煤矿井下定向钻孔轨迹预测技术是实现钻孔轨迹智能控制的基础,通过研究煤矿井下定向钻造斜规律,得出工面向角是螺杆钻具改变钻孔轨迹主要因素,建立工具面向角改变钻孔倾角、方位角数学模型,推导出工具面向角预测定向钻孔轨迹算法,并开发相应定向钻轨迹预测软件。杨柳矿现场试验表明该钻孔轨迹预测软件满足现场施工精度要求(相对误差小于1.38%)、钻具摩阻力降低20%以上,提高定向钻施工安全性。

为了指导对煤矿井下定向钻进参数的选择、明确钻孔轨迹控制及对孔内工况的判断,需要对钻具摩擦阻力进行研究和预测。在借鉴石油领域钻具摩擦阻力模型研究成果的基础上,根据煤矿井下近水平定向钻进技术的特点,对钻柱微元段受力分析,建立了钻具摩擦阻力软杆模型。对摩擦因数的反算法进行了研究,推导出3种常规工况下的摩擦阻力计算公式。对高河煤矿定向钻孔起钻、定向钻进2种常见工况的孔口载荷进行预测,结果显示预测值与实测值的平均偏差小于0.50 MPa,孔口载荷预测精度满足现场施工精度要求。

为了更好地控制钻孔轨迹,通过研究煤矿井下定向钻孔轨迹算法,得出钻孔轨迹设计参数,按照钻孔设计步骤系统总结出钻孔轨迹参数设计准则以指导钻孔轨迹设计,并给出利用实钻对钻孔轨迹设计优化方法。通过研究定向钻造斜规律得出工具面向角是影响螺杆钻具改变钻孔轨迹主要因素,结合地层硬度、重力作用等因素对钻孔造斜影响,得出利用工具面向角预测钻孔轨迹方法。最后根据定向钻造斜规律和施工经验归纳总结出满足不同钻孔轨迹控制需求的工具面组合,以控制钻孔轨迹在目标区域的施工。