《一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法》是煤炭科學研究總院西安研究院於2011年1月25日申請的專利，該專利的公布號為CN102134967A，授權公布日為2011年7月27日，發明人是董書寧、李泉新、石智軍、張壯路、史海岐、張宏鈞。
《一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法》涉及一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法。隨著煤礦采深的不斷延伸和開採範圍的不斷擴大，地應力隨之增大，地質異常體也逐漸增多，水壓逐漸升高，水文地質條件變得愈來愈複雜，突水威脅愈加嚴重。該發明通過在工作面煤層巷道內開拓鑽場，在煤層中開孔,開孔方位指向煤層底板隔水層和含水層；鑽孔採用迴轉鑽進至煤層底板以下一定深度後提鑽、擴孔，並安裝一級封孔套管注漿封孔，待其凝固完畢後掃孔，然後一級套管固孔、二級套管固孔、定向鑽孔施工，使鑽孔按照設計軌跡沿預定加固層位延伸，最終形成鑽孔。該發明根據對隔水、含水層的分析進行鑽孔軌跡設計，確定鑽孔加固半徑，合理布置定向鑽孔，實現區域工作面煤層底板的整體固結。
2020年7月14日，《一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法
- 申請人：煤炭科學研究總院西安研究院
- 申請日：2011年1月25日
- 申請號：201110026900X
- 公布號：CN102134967A
- 公布日：2011年7月27日
- 發明人：董書寧、李泉新、石智軍、張壯路、史海岐、張宏鈞
- 地址：陝西省西安市雁塔北路52號
- Int. Cl.：E21B7/04(2006.01)I、E21B33/13(2006.01)I、E21B33/14(2006.01)I、E21B47/00(2006.01)I
- 代理機構：西安新思維專利商標事務所有限公司
- 代理人：李罡
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著煤礦采深的不斷延伸和開採範圍的不斷擴大，地應力隨之增大，地質異常體也逐漸增多，水壓逐漸升高，水文地質條件變得愈來愈複雜，突水威脅愈加嚴重。如果突水頻繁，突水量大，給煤礦安全生產造成嚴重影響。
煤層底板含水層注漿防治水技術主要是探查煤層底板隔水、含水層薄弱地段，注漿加固底板含水層，封堵底板突水通道，補強底板含水層阻水和堵水性能，實現工作面不突水開採。
2011年之前的的煤層底板加固技術都採用普通的迴轉鑽進，開孔傾角和方位角一定，成孔基本上都為直孔，鑽孔軌跡不可控制，因此穿過含水層的距離較短，鑽孔注漿段較短，致使鑽孔注漿效果不好，鑽孔利用率較低，施工成本較大，且當鑽孔鑽遇含水層時，不能計算鑽孔軌跡坐標，無法確定含水層位的位置，嚴重影響鑽孔注漿加固效果。專利申請號為200810050051.X，公開號為CN 101608552A的中國專利：煤層底板含水層加固並在加固過程中保護隔水層的方法，採用大傾角鑽孔，夾角α為20°－90°，同時使注漿終孔壓力控制在L8灰岩水壓的2倍以下，最小程度的破壞隔水層，但是鑽孔都為直孔，鑽孔鑽遇含水層孔段較短，如果要達到較好的底板加固效果，需鑽進密集型鑽孔，導致鑽孔施工工程量大，施工成本高，同時加大了煤礦工作面採掘交替時間，嚴重影響煤礦生產進度。
發明內容
專利目的
《一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法》所解決的技術問題是提供一種在煤礦區底板隔水、含水層進行定向鑽孔的施工，實時控制鑽孔軌跡，縮短鑽孔鑽遇隔水層有效孔段，增加鑽孔軌跡鑽遇含水層的有效孔段，提高隔水、含水層的有效加固厚度，補強阻水和堵水的性能的煤層底板注漿加固定向鑽孔的鑽具及其施工方法。水平定向鑽進技術使用的鑽具組合依次為：PDC鑽頭、單彎螺桿馬達、隨鑽測量儀器、信號傳輸通纜鑽桿和鑽孔軌跡採集與處理系統。
技術方案
《一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法》通過以下步驟實現：
（1）、在工作面煤層巷道內開拓鑽場，在煤層中開孔,開孔方位指向煤層底板隔水層和含水層；鑽孔採用迴轉鑽進至煤層底板以下一定深度後提鑽、擴孔，並安裝一級封孔套管注漿封孔，待其凝固完畢後掃孔；
（2）、一級套管固孔：採用 PDC鑽頭迴轉鑽進至煤層底板以下垂深為a，退鑽；換一級套管用PDC擴孔鑽頭擴孔至孔底，下入一級套管，管內注漿封固，待漿液凝固，然後用PDC鑽頭透孔，透出一級套管0.5～1米後進行耐壓試驗；
（3）、二級套管固孔：一級套管耐壓試驗合格後，採用二級套管用PDC擴孔鑽頭鑽進成孔至一級套管以下垂深b位置，下入二級套管，管內或者管外注漿封固，待漿液凝固，然後用PDC鑽頭透孔，透出二級套管0.5～1米後進行耐壓試驗；
（4）、定向鑽孔施工：二級套管耐壓試驗合格後採用PDC鑽頭進行定向鑽進，形成鑽孔，鑽進過程中每施工6米對孔底進行一次參數測定，根據測定的參數和已掌握的地質資料，調整鑽進方向，使鑽孔按照設計軌跡沿預定加固層位延伸，最終形成鑽孔。
上述的步驟中當鑽孔在鑽遇隔水層時，調整鑽具的工具面向角，使鑽孔軌跡傾角加大，縮短鑽孔鑽遇隔水層有效孔段，避免破壞隔水層。
上述的步驟中當鑽孔在鑽遇含水層時，調整鑽具的工具面向角，使鑽孔軌跡沿含水層延伸，增加鑽孔鑽遇含水層有效孔段。
上述的步驟中的煤層底板以下垂深a≥7米。
上述的步驟中的一級套管以下垂深b≥3米。
上述的步驟中的套管的尺寸與一級套管用PDC擴孔鑽頭相匹配。
上述的步驟中的套管的尺寸與二級套管用PDC擴孔鑽頭相匹配。
上述施工方法中的鑽具包括PDC鑽頭、單彎螺桿馬達、隨鑽測量儀器、信號傳輸通纜鑽桿、鑽孔軌跡採集與處理單元，信號傳輸通纜鑽桿和單彎螺桿馬達通過隨鑽測量儀器連線，信號傳輸通纜鑽桿的後端通過通信纜路與鑽孔軌跡採集與處理單元連線。
上述的信號傳輸通纜鑽桿的前端內設定連線單彎螺桿馬達，單彎螺桿馬達前端與PDC鑽頭連線，信號傳輸通纜鑽桿的中部內設定隨鑽測量儀器，信號傳輸通纜鑽桿後端通過通信纜路與鑽孔軌跡採集與處理單元連線。
改善效果
1、《一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法》採用了定向鑽進技術進行煤層底板隔水、含水層加固，根據對隔水、含水層的分析進行鑽孔軌跡設計，確定鑽孔加固半徑，合理布置定向鑽孔，實現區域工作面煤層底板的整體固結。
2、《一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法》是採用鑽具進行定向鑽進，鑽進過程中每施工6米對孔底進行一次參數測定，根據測定的參數和已掌握的實際地質資料，可調整鑽孔鑽進方向，使鑽孔軌跡沿設計軌跡延伸。
3、《一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法》利用定向鑽進技術能夠調整鑽進方向，故而能夠探明工作面地質構造，為煤層底板加固提供更詳實的地質資料。
4、《一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法》利用定向鑽進技術能夠調整鑽進方向，在設備能力和地層允許的情況下，增加鑽孔鑽遇含水層的深度，使注漿範圍擴大，注漿加固效果增強。
5、《一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法》所施工的注漿鑽孔距離長，範圍大，可實現區域工作面的超前加固，縮短工作面採掘接替的時間。
附圖說明
圖1為底板注漿加固鑽孔剖面示意圖；
圖2為底板注漿加固鑽孔施工結構圖；
圖3為鑽孔施工鑽具組合圖。
圖中標號及符號說明：1.巷道，2.煤層，3.底板隔水層，4.底板含水層，5.剖面布置鑽孔，6. 一級擴孔鑽孔，垂深為a， 7.一級套管， 8.二級擴孔鑽孔，垂深為b， 9. 二級套管10.裸眼鑽孔，11. PDC鑽頭，12. 單彎螺桿馬達，13. 隨鑽測量儀器，14. 信號傳輸通纜鑽桿，15. 鑽孔軌跡採集與處理系統。
技術領域
《一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法》屬於採礦領域，具體涉及一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法。
權利要求
1.一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法，其特徵在於：通過以下步驟實現：
（1）、在工作面煤層（2）巷道內開拓鑽場（1），在煤層（2）中開孔，開孔方位指向煤層底板隔水層（3）和含水層（4）；鑽孔採用迴轉鑽進至煤層底板以下一定深度後提鑽、擴孔，並安裝一級封孔套管注漿封孔，待其凝固完畢後掃孔；
（2）、一級套管固孔：採用 PDC鑽頭（11）迴轉鑽進至煤層底板以下垂深為a，退鑽；換一級套管用PDC擴孔鑽頭擴孔（6）至孔底，下入一級套管（7），管內注漿封固，待漿液凝固，然後用PDC鑽頭（11）透孔，透出一級套管0.5～1米後進行耐壓試驗；
（3）、二級套管固孔：一級套管耐壓試驗合格後，採用二級套管用PDC擴孔鑽頭鑽進成孔（8）至一級套管以下垂深b位置，下入二級套管（9），管內或者管外注漿封固，待漿液凝固，然後用PDC鑽頭（11）透孔，透出二級套管0.5～1米後進行耐壓試驗；
（4）、定向鑽孔施工：二級套管耐壓試驗合格後採用PDC鑽頭（11）進行定向鑽進，形成鑽孔（10），鑽進過程中每施工6米對孔底進行一次參數測定，根據測定的參數和已掌握的地質資料，調整鑽進方向，使鑽孔按照設計軌跡沿預定加固層位（4）延伸，最終形成鑽孔（5）。
2.根據權利要求1所述的一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法，其特徵在於：所述的步驟中當鑽孔在鑽遇隔水層時，調整鑽具的工具面向角，使鑽孔軌跡傾角加大，縮短鑽孔鑽遇隔水層有效孔段，避免破壞隔水層。
3.根據權利要求1所述的一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法，其特徵在於：所述的步驟中當鑽孔在鑽遇含水層時，調整鑽具的工具面向角，使鑽孔軌跡沿含水層延伸，增加鑽孔鑽遇含水層有效孔段。
4.根據權利要求1所述的一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法，其特徵在於：所述的步驟中的煤層底板以下垂深a≥7米。
5.根據權利要求1所述的一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法，其特徵在於：所述的步驟中的一級套管以下垂深b≥3米。
6.根據權利要求1所述的一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法，其特徵在於：所述的步驟中的套管7的尺寸與一級套管用PDC擴孔鑽頭相匹配。
7.根據權利要求1所述的一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法，其特徵在於：所述的步驟中的套管9的尺寸與二級套管用PDC擴孔鑽頭相匹配。
8.根據權利要求1所述的一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法，其特徵在於：所述施工方法中的鑽具包括PDC鑽頭（11、單彎螺桿馬達（12）、隨鑽測量儀器（13）、信號傳輸通纜鑽桿（14）、鑽孔軌跡採集與處理單元（15），信號傳輸通纜鑽桿（14）和單彎螺桿馬達（12）通過隨鑽測量儀器（13）連線, 信號傳輸通纜鑽桿（14）的後端通過通信纜路與鑽孔軌跡採集與處理單元（15）連線。
9.根據權利要求8所述的一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法，其特徵在於：所述的信號傳輸通纜鑽桿（14）的前端內設定連線單彎螺桿馬達（12），單彎螺桿馬達（12）前端與PDC鑽頭（11）連線，信號傳輸通纜鑽桿（14）的中部內設定隨鑽測量儀器（13），信號傳輸通纜鑽桿（14）後端通過通信纜路與鑽孔軌跡採集與處理單元（15）連線。
實施方式
對預加固地層的地質資料有了詳細的了解後，根據隔水、含水層的埋深及工作面固結範圍，進行鑽孔設計，然後進行鑽孔的施工，鑽孔的施工步驟和結構如附圖1、2所示，具體的施工步驟如下：
（1）、在工作面煤層2巷道內開拓鑽場1，在煤層2中開孔,開孔方位指向煤層底板隔水層3和含水層4；鑽孔迴轉鑽進至煤層底板以下一定深度後提鑽、擴孔，並安裝一級封孔套管注漿封孔，待其凝固完畢後掃孔；
（2）、一級套管固孔：採用 PDC鑽頭11迴轉鑽進至煤層底板以下垂深為a，退鑽；換一級套管用PDC擴孔鑽頭擴孔6至孔底，下入一級套管7，管內注漿封固，待漿液凝固，然後用PDC鑽頭11透孔，透出一級套管0.5～1米後進行耐壓試驗；
（3）、二級套管固孔：一級套管耐壓試驗合格後，採用二級套管用PDC擴孔鑽頭鑽進成孔8至一級套管以下垂深b位置，下入二級套管9，管內或者管外注漿封固，待漿液凝固，然後用PDC鑽頭11透孔，透出二級套管0.5～1米後進行耐壓試驗；
（4）、定向鑽孔施工：二級套管耐壓試驗合格後鑽具採用PDC鑽頭11進行定向鑽進，形成鑽孔10，鑽進過程中每施工6米對孔底進行一次參數測定，根據測定的參數和已掌握的地質資料，調整鑽進方向，使鑽孔按照設計軌跡沿預定加固層位4延伸，最終形成鑽孔5。
上述的步驟中當鑽孔在鑽遇隔水層時，調整鑽具的工具面向角，使鑽孔軌跡傾角加大，縮短鑽孔鑽遇隔水層有效孔段，避免破壞隔水層。
上述的步驟中當鑽孔在鑽遇含水層時，調整鑽具的工具面向角，使鑽孔軌跡沿含水層延伸，增加鑽孔鑽遇含水層有效孔段。
上述的步驟中的煤層底板以下垂深a≥7米。
上述的步驟中b≥3米。
上述的步驟中的套管7的尺寸與一級套管用PDC擴孔鑽頭相匹配。
上述的步驟中的套管9的尺寸與二級套管用PDC擴孔鑽頭相匹配。
上述施工方法中的鑽具包括PDC鑽頭11、單彎螺桿馬達12、隨鑽測量儀器13、信號傳輸通纜鑽桿14、鑽孔軌跡採集與處理單元15。信號傳輸通纜鑽桿14和單彎螺桿馬達12通過隨鑽測量儀器13連線，信號傳輸通纜鑽桿14的後端通過通信纜路與鑽孔軌跡採集與處理單元15連線。
信號傳輸通纜鑽桿14的前端內設定連線單彎螺桿馬達12，單彎螺桿馬達12前端與PDC鑽頭11連線，信號傳輸通纜鑽桿14的中部內設定隨鑽測量儀器13，信號傳輸通纜鑽桿14後端通過通信纜路與鑽孔軌跡採集與處理單元15連線。
榮譽表彰
2020年7月14日，《一種煤層底板注漿加固水平定向鑽孔的施工方法》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
