1.煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術煤礦井下定向鉆進技術培訓系列課程內容1.定向鉆進技術簡介2.定向鉆進技術與裝備3.定向鉆進技術的應用4.研究與發展方向1.定向鉆進技術簡介（1）基本概念

近水平定向鉆進（HDD）技術是指利用鉆孔自然彎曲規律或采用專用工具使近水平鉆孔軌跡按設計要求延伸鉆進至預定目標的一種鉆探方法，即有目的地將鉆孔軸線由彎變直或由直變彎。目前煤礦井下近水平定向鉆進技術主要有穩定組合鉆具鉆進和孔底螺桿馬達鉆進2種工藝技術。

孔底螺桿馬達鉆進以螺桿馬達（高壓沖洗液作為傳遞動力介質）作為孔底動力鉆具，通過采用帶有不同形式造斜件（彎外管或彎接頭）的螺桿鉆具并配備隨鉆測斜儀器，就可進行滿足不同需要的定向鉆進施工。（2）與常規鉆進的區別和技術特點1.定向鉆進技術簡介與傳統的回轉鉆進不同，螺桿馬達帶動鉆頭旋轉破碎巖石時，整個鉆桿柱和螺桿鉆具的外殼（包括造斜件）不旋轉，所以造斜件彎曲的方向即是鉆孔將要彎曲的方向。

鉆孔深度有限鉆孔數量多勞動強度大施工周期長封孔質量差常規鉆進軌跡精確控制有效距離長多分支孔鉆進效率高一孔多用集中抽采定向鉆進（2）與常規鉆進的區別和技術特點1.定向鉆進技術簡介孔底螺桿馬達定向鉆進技術具有以下特點：a.鉆具結構較為復雜，價格昂貴，對操作人員的技術水平要求較高；b.對傾角、方位角控制調節能力強，可進行實時精確隨鉆測量，定向精度高、效果好，易于實現深孔以及多分支孔鉆進；c.受螺桿馬達及配套鉆桿結構和能力的制約，對沖洗液的凈化要求高，施工鉆孔直徑一般在96mm，不滿足施工大直徑鉆孔的需要；d.地層適應性較弱，抗孔內事故能力差，一般要求在硬而完整的煤層或穩定的巖層中施工。定向鉆進技術應用于煤礦井下起步于20世紀六七十年代美、德、英等西方發達國家，初期主要是移植在石油鉆井中成功應用的穩定組合鉆具。進入20世紀90年代以后，螺桿鉆具得到快速發展。美國用螺桿鉆具和定向鉆進監測儀器鉆成1432.56m

的瓦斯抽采孔。澳大利亞在煤質較硬的穩定煤層中采用螺桿鉆具、導向工具鉆進時，孔深可達1000m以上，并進行多個分支孔施工；在易發生坍塌、掉塊等事故的復雜地層使用普通回轉和螺桿鉆具相結合的鉆進方法，孔深也達到400~700m。2002年2月，澳大利亞VLD公司用螺桿鉆具完成了孔深1761m的煤礦井下水平定向孔。（3）煤礦井下定向鉆進技術發展歷程（國外發展）1.定向鉆進技術簡介

鑒于近水平定向鉆進技術在國外的成功應用，20世紀90年代中期，我國一些煤礦企業陸續從美國、澳大利亞進口9套千米定向鉆機，例如美國的LHD-15型鉆機、澳大利亞的LMC-75型和UDR系列鉆機，分別在松藻、鐵法、淮南、撫順、平頂山等礦務局試用。由于這些煤礦地質條件復雜，煤層松軟，進口鉆機配套鉆桿壁薄、強度有限，使用中經常發生鉆桿折斷、螺桿鉆具脫落等孔內事故，成孔率非常低。即使在國外專家指導下,最深鉆孔也只有470m，不足鉆機標定鉆進能力的一半。（3）煤礦井下定向鉆進技術發展歷程（國內引進）1.定向鉆進技術簡介

2003年，山西亞美大寧能源有限公司利用引進的VLD定向鉆機進行瓦斯抽采和探測煤層頂底板。在國外專家指導下，施工完成千米定向瓦斯抽采鉆孔1個，主孔深度1002m，終孔直徑94mm。晉城寺河礦自2005年開始，先后引進6套澳大利亞VLD1000型鉆機，用于瓦斯抽采鉆孔施工，并于2006年

完成主孔深1005m

的鉆孔1個，此外主要施工孔深在200~500m的沿煤層定向瓦斯抽采鉆孔。

2007年寧煤集團引進同型號的鉆機，在白箕溝礦半煤半巖地層也完成了孔深1023m的鉆孔，終孔直徑94mm。煤質較硬是這些應用實例取得成功的主要原因，雖然有些鉆孔達到或超過1000m，但斷鉆桿、掉鉆具的問題仍較突出。1.定向鉆進技術簡介（3）煤礦井下定向鉆進技術發展歷程（國內引進）我國煤礦井下近水平定向鉆進試驗研究始于20世紀90年代初。1993年煤科總院西安院在大同礦務局四臺礦施工勘探地質異常體的近水平鉆孔，采用以孔底穩定組合鉆具為主，局部孔段使用國產的螺桿鉆具糾斜鉆進的方法，使孔深達到了302.5m。由于受當時國內螺桿馬達、測斜儀器等制造技術落后的限制，西安院暫時放棄了用孔底螺桿馬達實施定向鉆進的技術途徑。在接下來的近10年，倡導并積極推進以穩定組合鉆具為核心技術的煤礦井下定向鉆進技術的發展，并取得了很好的效果，分別于1999年、2000年和2002年完成603m、721m和865m的煤礦井下近水平定向鉆孔，創造了當時國內之最。（3）煤礦井下定向鉆進技術發展歷程（國內發展）1.定向鉆進技術簡介從2005年起，煤科總院西安院以國家重大科技支撐計劃項目為依托，對孔底螺桿馬達定向鉆進技術與配套機具進行研究開發，研制成功了適合我國礦井地質條件的千米定向鉆機，Ф73mm高強度大通孔通信鉆桿和新型隨鉆測量系統。

2007年12月在陜西彬長礦區大佛寺礦現場試驗中主孔終孔深811.8m；2008年4月在淄博礦業亭南礦鉆進主孔2個，終孔直徑94mm，最大孔深超過1000m。1.定向鉆進技術簡介（3）煤礦井下定向鉆進技術發展歷程（國內發展）煤礦井下近水平定向鉆進技術自2008年試驗成功以來，已在國內30多個礦井進行推廣應用，在硬煤層鉆進中最大主孔孔深1212m，最大分支孔孔深915m，累計施工鉆孔進尺達數百萬米。從此之后，中煤科工集團重慶研究院、沈陽北方交通重工集團先后進行研究并生產出同類產品。1.定向鉆進技術簡介（3）煤礦井下定向鉆進技術發展歷程（國內發展）（4）適用條件和應用范圍a)煤層條件煤礦井下定向鉆進技術適用于普氏系數f≥1

的較完整煤層，避免在煤層破碎帶或煤層陷落柱區域內布置定向鉆孔。b)巖層條件煤礦井下定向鉆進技術適用于普氏系數f≤6

的巖層，避免在裂隙發育帶或炭質泥巖、鋁質泥巖等遇水膨脹性巖層內布置定向鉆孔。1.定向鉆進技術簡介（4）適用條件和應用范圍1.定向鉆進技術簡介

煤礦井下近水平隨鉆測量定向鉆進技術通過對傾角和方位角的實時調節實現對鉆孔軌跡的精確控制，保證鉆孔軌跡在目的層中有效延伸，并可進行多分支孔施工，具有鉆進效率高、一孔多用、集中抽采等優點，現已成為國內外瓦斯高效抽采的主要技術途徑，并應用于地質構造探測和探放水等領域。（5）國內外產品性能比較1.定向鉆進技術簡介西安研究院ZDY6000LD定向鉆機6000LD(B)定向鉆機4000LD(A)定向鉆機重慶院ZYWL-6000定向鉆機北方交通ZDY3500L定向鉆機VLD1000定向鉆機IDS1000定向鉆機（5）國內外產品性能比較1.定向鉆進技術簡介主要性能參數ZDY6000LDZDY6000LD(F)ZYWL-6000ZDY3500LVLD1000IDS1000鉆機最大扭矩/N·m6000/30006000/300060003048/228630003750/1720最大給進/起拔力

/N180/180180/180160/160160/160160/160150/150給進行程/mm100010001000150015001800電機功率/KW759090909090外形尺寸（長×寬×高）/mm3380×1450×18003230×1360×18603830×2100×19503970×2360×19353742×2100×16664310×2010×1885鉆機質量/kg70005930/35001250014000850011000通纜鉆桿直徑/mm73/8973/8973707070長度/mm3000/15003000/15003000300030003000強度抗拉/KN≥950≥950----抗扭/N·m≥6000≥6000----測斜儀精度傾角/°±0.2±0.2±0.2±0.1±0.1±0.1方位角/°±1.5±1.5±1.5±0.5±0.5±0.5工具面/°±1.5±1.5±1.5±0.5±0.5±0.5終孔直徑/mm969696969696（5）國內外產品性能比較1.定向鉆進技術簡介中煤科工集團西安研究院有限公司作為國內第一家研制煤礦井下定向鉆進技術與裝備的企業，目前已形成以ZDY120000LD、

ZDY6000LD、ZDY6000LD(F)、ZDY6000LD(A)、ZDY4000LD

等為代表的一系列定向鉆機和配套產品，能夠充分滿足用戶各種不同的施工需要。2.定向鉆進技術與裝備

千米定向鉆機隨鉆測量儀器專用定向鉆具配套鉆進工藝系統組成（1）定向鉆進系統組成與工藝原理2.定向鉆進技術與裝備（1）定向鉆進系統組成與工藝原理

泥漿泵提供的高壓水通過送水器、中心通纜鉆桿進入孔底馬達內驅動馬達旋轉，從而帶動鉆頭旋轉切削煤巖層。鉆進過程中整個鉆桿柱不旋轉，僅孔底馬達帶動鉆頭回轉碎巖鉆進。

而鉆孔軌跡控制主要通過改變孔底馬達彎角的方向(即工具面向角)來實現。系統中隨鉆測量探管將鉆孔的傾角、方位角和工具面向角等數據實時傳輸到孔口計算機內進行處理，形成鉆孔實鉆軌跡并顯示。根據設計軌跡與實鉆軌跡偏斜狀況，調整工具面向角以達到調整鉆孔軌跡的目的，保證鉆孔軌跡沿預定方向延伸。螺桿鉆具工具面調整鉆孔數據與軌跡顯示鉆頭馬達彎頭目前，西安研究院定向鉆機有：ZDY12000LD、ZDY6000LD、ZDY6000LD(A)、ZDY6000LD(B)、ZDY6000LD(F)、ZDY4000LD、ZDY4000LD(A)等系列產品。使用時，可根據不同使用條件和需要選擇相應型號的產品。（2）定向鉆機ZDY6000LD定向鉆機2.定向鉆進技術與裝備ZDY6000LD(A)定向鉆機ZDY6000LD(B)定向鉆機ZDY6000LD(F)定向鉆機ZDY4000LD(A)定向鉆機2.定向鉆進技術與裝備（3）隨鉆測量系統測量精度：傾角：±0.2°方位：±1.5°工具面：±1.5°YHD1-1000(A)隨鉆測量系統主要由孔口防爆計算機、孔底測量探管等組成。根據需要可進行測量數據記錄、顯示和存儲等操作。防爆計算機與軟件界面測量探管探管電池筒2.定向鉆進技術與裝備（4）通纜鉆桿a）作為信號的傳輸通道，在孔底測斜單元與孔口檢測設備之間傳輸信號；并可通過鉆桿從孔口向孔底測斜單元供電。b）作為壓力介質（高壓水）的輸送通道，用于驅動孔底馬達，清潔孔底，冷卻鉆頭以及攜帶巖（煤）粉。c）作為鉆機與孔底動力單元的連接體，傳遞鉆機施加的給進起拔力，并為孔底馬達帶動鉆頭克取孔底巖石提供反扭矩。通纜鉆桿實物圖鉆桿桿體外徑：Ф73×5.6mm；鉆桿接頭外徑：Ф75mm；鉆桿定尺長度：3m；鉆桿抗拉能力：﹥950kN；鉆桿抗扭能力：﹥6000N·M。2.定向鉆進技術與裝備（4）通纜鉆桿1—鉆桿體；2—芯管公接頭；3—錐接頭；4—定位擋圈；5—芯管；6—穩定器；7—芯管母接頭；8—柱接頭；9—變徑彈簧；10—導線中心通纜式鉆桿結構原理圖2.定向鉆進技術與裝備（5）螺桿馬達2.定向鉆進技術與裝備（5）螺桿馬達外徑mm鉆頭尺寸mm頭數級數長度m重量kg排量L·min-1轉速r·min-1額定輸出扭矩N·m最大鉆壓kN最大壓降MPa7382~1144：532.862113~265160~375257272758配套使用Ф73mm螺桿鉆具主要技術參數表螺桿馬達實物圖2.定向鉆進技術與裝備3NB300型泥漿泵

Φ96mm復合片鉆頭Φ94mm/Φ153mm擴孔鉆頭（6）泥漿泵與鉆頭3NB300型泥漿泵主要性能參數2.定向鉆進技術與裝備

（7）隨鉆測量與軌跡控制技術用于近水平定向鉆孔施工過程中的隨鉆監測系統，鉆進中測量鉆孔傾角、方位、工具面向角等主要參數，實現孔口鉆孔參數、軌跡的即時顯示，便于施鉆人員隨時了解鉆孔施工情況，并及時調整工具面方向和工藝參數，使鉆孔盡可能的按照設計的軌跡延伸。隨鉆測量系統測量軟件界面2.定向鉆進技術與裝備（7）隨鉆測量與軌跡控制技術通過調整孔底馬達工具面向角，控制鉆孔傾角和方位角變化總結分析鉆進過程中反扭矩對鉆孔軌跡的影響鉆孔軌跡的分析及鉆進趨勢預測2.定向鉆進技術與裝備（8）裸眼側鉆開分支技術低速磨削開分支方法反復磨削法開分支方法開分支工藝流程2.定向鉆進技術與裝備（9）斜向器側鉆開分支技術斜向器輔助螺桿鉆具下向巖層梳狀分支鉆孔成孔工藝技術在井下近水平孔鉆進中將可回收式封隔斜向器和螺桿鉆具結合進行梳狀分支孔定向鉆進，實現了在堅、中硬巖層中進行分支與軌跡控制。2.定向鉆進技術與裝備3.定向鉆進技術應用煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術主要應用于：（1）工作面沿煤層瓦斯抽采長鉆孔施工；（2）松軟煤層梳狀瓦斯抽采鉆孔施工；（3）精細地質勘探鉆孔施工；（4）探、放水鉆孔施工；（5）定向工程鉆孔施工等。3.定向鉆進技術應用煤礦瓦斯抽采硬煤層和松軟煤層煤礦井下探放水煤礦井下底板注漿煤礦井下地質構造探測探測煤層頂、底板井下水平定向長鉆孔最大主孔深度1212m，單孔最多分支孔24個，最大分支孔深度698m，水平偏差小于孔深的5‰，垂直偏差小于孔深的1‰，為各應用礦區在瓦斯抽采和利用方面創造了可觀的間接經濟效益。3.定向鉆進技術應用

在國內17個礦區30個煤礦成功推廣118臺套。（2013.8）寧煤4臺內蒙9臺阜新1臺龍煤2臺神華8臺沈煤1臺柳林15臺陽泉13臺西山6臺汾西7臺晉城長治14臺焦作8臺兩淮2臺黃陵2臺陜煤4臺彬長4臺冀中能源1臺盤江1臺3.定向鉆進技術應用寧煤汝箕溝煤礦32215工作面鉆孔軌跡圖（1）工作面沿煤層瓦斯抽采長鉆孔施工（寧煤汝箕溝礦）3.定向鉆進技術應用寧煤汝箕溝煤礦534工作面2號鉆場鉆孔軌跡圖（1）工作面沿煤層瓦斯抽采長鉆孔施工（寧煤汝箕溝礦）3.定向鉆進技術應用（1）工作面沿煤層瓦斯抽采長鉆孔施工（彬長大佛寺礦）2011年8月大佛寺煤礦2#輔運大巷1#鉆場4#鉆孔

施工最大主孔孔深1212m，探頂兩次，開分支5次，單孔純瓦斯流量達到8.27m3/min。3.定向鉆進技術應用（1）工作面沿煤層瓦斯抽采長鉆孔施工（彬長大佛寺礦）3#、4#定向鉆孔日瓦斯抽采量變化曲線和累計瓦斯抽采量曲線（3#鉆孔主孔深度933m，總進尺1623m；4#鉆孔主孔深度1212m，總進尺1527m）3.定向鉆進技術應用（1）工作面沿煤層瓦斯抽采長鉆孔施工（山西保德礦）鉆孔平均深度達到800米以上，瓦斯抽采效率達到常規鉆孔的5倍，瓦斯抽采濃度達到85%以上。鉆進最大孔深1111.6m，開分支7次，探頂5次。3.定向鉆進技術應用（1）工作面沿煤層瓦斯抽采長鉆孔施工（長武亭南礦）

1號主孔：終孔深度1046m；2號主孔：終孔深度822m；4個分支孔分別按照設計軌跡從回風順槽和運輸順槽的靶區穿出；鉆進最高時效：26.4m/h，平均進尺：160m/d；終孔直徑：96mm；

鉆孔縱向偏差不足1m，橫向擺動不超過8m。鉆頭穿出靶區現場3.定向鉆進技術應用（2）松軟煤層梳狀瓦斯抽采鉆孔施工（朱仙莊煤礦）在淮北礦業股份有限公司朱仙莊礦10715工作面10煤頂板進行梳狀定向孔施工，共施工梳狀定向鉆孔3個，1#梳狀孔主孔孔深為603m，分支孔8個；2#梳狀孔主孔孔深603m，分支孔9個；3#梳狀孔主孔孔深570m，分支孔4個；分支孔最大孔深達到181m，施工總進尺3530m

。3#鉆孔實鉆軌跡圖鉆孔工作面與剖面分布圖3.定向鉆進技術應用

在梳狀孔底部10#煤回采后，造成8#煤和10#煤間巖層產生“卸壓增透”效應,通過梳狀孔負壓抽采卸壓瓦斯，隔絕8#煤瓦斯進入10#煤，防止造成10#煤瓦斯富集影響其開采。截止2011年9月底，已抽采瓦斯純量183204.98m3。類型總進尺/m最大孔深/m施工周期/月抽采瓦斯純量/m3梳狀孔26396031183204.9頂板孔24000150692658.3梳狀鉆孔抽采煤層效果較好，能夠滿足松軟煤層煤層氣抽采的需要。朱仙莊煤礦10715工作面高位孔與梳狀孔煤層氣抽采量曲線圖（2）松軟煤層梳狀瓦斯抽采鉆孔施工（朱仙莊煤礦）3.定向鉆進技術應用河南焦作九里山礦16141工作面，施工梳狀孔3個，其中：1#梳狀孔主孔深510m，含分支孔11個，分支孔最大孔深81m；2#梳狀孔主孔深510m，分支孔7個，最大分支深度120m；3#梳狀孔主孔深564m，分支孔7個，最大分支深度81m；（2）松軟煤層梳狀瓦斯抽采鉆孔施工（九里山煤礦）焦作九里山煤礦梳狀定向鉆孔施鉆軌跡圖（主孔深510m，梳狀分支孔7個，試驗總進尺848m）3.定向鉆進技術應用該工作面2012年5月下旬回采，截止到12月底，3個梳狀鉆孔累計抽采瓦斯純量達到109萬m3，有效保障了工作面回采。九里山梳狀孔瓦斯抽采濃度與每天純瓦斯抽采量

九里山三個梳狀孔每月純瓦斯抽采累計量（2）松軟煤層梳狀瓦斯抽采鉆孔施工（九里山煤礦）3.定向鉆進技術應用（3）精細地質勘探鉆孔施工——探測煤層頂、底板寺河東歸大巷1號錯車場4#長鉆孔剖面示意圖

2010年11月，晉城煤業集團寺河礦探測主采煤層頂、底板，勘探主孔深達到1059m，開分支16次，探頂7次，探底8次。3.定向鉆進技術應用（3）精細地質勘探鉆孔施工——探測陷落柱

2010年在該區域施工兩個定向鉆孔，其中1#孔有分支孔25個，主孔最大孔深達570m，分支孔最大孔深達246m，實鉆總進尺2736m；根據實鉆軌跡在煤層采掘工程面圖分布圖，結合實鉆施工情況分析出陷落柱、斷層位置（如圖中A、B、C點）及附近破碎帶區域，為礦方提供準確地質資料。

杜兒坪礦1#定向孔軌跡平面圖

實鉆軌跡3.定向鉆進技術應用（4）探、放水鉆孔施工2013年3月～4月，在內蒙母杜柴登礦施工完成3個定向探水鉆孔，1#鉆孔主孔深510m，2#鉆孔708m，3#鉆孔615m，試驗總進尺1797m。內蒙母杜柴登礦定向探水鉆孔軌跡平面圖設計軌跡實鉆軌跡3.定向鉆進技術應用（4）探、放水鉆孔施工

1#鉆孔在318m處出水，出水量約2m3/h；2#鉆孔在680m處出水，出水量約為14m3/h；3#鉆孔未出水。通過本次施工，探明了該區域煤層頂板含水情況，為巷道掘進施工提供了準確的地質資料。3.定向鉆進技術應用（5）工程注漿孔施工隨鉆測量定向鉆進技術與裝備還可用于井下探放水及頂、底板隔水層注漿加固鉆孔施工。河南趙固一礦底板注漿加固鉆孔設計平面布置圖3.定向鉆進技術應用（5）工程注漿孔施工技術途徑：利用回轉鉆進施工下斜鉆孔至預定層位，然后利用定向鉆進技術進行造斜鉆進，調整鉆孔傾角與地層傾角一致后，使鉆孔在欲加固的層位延伸，成孔后高壓注漿，將鉆孔鉆遇的裂隙填滿，形成隔水層。底板注漿加固定向鉆孔布置示意圖3.定向鉆進技術應用鉆孔注漿效果：1#鉆孔：610.5m，14768m35#鉆孔：687m，1633.2m34#鉆孔：527m，921.3m32#鉆孔：519m，646.8m31#鉆孔：8次，35m3/h5#鉆孔：6次，11m3/h4#鉆孔：3次，8m3/h2#鉆孔：1次，10m3/h①②④⑤4.研究與發展方向目前，國內煤礦井下近水平定向鉆進技術與裝備盡管有了長足的進步，在某些應用方面處于國際領先水平，但與石油定向鉆井、測井技術相比，還存在一定技術差距。近幾年煤礦井下定向鉆進技術與裝備將在以下幾個方向取得新進展：（1）在現有有線隨鉆測量的基礎上，適用于煤礦井下條件的電磁波、泥漿脈沖等無線隨鉆測