复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法技术

一种复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法，自煤层内正角度开孔，钻进套管孔段先导定向孔，使其穿过顶板与软弱破碎层，达到稳定抽采层；再沿套管孔段先导定向孔扩钻至孔底，自孔口下入护壁套管对软弱破碎层孔段实施保护，向护壁套管与钻孔壁环空注入封孔材料对护壁套管进行封固，使用钻测量定向钻具组合穿过套管孔段，沿设计轨迹钻进主抽采孔段先导定向孔至设计孔深，退出随钻测量定向钻具组合，在主抽采孔段先导定向孔的基础上实施扩孔，并以裸眼形式终孔；由此，本发明专利技术避免主抽采孔段施工过程中与后期抽采过程中软弱破碎层孔壁垮塌导致钻孔成孔困难与钻孔瓦斯抽采中断，还实现穿越套管孔段对主抽采孔段实施大直径扩孔，提高瓦斯抽采效果。

Construction method of high position large diameter directional drilling in complex roof

【技术实现步骤摘要】
复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法
本专利技术涉及煤矿井下坑道钻探的
，尤其涉及一种复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法。
技术介绍
钻孔抽采是现阶段我国煤矿瓦斯治理的重要途径，顶板高位大直径定向钻孔是抽采工作面采动影响区卸压瓦斯的重要手段，对于促进煤矿瓦斯灾害治理，保障煤矿安全高效开采，实现瓦斯资源化抽采利用具有重要意义。顶板高位定向钻孔是从工作面回风顺槽或者临近巷道开辟的高位定向钻场向煤层顶板施工的一组走向定向长钻孔，通过抽采工作面采动裂隙与采空区内聚集的高浓度瓦斯达到工作面瓦斯治理的目的。顶板高位定向钻孔结构上由套管孔段、爬升孔段与主抽采孔段组成。套管孔段主要用于下入孔口套管，对孔口段孔壁裂隙实施封堵，并与抽采管路连接；爬升孔段是高位定向钻孔自回风顺槽爬升至工作面采动裂隙发育高度的过渡孔段，其长度与采动影响区裂隙带发育高度以及钻孔开孔倾角、方位角等因素有关；主抽采孔段是高位定向钻孔介入抽采的主孔段，布置于稳定岩层中，沿采动影响区裂隙带发育高度向工作面切眼走向延伸，其在工作面回采过程中能够与顶板采动裂隙贯通从而对采动裂隙内聚集的高浓度瓦斯实施抽采。对于复杂顶板工作面，爬升孔段在穿越软弱破碎层时，冲洗介质的冲蚀作用容易导致孔壁岩体强度降低，诱发局部或整体性孔壁失稳，轻则造成钻进受阻，钻进工期延长，重则导致塌孔卡埋钻事故，造成直接经济损失。即便顺利成孔，在后期瓦斯抽采阶段也存在较高的孔壁垮塌风险，致使抽采气路通道受阻，钻孔抽采中断，无法形成连续抽采。下入套管对软弱破碎层孔段实施封固是解决上述问题的最为直接有效的方法之一。但在现有顶板高位定向钻孔结构基础上，传统下套管工艺存在以下弊端：首先，下入套管内径必须大于钻孔终孔直径，同时套管孔段扩孔直径也必须大于套管外径，以Φ153mm顶板高位大直径定向钻孔为例，下入钢制套管的规格一般为Φ178mm，套管孔段扩孔直径应不小于Φ193mm，如终孔直径增大，则套管规格与扩孔直径相应增大，这样不仅导致扩孔工作量的增加，套管刚度与套管自重也随之增大，增加了套管的下入难度；其次，为了获得理想的孔壁稳固效果，套管下放深度理论上应穿过软弱破碎层，最深可能覆盖整个爬升孔段，由于该孔段钻孔轨迹整体弯曲，大直径套管的下入难度进一步增大，甚至无法下放至预定位置，导致下套管失败。为此，本专利技术的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法，以克服上述缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法，其通过对软弱破碎层孔壁实施保护，避免主抽采孔段施工阶段与后期抽采阶段软弱破碎层孔壁垮塌导致钻孔成孔困难与钻孔瓦斯抽采中断，还可实现穿越套管孔段对主抽采孔段实施大直径扩孔，达到提高瓦斯抽采效果的目的。为实现上述目的，本专利技术公开了一种复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法，复杂顶板高位大直径定向钻孔由套管孔段与主抽采孔段构成，其特征在于包含如下步骤：步骤一：自煤层内正角度开孔，采用随钻测量定向钻具组合沿设计轨迹钻进套管孔段先导定向孔，直径为dd，使其穿过煤层顶板与软弱破碎层，达到稳定抽采层；步骤二：使用导向式扩孔钻具沿套管孔段先导定向孔扩钻至孔底，直径为dk；步骤三：退出导向扩孔钻具，自孔口下入护壁套管对软弱破碎层孔段实施保护；步骤四：向护壁套管与钻孔壁环空注入封孔材料对护壁套管实施封固；步骤五：使用钻测量定向钻具组合穿过套管孔段，沿设计轨迹钻进主抽采孔段先导定向孔至设计孔深，直径为dd；步骤六：采用水力扩张式扩孔装置在主抽采孔段先导定向孔的基础上实施扩孔，并以裸眼形式终孔。其中：所述主抽采孔段的终孔直径大于护壁套管的外径。其中：所述水力扩张式扩孔装置由后接头、螺母、本体、芯管、刀翼、撑杆、限位块、活塞与球形导向器连接组成，所述本体的前端连接有直径大于本体外径的球形导向器，本体的后端连接有后接头，所述本体的中心通孔内依次安装芯管、活塞、弹簧与活塞内套，所述芯管相对本体固定，所述活塞可滑动地套合于芯管，活塞的后端连接于限位块，所述限位块的后端铰接至刀翼的前端，所述刀翼的后端铰接至撑杆的前端，所述撑杆的后端铰接至本体，且所述限位块、刀翼与撑杆形成刀翼总成，所述刀翼总成为多个且能通过活塞的轴向滑动带动刀翼径向扩张从本体向外伸出。其中：所述活塞和本体之间设有弹簧以实现弹性恢复功能，所述活塞和芯管之间设有活塞内套。其中：所述本体内轴向自前向后分别为内径逐渐减少的一级孔、二级孔、三级孔和四级孔，且所述本体的外壁周向等间距布置n个法向贯通的矩形槽，各矩形槽的前端轴向设置凸形截面限位槽，所述矩形槽的后端设置贯穿矩形槽内壁的横向销孔。其中：所述芯管包含直径较小的细径体和直径较大的粗径体，所述粗径体位于前部且直径等于本体内三级孔的内径，所述细径体位于后部且直径等于本体内四级孔的内径，所述细径体的后端设置细径体外螺纹，所述粗径体的前端设置粗径体外螺纹。其中：所述活塞沿轴线设置活塞中心通孔3，沿轴线包括位于前端的活塞头与后端的活塞杆，所述活塞头外径与本体的一级孔内径一致并置于其内，所述活塞杆的外径与本体的二级孔内径一致并置于其内，所述活塞杆的尾部设置有矩形截面环形槽，环形槽的后侧周向布置n个螺钉孔。其中：活塞头的外壁设置一O型圈槽，所述O型圈槽供一O型圈容置于内以用于与本体的一级孔内壁之间的密封。其中：所述活塞内套的外径等于活塞中心通孔的内径，所述粗径体的直径小于活塞的活塞中心通孔的直径，所述活塞内套的内壁设有与芯管粗径体外螺纹配合的内螺纹。其中：步骤六还包含如下子步骤：子步骤6.1：将水力扩张式扩孔装置安装于扩孔钻杆前端，刀翼处于闭合状态；子步骤6.2：使用扩孔钻杆将刀翼处于闭合状态的水力扩张式扩孔装置穿过套管孔段送入主抽采孔段；子步骤6.3：开启泥浆泵，泵送循环介质推动活塞轴向滑动带动刀翼径向扩张从本体向外伸出；子步骤6.4：启动钻机旋转水力扩张式扩孔装置原位扫孔，使水力扩张式扩孔装置刀翼充分扩张直至完全打开，沿主抽采孔段先导定向孔实施扩孔作业；子步骤6.5：扩钻至孔底或预定孔深之后，停泵，原位旋转水力扩张式扩孔装置，收缩复位后退钻，扩孔作业完成。通过上述内容可知，本专利技术的复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法具有如下效果：1、本顶板高位定向钻孔在合理增大主抽采孔段钻孔直径，保证钻孔瓦斯抽采效果的同时，控制套管孔段直径与下入套管规格，降低套管下放难度，保证顶板高位大直径定向钻孔顺利穿越软弱破碎地层，解决钻孔施工以及后期抽采过程中软弱破碎地层孔壁垮塌导致的钻孔成孔难度大、施工效率低以及钻孔抽采中断等问题。2、水力扩张式扩孔装置是本高位定向钻孔实施的核心装置，可通过循环介质控制刀翼的张开，能够实现穿越套管孔段对主抽采孔段实施跨越式扩孔，保证复杂顶板高位定向钻孔的顺利实施。本专利技术的详细内容可通过后述的说明及所附图而得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法，复杂顶板高位大直径定向钻孔由套管孔段与主抽采孔段构成，其特征在于包含如下步骤：/n步骤一：自煤层内正角度开孔，采用随钻测量定向钻具组合沿设计轨迹钻进套管孔段先导定向孔，直径为d

【技术特征摘要】
1.一种复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法，复杂顶板高位大直径定向钻孔由套管孔段与主抽采孔段构成，其特征在于包含如下步骤：
步骤一：自煤层内正角度开孔，采用随钻测量定向钻具组合沿设计轨迹钻进套管孔段先导定向孔，直径为dd，使其穿过煤层顶板与软弱破碎层，达到稳定抽采层；
步骤二：使用导向式扩孔钻具沿套管孔段先导定向孔扩钻至孔底，直径为dk；
步骤三：退出导向式扩孔钻具，自孔口下入护壁套管对软弱破碎层孔段实施保护；
步骤四：向护壁套管与钻孔壁环空注入封孔材料对护壁套管实施封固；
步骤五：使用随钻测量定向钻具组合穿过套管孔段，沿设计轨迹钻进主抽采孔段先导定向孔至设计孔深，直径为dd；
步骤六：退出随钻测量定向钻具组合，采用水力扩张式扩孔装置在主抽采孔段先导定向孔的基础上实施扩孔，并以裸眼形式终孔。


2.如权利要求1所述的复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法，其特征在于：所述主抽采孔段孔的终孔直径大于护壁套管的外径。


3.如权利要求1所述的复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法，其特征在于：所述水力扩张式扩孔装置由后接头、螺母、本体、芯管、刀翼、撑杆、限位块、活塞与球形导向器连接组成，所述本体的前端连接有球形导向器，本体的后端连接有后接头，所述本体的中心通孔内依次安装芯管、活塞、弹簧与活塞内套，所述芯管相对本体固定，所述活塞可滑动的套合于芯管，活塞的后端连接于限位块，所述限位块的后端铰接至刀翼的前端，所述刀翼的后端铰接至撑杆的前端，所述撑杆的后端铰接至本体，且所述限位块、刀翼与撑杆形成刀翼总成，所述刀翼总成为多个且能通过活塞的轴向滑动带动刀翼径向扩张从本体向外伸出。


4.如权利要求3所述的复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法，其特征在于：所述活塞和本体之间设有弹簧以实现弹性恢复功能，所述活塞和芯管之间设有活塞内套。


5.如权利要求3所述的复杂顶板高位大直径定向钻孔施工方法，其特征在于：所述本体内轴向自前向后分别为内径逐渐减少的一级孔、二级孔、三级孔和四级孔，且所述本体的外壁周向等间距...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵建国，刘建林，李泉新，陈盼，赵江鹏，姜磊，王四一，
申请(专利权)人：中煤科工集团西安研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61