随着分支孔的不断钻进，应力集中程度逐渐减弱，当下降到一定程度时，应力值趋于原岩应力状态，这时主孔与分支孔之间的相互影响非常微小。

随着主孔与分支孔间距逐渐增大，分支过渡段竖向位移量逐渐减小，应力集中程度逐渐减弱，主孔与分支孔的相互影响逐渐降低。当主孔与分支孔之间的间距超过30 cm 后，其过渡段竖向位移量和应力接近原岩状态，此时可认为分支过渡段孔壁煤岩体达到稳定状态。

4.3 分支过渡段钻进建议

为了减小分支过渡段孔壁失稳对钻孔开分支及正常钻进的影响，开分支时可适当选择弯头角度较大的螺杆马达以增大造斜率，提高其侧钻能力；通过优化钻具组合和钻进工艺，缩短过渡段长度，增大过渡段厚度；开出分支后应及时调整螺杆马达工具面向角，根据分支孔方位设计情况改用100°～130°或240°～260°工具面控制分支孔方位角，使分支孔轨迹向主孔两侧延伸，一方面避免分支孔轨迹急速下斜、穿出目标层，另一方面避免主孔与分支孔在垂直方向上过度重合、易坍塌，使分支孔快速偏离主孔，降低钻孔过渡段孔壁失稳的风险，保证钻孔安全高效钻进。

5 试验应用

5.1 成庄矿枝状煤层定向孔应用

成庄矿为高瓦斯矿井，定向钻进煤层主要为3#煤层，赋存于位于山西组下段上部，结构简单、沉积稳定，平均厚度6.44 m，普氏硬度系数2～4。

施工钻场位于四盘区43133 巷道迎头，施工钻孔类型为掩护巷道掘进的瓦斯预抽枝状煤层定向孔，包含1 个主孔和2 个主分支孔，利用主孔和主分支孔中侧钻的分支孔，全面覆盖待掘进的43133 巷道影响区，保障煤巷安全掘进。

现场施工共完成深度834 m 的主孔1 个，主分支孔10 个，成功开分支77 次，侧钻成功率100%，未发生分支孔坍塌等孔内安全问题，单孔总进尺达到9 822 m，经瓦斯预抽达标后，实现了单个定向钻孔掩护煤巷安全掘进。成庄矿枝状煤层定向钻孔实钻轨迹剖面图如图6。

图6 成庄矿枝状煤层定向钻孔实钻轨迹剖面图Fig.6 Actual drilling track of branch coal seam directional hole in Chengzhuang Mine

5.2 祁东矿底板梳状定向孔应用

祁东矿为煤与瓦斯突出矿井，近距离煤层群发育，首采煤层设计为71煤，平均厚度为1.9 m，普氏硬度系数为0.3～0.52，煤层结构复杂。71煤下部为72煤，平均间距为2.9 m。71煤与72煤之间为灰色-深灰色泥岩。

施工钻场位于94 采区61煤底板回风上山上部平巷，施工钻孔类型为71煤瓦斯预抽底板梳状定向孔，其主孔自71煤中开孔，先沿71煤底板延伸主孔，然后自主孔施工分支孔进入71煤，对71煤瓦斯进行区域预抽。

现场施工共完成底板梳状定向孔3 个，开分支13 次，侧钻成功率100%，未发生分支孔坍塌等孔内安全问题，总进尺达到1 663 m，成功控制定向钻孔主孔及分支孔在71煤与72煤之间延伸，为矿区71煤安全开采提供了技术保障。祁东矿71煤底板梳状定向孔实钻轨迹剖面图如图7。

图7 祁东矿71 煤底板梳状定向孔实钻轨迹剖面图Fig.7 Actual drilling track of comb floor directional hole in Qidong Mine

6 结 语

1）分支孔是煤矿井下近水平定向孔功能实现的关键，根据煤矿井下施工特点，开发了无孔底低速磨削悬空侧钻分支技术，介绍了其技术原理与优势，分析了其力学机理、动态过程和分支过渡段稳定性，以成庄矿和祁东矿为例，进行了煤层和岩层侧钻分支应用，单孔最大分支数量达到77 个，侧钻成功率100%，安全性100%。

2）侧向力是实现悬空侧钻开分支的力学前提，建立了无孔底低速磨削悬空侧钻分支静力学模型，给出了分支侧钻侧向力计算公式，得出钻孔倾角越小，侧向力越大；螺杆马达弯角越大，侧向力越大；钻具重心至弯点的距离与钻头至弯点距离比值越大，侧向力越大。

3）无孔底低速磨削悬空侧钻分支时先在孔底形成台阶，然后逐步与主孔分离，根据分支孔与主孔孔壁连接状态不同，可分为初期、中期和末期。侧钻初期，应严格控制钻压和侧钻速度，确保在主孔孔壁上产生稳定的台阶；侧钻中期可适当增加钻压，提高钻具造斜能力；侧钻末期，应保持分支孔与主孔脱离的方向继续侧钻，至分支过渡段厚度达到孔壁稳定性要求，方可结束侧钻分支作业。

4）建立了分支过渡段孔壁稳定性分析数值模型，分析结果表明煤层中当主孔与分支孔间距超过30 cm 后，分支过渡段孔壁煤岩体达到稳定状态，此时方可开始正常的钻孔轨迹调控作业。