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1、ICS 73. OlOCCS D 09NB中华人民共和国能源行业标准NB/T114702023采煤工作面瓦斯抽采顶板高位定向长钻孔技术规范TechnicalSpeciHcationforhighleveldirectionallongdrillinginroofforgasextractionincoalminingface2023-12-28发布20W28实施国家能源局发布-XX-X-刖三本文件按照GB/T1.1-2020标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则的规则起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由煤矿瓦斯治理国家工程研究中心
2、提出。本文件由能源行业煤矿瓦斯治理与利用标准化技术委员会(NEA/TC27)归口。本文件主要起草单位：淮北矿业股份有限公司、安徽理工大学、江苏财发铝业股份有限公司、平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司、华能煤炭技术研究有限公司、安徽煤矿安全监察局统计中心、新疆大学、徐州工程学院。本文件主要起草人：朱世奎、蔡峰、曹佩永、周二元、于鹏、王庆永、王操、李健、车路、刘振、吴志坚、徐爱国、孙福龙、李朝、肖富刚、毕异、吴友、王圣程、李海鉴、苏善杰。采煤工作面瓦斯抽采顶板高位定向长钻孔技术规范1范围本文件规定了煤层顶板高位定向长钻孔瓦斯抽采技术的术语和定义、钻孔轨迹与结构、钻孔设计要求、成孔技术、大曲率定
3、向钻进主动防塌工艺、复杂顶板局部孔段扩孔防堵工艺、长钻孔筛管完孔工艺和安全技术措施。本文件适应于采煤工作面瓦斯抽采顶板高位定向长钻孔施工相关作业。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注H期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB50471煤矿瓦斯抽采工程设计标准3术语和定义下列术语和文件适用于本文件。1.1.1 1顶板高位定向长钻孔high-leveldirectionallongdrillingincoalseamroof布置在采煤工作面采空区上方裂隙带内、长度一般超过2
4、0Onl的钻孔。4钻孔轨迹与结构4.1 钻孔轨迹1.1.2 1.1钻孔设计轨迹空间位置应位于预定的煤层顶板裂隙带中。1.1.3 钻孔轨迹曲率应小于使用的螺杆马达及钻具的转弯能力。1.1.4 钻孔设计深度应在现有装备的施工能力范围之内.1.1.5 钻孔开孔方位间隔应大于6。1.1.6 在钻孔设计过程中，钻孔轨迹在空间上不应和工作面进风巷、回风巷和高抽巷相交（即：平面上和剖面上同时相交）。4.2孔身结构4.2.1 顶板高位定向钻孔结构由套管孔段、穿层孔段和定向目标层孔段组成，如图1所示。标引序号说明：1一套管孔段；2穿层孔段：3目标层孔段。图1采煤工作面瓦斯抽采顶板高位定向长钻孔结构示意图4.2.
5、2 套管孔段：孔段直径设计为625Omm,套管规格设计为。20Omm,下入深度约9m。4.2.3 穿层孔段先导孔采用复合定向钻进工艺进行施工，钻孔直径为96mm或120mm,然后采用扩孔技术将钻孔孔径增大至153mm以上。当穿层孔段局部易坍塌缩径时，也可提前对该孔段进行扩孔施工，以提高钻孔排渣和钻具通过能力。4.2.4 目标层孔段先导孔采用复合定向钻进工艺进行施工，钻孔直径为96mm或120mm,然后采用双动力复合扩孔工艺将钻孔孔径增大至153mm以上。5钻孔设计要求5.1 钻孔空间布置要求5. 1.1钻孔的空间布置与层位关系应符合GB50471的相关规定。6. 1.2根据现场施工情况，结合定
6、向钻进技术特点，将高位定向钻孔布置在工作面投影范围内，距回风巷内帮15n65m的煤层顶板中的离层裂隙区。7. 1.3设计多个顶板高位定向钻孔组成集束型钻孔群时，先确定中间钻孔的开孔方位，再根据钻孔间距合理设计两边钻孔的开孔方位及方位变化规律，保证钻孔水平目标层孔段间距控制在顶板离层区内.所有钻孔的主设计方位和水平目标层孔段方位均应与工作面巷道走向平行。5.2套管孔段开孔设计要求5.2 .1由于顶板大直径高位定向钻孔宜为上仰孔，套管孔段设计时宜：a）钻机稳固，钻孔开孔倾角设计应在定向钻机机身调角范围内；b）穿层孔段的施工，由于定向孔最后将以与地层平行的角度进行延伸，需要将钻孔倾角由开孔时的大角度
7、上仰角度转变为与地层视倾角相同的倾角进行钻进，而钻孔造斜需要一定的距离，应合理设计倾角，以缩短该孔段距离；c）钻孔倾角越大，越容易从钻孔向外掉钻，影响孔口安全，增加钻机负荷，且由于巷道空间有限，不利用施工操作；d）钻孔倾角太小，进入顶板和顶板裂隙带太慢，且在煤岩交界处易发生塌孔埋钻事故；e）综合以上考虑，设计钻孔开孔倾角为1020。5.2.2顶板高位定向钻孔采用水泥注浆封孔，封孔长度不少于9m。5. 3穿层孔段设计要求5.1.1 穿层孔段设计时应充分考虑地层起伏状况、使用的螺杆马达造斜能力、定向钻杆弯曲强度和后期扩孔钻进效率及安全性，合理设计倾角和方位角造斜强度。5.1.2 套管孔段在施工完成
8、时，需下入螺杆马达定向钻进机具尽快调整钻孔倾角至与目标层位平行,且位于目标层位中。5.4目标层孔段设计要求5.4. 1高位定向钻孔进入目标层后，应尽量在目标层内延伸。5.4.2 剖面上，目标层孔段设计时应以地层倾角及起伏状况为依据，使钻孔设计倾角与地层相一致,尽量沿着目标层位钻进。5.4.3 平面上，目标层孔段长度设计时计算依据为钻孔设计总长度一套管孔段长度-穿层孔段长度。下入PVC封孔管TP达到设计深度A注水泥浆固管1HyiWA坟提钻封孔，安装流量计，工同管c格作面回采时抽采瓦斯图2施工工艺流程6顶板高位定向钻孔成孔技术6.1工艺流程6.1.1工艺流程如图2。6.1.2钻进时先施工孔口套管段
9、，然后施工120mm先导孔，最后将钻孔扩孔至153mm以上。6.1.3套管段施工时，先采用小直径钻具大角度开孔并钻进至设计深度，然后采用扩孔技术扩孔至孔底，提钻后下入孔口套管。6.1.4先导孔施工采用随钻测量装置配合复合定向钻进技术进行施工，孔径12Omm,施工深度达到设计后提钻。6.1.5先导孔施工完成后，使用高韧性高强度扩孔专用钻杆配套组合塔式扩孔钻头进行扩孔，扩孔至孔底后提钻封孔。6.2套管孔段施工和封孔6.2.1 施工6.2.1.1先采用120mm定向钻头开孔保直钻进至设计深度，然后采用12Omm/153mm和153mm250mm组合式螺旋刀翼型PDC扩孔钻头将钻孔孔径扩大至250mm
10、。6.2.1.2扩孔完成后采用冲孔提钻，以保证孔内清洁，利于孔口管下入。6.2.1.3扩孔钻进时不需要下入随钻测量系统和螺杆马达，可配套常规外平钻杆、整体式宽翼片螺旋钻杆、高韧性高强度扩孔专用钻杆等进行施工。6.2.2封孔1.1.1.1 2.2.1套管孔段钻进完成后，采用巾20Omm以上矿用PVC封孔管封孔和水泥封孔。1.1.1.2 封孔管下入深度不少于9m。1.1.1.3 封孔过程中，先将孔口管底端用石膏堵死，再下入封孔管到孔底，在孔口的孔口管与孔壁的环状间隙之间充填石膏，将孔口管对中并在间隙上、下位置分别插入排气管和注浆管，并密封好环状间隙，待石膏凝固后开始注浆作业，当排气管中有水泥浆流出
11、时停止注浆，候凝8小时，封孔原理见图3,之后可进行孔口装置的连接和定向钻孔施工。标引序号说明:1石膏：2一孔口管:3一排气管:4注浆管。图3套管孔段封孔示意图6. 3先导孔钻进7. 3.1采用矿用有线随钻测量装置进行。120mm先导孔定向钻进时，钻具组合为：120mm定向钻头+89mm螺杆马达+马达与下无磁间间变径接手+D89mmR无磁+下无磁与探管间无磁接手+89mm探管外管(内部安装有线随钻测量装置探管)+D89mm上无磁+D89mm中心通缆式钻杆+O89mm中心通缆式钻杆+89mm普通水便。6.3.2采用矿用泥浆脉冲随钻测量装置进行120mm先导孔定向钻进时，钻具组合为：12Omm定向钻
12、头+d89mm螺杆马达+马达与下无磁间间变径接手+D89mm下无磁+D89mm流量开关定位接手+089mm探管外管(内部安装有矿用泥浆脉冲随钻测量装置探管)+089mm泥浆脉冲发生器+D89mm过滤钻杆+钢变径十89mm整体式宽翼片螺旋钻杆+D89mm整体式宽翼片螺旋钻杆+D89mm普通水便。6.3.3先导孔钻进工艺6.3.3.1采用复合定向钻进工艺，即传统的滑动定向钻进与螺杆马达和钻机回转双动力复合钻进工艺相结合的钻进工艺方法，其工艺选择流程如图4所示。6.3.3.2复合定向钻进工艺的关键是对钻孔轨迹的人工控制，其核心是钻孔施工过程中对滑动定向钻进工艺与复合定向钻进工艺之间转换时机的把握。6
13、.3.3.3复合定向钻进过程中，孔内钻杆柱“有滑有转”，其轨迹控制的关键是对滑动给进造斜与回转给进稳斜两种定向模式之间转换时机的分析、把握；同时，应基于实钻轨迹与设计轨迹符合程度的分析，对二者之间的偏离变化趋势做出判断、变化量大小做出预估，进而确定定向模式。6.3.3.4在执行造斜定向模式时，依据轨迹调整需要，通过调整螺杆钻具工具面向角实现钻孔轨迹弯曲方向的人为控制，其控制原理与连续滑动定向钻进工艺轨迹控制原理相同。63.3.5在执行稳斜定向模式时，应采用合理的钻具回转速度、给进压力钻进。6.3.3.6在稳斜定向模式下，钻孔轨迹方位角和倾角将在地层条件、钻进工艺参数等因素影响下自然变化。图4复
14、合定向钻进技术钻进工艺流程图6.4定向钻孔大直径扩孔6. 4.1扩孔钻进时下入随钻测量装置，从小120mm扩孔至153mm时钻具组合为：120mm导向头+120mm153mm扩孔钻头+钢变径+089mm高韧性高强度扩孔专用钻杆+D89mm高韧性高强度扩孔专用钻杆+89mm普通水便。6.4.2大直径扩孔时宜采用回转扩孔工艺，扩孔钻进过程中时应符合以下技术要求：(a)应选用胎体式扩孔钻头，且扩孔钻头应设置导向器；(b)应控制好扩孔速度和回转扭矩，并提高扩孔用钻杆强度和变形能力，确保扩孔时钻具安全：尤其是连续造斜孔段，避免造成钻孔事故。(C)煤层段及不稳定地层段扩孔时，应控制好钻进压力，避免开出分支
15、孔；当孔内发生塌孔而无法扩孔时，需提钻下入随钻测量定向钻具，对钻孔轨迹进行复测，并尝试找到旧孔。(d)扩孔钻进时，应提高冲洗液流量，以及时清除孔内钻屑，避免卡埋钻事故发生：必要时.,可以利用钻杆回转搅动，提高钻屑清理效果7大曲率定向钻进主动防塌工艺7. 1应用条件：当局部孔段地层不稳定或易缩径时，可以采用大角度穿越技术进行施工。7.2工艺方法：选择1.75。大弯角螺杆马达，满足大曲率轨迹控制需要，以增大钻孔与不稳定地层的夹角，使钻孔快速穿过不稳定地层，减少在不稳定地层中的距离，并优化孔壁受力；然后采用大弯角螺杆马达迅速调整钻孔倾角至与地层平行。8复杂顶板局部孔段扩孔防堵工艺8. 1一般规定8.
16、1.1 复杂顶板局部孔段扩孔防堵工艺可分为随钻扩孔工艺和预先扩孔工艺。8.1.2 当泥岩缩径或地层破碎带塌孔严重导致钻孔环空通道堵塞、返水不畅，造成无法顺利实施定向钻进时，可采用局部孔段扩孔防堵工艺将钻孔通道恢复或扩大，使塌孔碎屑能顺利通过，缩径后的钻孔依然能满足钻具通过需要。8.1.3 2随钻扩孔技术8.2.1 定向钻进过程中，在定向钻具后连接一个或多个随钻扩孔器，如图5所示。8.2.2 当发现钻孔内存在泥岩缩径或孔壁坍塌时，利用钻机回转孔内钻具，随钻扩孔器及时破碎和清理坍塌的孔壁岩块、扩大泥岩缩径处孔壁直径，确保孔壁光滑、孔内清洁，提高孔内钻具安全性。标引序号说明：1 一钻杆2扩孔器3无磁
17、钻具4一螺杆钻具5一定向钻头图5随钻扩孔钻具组合图8. 3预先扩孔工艺8.3. 1一般规定8.3.1.1预先扩孔工艺也称为双动力复合扩孔工艺。8.3.1.2本工艺用于克服因钻杆与孔径级配过大造成钻杆局部集中应力增加，导致的钻杆过早地疲劳断裂。8.3.2钻进与扩孔工艺8.3.2.1 在扩孔钻头之后添加一个螺杆马达。8.3.2.2在钻机回转钻杆扩孔的同时泥浆驱动螺杆马达带动钻头扩孔，其将钻机回转动力与螺杆马达驱动动力结合，降低钻机回转钻杆速度和钻进参数，提高扩孔速度、扩孔深度。8.3.2.3孔底螺杆马达宜选用直螺杆马达。8. 3.2.4当先导孔采用全孔滑动定向钻进、钻孔轨迹变化大或扩孔钻进参数过大
18、时，可考虑选用带扶正功能的弯螺杆马达进行复合定向扩孔，且应注意：(a)在先导孔滑动定向孔段，将螺杆马达工具面调整至与先导孔相近进行滑动扩孔钻进；(b)在先导孔复合钻进孔段，采用复合扩孔施工，从而确保孔内钻具安全；(C)与螺杆马达配套的扩孔钻头可选择回转扩孔用钻头；(d)钻杆在强度和韧性满足需要情况下，提高钻杆内径，以减少泥浆泵泵压，确保螺杆马达高效率工作；(e)制定合理的钻进工艺参数，确保安全高效施工。9长钻孔筛管完孔工艺8.1 裸孔下筛管工艺8.1.1 在地层条件较好时，钻孔成孔后可维持较长时间稳定状态，钻孔通道畅通，通过钻机加持钢筛管，采用类似下钻的方式向钻孔内下入筛管护孔，能够有效提高裸
19、孔内下入筛管深度。8.1.2 通过采用与筛管直径匹配的钻机卡瓦，利用钻机加持筛管送入孔内，直至筛管在孔内送不动为止O8.2 钻杆内下筛管工艺9. 2.1钻孔作业完成后，起钻并向孔内下入可开闭式钻头和大通径钻杆。9.2.2下钻过程采用回转扫孔的方式以清除孔内碎块，下钻到位后，再从钻杆内通孔下入PVC筛管及配套筛管头。9.2.3下入至钻头部位时筛管头顶开开闭式钻头伸出钻杆外并悬挂在孔壁上，之后起钻将PVC筛管及配套筛管头留在钻孔内。10安全技术措施10.1 操作人员应熟知防喷装置性能，严格按照操作规程操作。10.2 钻机施工前，必须安设甲烷传感器。安设位置位于钻机下风侧5Iom处，其报警甲烷浓度20.8%、断电甲烷浓度21.5%,断电范围为打钻地点20m范围及其回风系统内的全部非本质安全型电气设备，保证断电灵敏可靠。10.3 应全面系统的掌握煤层地质资料，结合煤层倾角和走向设计钻孔方位角和倾角，宜选择顶板较稳定地段开启施工作业。10.4 采用空气钻进时，应根据煤矿安全规程制定严格的防火和灭火措施。在施工过程中，需要时刻注意孔口的返风情况，预防无风返出孔口时钻头干钻和钻杆与煤屑的干摩擦造成钻头或钻杆温度过高，发生烧钻（钻头或钻具）。10.5 钻孔位置一定范围内应按要求布置甲烷和一氧化碳传感器。
