煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法技术领域
本发明涉及一种定向孔施工方法及装备，属于煤矿井下坑道钻探领域，具体是涉
及一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法。
背景技术
煤矿瓦斯灾害是矿山建设与矿山生产过程中的主要安全灾害之一，其破坏性巨
大，给煤矿安全生产带来了很大隐患和损失。近年来，本煤层瓦斯预抽采技术显著降低了工
作面煤层瓦斯含量，但是随着煤矿综合机械化采煤工艺的发展，工作面推进加速，开采时的
瓦斯涌出量急剧增加，成为制约一些矿井安全高效开采的关键因素。
目前大部分矿井采用垮落法管理煤层顶板，煤层开采后，在采空区上覆岩层剖面
上由下至上依次存在冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，平面上依次存在煤壁支撑影响区、离层
区、重新压实区。其中裂隙带和离层区内存在两类裂隙：一类为离层裂隙，是随岩层下沉在
层与层间出现的沿层裂隙，它使煤层产生膨胀变形而使瓦斯卸压，并使卸压瓦斯沿离层涌
出；另一类为竖向破断裂隙，是随岩层下沉破断形成的穿层裂隙，它形成了上、下岩层间瓦
斯流动的通道。在瓦斯和空气密度差以及采空区漏风的共同作用下，使得工作面上隅角附
近采空区顶板裂隙中聚集有大量的高浓度瓦斯。在通风负压的作用和大气压力变化情况
下，顶板裂隙带存储的瓦斯可能会通过密闭墙或煤柱裂隙进入采区或矿井巷道中，增加通
风负担和不安全因素。
针对采空区顶板发育理论、瓦斯运移规律和瓦斯抽采需要，国内开展了大量研究，
形成了高位巷采空区瓦斯井下抽采方法，形成了高位巷和高位钻孔两种采空区瓦斯井下抽
采方法，但高位巷由于掘进成本高、施工周期长，其技术推广受到一定的限制；高位钻孔在
我国阳泉、沈阳、铁法、淮南等很多矿区都进行过试验，且取得了很好的效果，但是由于其不
具备钻孔轨迹测控能力，无法确保钻孔轨迹在采空区裂隙带延伸，钻孔深度浅且有效孔段
短，覆盖面积小，孔径小，工程量大，钻进效率低，施工周期长且成本高等不足，给矿方高效
采煤带来一定的阻力。
因此，本发明结合煤层开采过程中采动区和采空区瓦斯抽采需要，针对目前煤矿
井下高位钻孔钻进方法存在的不足，研究设计了一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层
定向孔施工方法，克服了上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对目前煤矿井下采动瓦斯抽采钻孔存在孔径小、裂隙带延伸距
离短、钻进效率低、成本高、施工周期长等不足，提供了一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上
仰穿层定向孔施工方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，包括：
利用分析确定的煤层采动裂隙带和采动离层区设计顶板上仰穿层定向孔的钻孔
轨迹；
工作面回采前，依据所述钻孔轨迹在井下待采工作面的相邻工作面已掘进风巷道
内钻场的煤层中开孔并施工顶板上仰穿层定向孔，穿过上覆顶板岩层后,进入采动裂隙带
并长距离延伸；
当工作面回采至顶板上仰穿层定向孔范围内，利用顶板上仰穿层定向孔抽采采动
产生的瓦斯；工作面回采至顶板上仰穿层定向孔范围以外后，停止抽采。
优化的，上述的一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，所述
顶板上仰穿层定向孔包括：
从煤层开孔至钻出煤层的上仰套管孔段，开孔倾角为12-20°，用于下入固定套管
和活动套管，其中，固定套管内径≥200mm，活动套管外径≤150mm；
从钻孔钻出煤层至进入采动裂隙带之间的定向造斜孔段，其弯曲强度≤1°/3m；
沿采动裂隙带长距离延伸的定向稳斜孔段，其倾角≥0°。
优化的，上述的一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，所述
的顶板上仰穿层定向孔施工数量为若干个并且在平面上呈集束型布置，并且各顶板上仰穿
层定向孔沿采动裂隙带长距离延伸的定向稳斜孔段之间平行布置，相邻钻孔间距7m-10m，
定向稳斜孔段与待采工作面已掘回风巷道的距离≥15m，且位于采动离层区内。
优化的，上述的一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，所述
钻场之间的距离为顶板上仰穿层定向孔沿采动裂隙带长距离延伸的定向稳斜孔段的水平
投影长度。
优化的，上述的一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，
从煤层开孔至钻出煤层的上仰套管孔段施工时采用逐级回转扩孔工艺施工，扩孔
完成后下入封孔套管，然后从封孔套管与孔壁的环状间隙内插入排气管和注浆管，再采用
速凝聚氨酯双料封孔材料和石膏封闭孔口环状间隙，待石膏凝固后从注浆管内注入水泥
浆；当排气管中有水泥浆流出时停止注浆，候凝若干小时。
从钻孔钻出煤层至进入采动裂隙带之间的定向造斜孔段使用先导定向钻具采用
滑动定向钻进工艺进行先导定向孔施工；
沿采动裂隙带长距离延伸的定向稳斜孔段使用先导定向钻具采用复合定向钻进
工艺进行先导定向孔施工。
优化的，上述的一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，先导
定向孔成孔直径120mm并且达到设计深度后进行扩孔成孔施工，使用冲击复合扩孔钻具，采
用冲击复合扩孔工艺，扩孔成孔直径≥200mm，扩孔至孔底后，提钻。
优化的，上述的一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，所述
的先导定向钻具包括依次连接的岩层定向钻头、四级弯壳体螺杆马达、无磁钻具、单向截止
短节、中空外平钻杆、旋转送水器；其中：所述四级弯壳体螺杆马达采用高压水驱动，头部带
有一定弯曲角度；所述无磁钻具内固定有水脉冲随钻测量仪器，可在钻进过程中实时测量
钻孔轨迹，并利用钻进用高压水将信号传递至孔口，获得钻孔实钻轨迹；单向截止短节内安
装有单向逆止阀。
优化的，上述的一种煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，所述
的冲击复合扩孔钻具包括：依次连接的导向器、螺旋扩孔钻头、直通螺杆马达、液动冲击器、
扶正器、单向截止短节、中空外平钻杆、旋转送水器；其中导向器顶端为球形结构，四周铣洗
有螺旋刀翼，并镶焊有硬质合金保径；直通螺杆马达采用高压水驱动，弯头角度为0°，在直
通螺杆马达弯头与马达总成之间有稳定器，稳定器和扶正器的外径小于螺旋扩孔钻头的外
径。
因此，本发明利用待采工作面回风巷道内钻场，建立了多级回转扩孔工艺、滑动定
向钻进工艺、复合定向钻进工艺和冲击复合扩孔工艺及相应的施工装备钻进顶板上仰穿层
定向孔的技术方案，实现了顶板采动裂隙带和离层区内大直径定向钻孔施工，并长距离大
直径延伸，显著提高采动瓦斯抽采效果，保障工作面安全高效回采，具有以下优点：(1)在待
采工作面回风巷道未贯通之前即可在相邻工作面进风巷道内远距离施工，节约了待采工作
面回采准备周期；(2)成孔直径大，钻进效率高；(3)钻孔覆盖面积大，钻探工作量小，少量顶
板上仰穿层定向孔即可实现工作面采空瓦斯区域抽采；(4)增加了钻孔在采动裂隙带和离
层区内的有效孔段，提高了钻孔利用率；(5)可同时对上临近层瓦斯进行抽采、对顶板地质
构造进行探查、对顶板含水体进行疏放。
附图说明
图1是顶板上仰穿层定向孔平面布置图。
图2是顶板上仰穿层定向孔剖面布置图。
图3是先导定向钻具组合连接示意图。
图4是冲击复合扩孔钻具组合连接示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
图中，待采工作面1、进风巷道2、回风巷道3、钻场4、顶板上仰穿层定向孔5、采动裂
隙带6、采动离层区7、岩层定向钻头8、四级弯壳体螺杆马达9、无磁钻具10、单向截止短节
11、中空外平钻杆12、旋转送水器13、导向器14、螺旋扩孔钻头15、直通螺杆马达16、液动冲
击器17、扶正器18、稳定器19、上仰套管孔段a、定向造斜孔段b、定向稳斜孔段c。
实施例：
下面通过实施例，结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。其中，
实施例：
参见图1、图2，一种煤矿煤矿井下采动瓦斯抽采顶板上仰穿层定向孔施工方法，其
特征在于，包括以下步骤：
步骤一：钻场4准备。在井下待采工作面1的相邻工作面已掘进风巷道2内开拓多个
钻场4，相邻钻场4的距离等于顶板上仰穿层定向孔5定向稳斜孔段c水平投影长度。
步骤二：钻孔设计。根据矿井煤层顶板赋存情况和开采方案，采用已有模型模拟分
析和理论公式计算等方法确定顶板岩层采动覆岩变化规律，得出煤层开采后顶板岩层剖面
上的裂隙带6范围和平面上的离层区7范围，完成顶板上仰穿层定向孔5轨迹设计。
步骤三：上仰套管孔段a施工。上仰套管孔段a采用逐级回转扩孔工艺施工，即先利
用套管施工钻具一钻进Φ120mm先导套管孔，然后换用套管施工钻具二扩孔至Φ153mm，再
采用套管施工钻具三扩孔至Φ215mm。扩孔完成后，先下入9mPVC封孔套管，然后从PVC封孔
套管与孔壁的环状间隙内插入排气管和注浆管，排气管插入至套管底部，注浆管插入环状
间隙即可，再采用速凝聚氨酯双料封孔材料和石膏封闭孔口环状间隙，待石膏凝固后从注
浆管内注入水泥浆；当排气管中有水泥浆流出时停止注浆，候凝8小时。
步骤四：先导定向孔施工。连接好孔口装置，利用先导定向钻具进行施工，定向造
斜孔段b采用滑动定向钻进工艺施工，定向稳斜孔段c采用复合定向钻进工艺施工；先导定
向孔成孔直径120mm，达到设计深度后，提钻。
步骤五：扩孔成孔。利用冲击复合扩孔钻具组合进行施工，采用冲击复合扩孔工
艺，扩孔成孔直径≥200mm，扩孔至孔底后，提钻。
步骤六：套管完孔。下入活动钢套管至进入岩层3m，连接孔口瓦斯抽采装置。
步骤七：区域覆盖。重复步骤3～步骤6，完成待采工作面1所有钻场4的全部顶板上
仰穿层定向孔5，覆盖待采工作面1回风侧离层区7。
步骤八：采动瓦斯抽采。工作面回采至顶板上仰穿层定向孔5范围内，利用顶板上
仰穿层定向孔5抽采采动产生的瓦斯；工作面回采至顶板上仰穿层定向孔5范围以外后，停
止抽采，取出孔内活动钢套管。
所述的顶板上仰穿层定向孔5剖面上从煤层中上仰开孔，穿过上覆顶板岩层后，进
入采动裂隙区并长距离延伸；可分为上仰套管孔段a、定向造斜孔段b、定向稳斜孔段c三部
分。其中上仰套管孔段a是指从煤层开孔至钻出煤层之间的孔段，开孔倾角12～20°，下入一
级固定套管和一级活动套管，固定套管内径≥200mm，活动套管外径≤150mm；定向造斜孔段
b为钻孔钻出煤层至进入采动裂隙带6之间的孔段，钻孔弯曲强度≤1°/3m；定向稳斜孔段c
为沿采动裂隙带6长距离延伸的孔段，倾角≥0°；顶板上仰穿层定向孔5彼此搭接，相邻钻场
4钻孔搭接长度为上仰套管孔段a和定向造斜孔段b的水平投影长度之和。
所述的顶板上仰穿层定向孔5施工数量≥3个，具体数量根据待采工作面1离层区7
宽度确定；平面上呈集束型布置，定向稳斜孔段c之间平行布置，相邻钻孔间距7m～10m，与
待采工作面1已掘回风巷道3的距离≥15m，且位于离层区内。
步骤3所述的套管施工钻具组合一由Φ120mm岩层定向钻头8和中空外平钻杆12依
次连接组成；所述的套管施工钻具组合二由Φ120mm导向器、Φ120/153mm普通扩孔钻头和
中空外平钻杆12依次连接组成；施工钻具组合三由Φ153mm导向器、Φ153/215mm普通扩孔
钻头和中空外平钻杆12依次连接组成。
所述的顶板上仰穿层定向孔5施工时待采工作面1未开始开采，采动裂隙带6和采
动离层区7为稳定岩层；钻孔施工完成后，待采工作面1回采时，工作面上部顶板受采动影响
塌落破裂形成采动裂隙带6和采动离层区7，其内的上向裂隙与顶板上仰穿层定向孔5连通，
采动产生的瓦斯在负压抽采、大流量通风和重力作用下沿裂隙进入顶板上仰穿层定向孔5，
从而实现瓦斯抽采利用。
参见图3，步骤4所述的先导定向钻具组合由Φ120mm岩层定向钻头8、四级弯壳体
螺杆马达9、无磁钻具10、单向截止短节11、中空外平钻杆12、旋转送水器13依次连接组成，
所述的Φ89mm四级弯壳体螺杆马达9采用高压水驱动，外径为Φ89mm，弯头角度为1.25°，扭
矩≥1000Nm；无磁钻具10内固定有水脉冲随钻测量仪器，可在钻进过程中实时测量钻孔轨
迹，并利用钻进用高压水将信号传递至孔口，获得钻孔实钻轨迹，为定向钻进提供参考；单
向截止短节11内安装有单向逆止阀，可避免中空外平钻杆12和顶板上仰穿层定向孔5内水
从中空外平钻杆12倒流，每隔100m添加一个；中空外平钻杆12外径为Φ89mm，抗扭能力≥
35000Nm，抗拉能力≥1500kN。所述的滑动定向钻进工艺是指钻进过程中，中空外平钻杆12
不旋转，四级弯壳体螺杆马达9驱动Φ120mm岩层定向钻头8朝指定方向回转碎岩。所述的复
合定向钻进是指钻进过程中，孔口钻机驱动中空外平钻杆12带动Φ120mm岩层定向钻头8回
转碎岩的同时，孔内四级弯壳体螺杆马达9在高压水驱动下带动Φ120mm岩层定向钻头8回
转碎岩。
参见图4，步骤5所述的冲击复合扩孔钻具组合由导向器14、螺旋扩孔钻头15、直通
螺杆马达16、液动冲击器17、扶正器18、单向截止短节11、中空外平钻杆12、旋转送水器13依
次连接组成；其中导向器14长度≥0.4m，外径为110mm，顶端为球形结构，四周铣洗有螺旋刀
翼，并镶焊有硬质合金保径；螺旋扩孔钻头15外径≥200mm；直通螺杆马达16采用高压水驱
动，外径为89mm，弯头角度为0°，在其弯头与马达总成之间有稳定器19，稳定器19的外径比
螺旋扩孔钻头15的外径小1mm；扶正器18的外径比螺旋扩孔钻头15的外径小1mm；单向截止
短节11每隔100m添加一个。所述冲击复合扩孔工艺是指扩孔过程中，孔口钻机驱动和孔内
直通螺杆马达16驱动结合，螺旋扩孔钻头15回转碎岩的同时，孔内液动冲击器17带动螺旋
扩孔钻头15冲击碎岩。
尽管本文较多地使用了待采工作面1、进风巷道2、回风巷道3、钻场4、顶板上仰穿
层定向孔5、采动裂隙带6、采动离层区7、岩层定向钻头8、四级弯壳体螺杆马达9、无磁钻具
10、单向截止短节11、中空外平钻杆12、旋转送水器13、导向器14、螺旋扩孔钻头15、直通螺
杆马达16、液动冲击器17、扶正器18、稳定器19、上仰套管孔段a、定向造斜孔段b、定向稳斜
孔段c等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述
和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。