在煤矿生产过程中，井下定向钻孔主要用于瓦斯抽采、探放水、地质异常体探测和紧急救援等。目前煤矿井下水平定向钻孔以瓦斯抽采钻孔为主，尤其是高瓦斯矿井。从瓦斯治理和利用的角度出发，经常需要在煤层及其顶板或底板中布置一系列的钻孔用于抽采或释放瓦斯，以确保生产安全。根据抽采瓦斯的位置或来源不同，水平定向钻孔主要分为本煤层预抽孔、顶板高位孔、底板穿层孔等形式。
1.本煤层预抽钻孔的布置形式
预抽钻孔一般情况都布置在煤层厚度大、透气性好、瓦斯含量高、煤层硬度较大的稳定煤层中，这样不但有利于成孔和后期钻孔稳定，又能够保证钻孔的高渗透性，有利于瓦斯抽采。根据钻孔相对于工作面延伸方向的不同，水平定向钻孔布置形式主要有走向和倾向布置两种。走向水平长钻孔一般都比较深，根据目前井下定向钻孔施工设备的能力，最深可达到1000m以上，这类钻孔的施工钻场一般都布置在工作面停采线附近，钻孔向回采工作面方向延伸。倾向水平定向孔一般布置在回风巷中，从回风巷侧帮向工作面煤层中打钻，钻孔深度一般在200m左右，这类钻孔数量比较多，一般在设计时都尽可能采用不同形式的钻孔覆盖整个工作面，但是，为了保证良好的抽采效果，不能使钻孔穿透工作面或从巷道穿出。在实施定向钻孔前，钻孔布置形式一般以与走向或倾向平行布置为主，具体布置形式如图1-1所示;在实施定向钻孔后，可采用“一孔多分支”的钻孔布置形式，如图1-2所示，这样可在顺槽直接开孔，减少钻机搬运次数，提高钻进效率，同时达到“一孔多用”的目的。和常规本煤层瓦斯抽采孔不同的是，倾向瓦斯抽采定向钻孔，对于未掘进巷道区域，钻孔深度可达到500～600m，不仅可抽采工作面的瓦斯，也可抽采待掘进巷道区域的瓦斯，起到区域抽采的作用。
图1-1 常规本煤层瓦斯预抽钻孔布置示意图
2.顶板高位孔的布置形式
采用顶板水平长钻孔进行瓦斯抽采，若钻孔的布置层位适当，不但可抽采上临近层的瓦斯，在工作面回采过程中还可抽采受采动影响的裂隙带瓦斯，甚至在后期还可用于采空区瓦斯抽采，因此顶板高位钻孔是一种综合高效的瓦斯抽采技术手段。顶板高位水平钻孔抽采瓦斯效果好坏的关键是钻孔轨迹布置层位的选择，不同矿区工作面顶板裂隙带发育高度是不同的，能否保证钻孔轨迹在破碎裂隙带边缘延伸，且能保证钻孔稳定，是实施顶板高位抽采能否取得成效的关键所在。这种钻孔布置形式在我国很多矿区都进行过试验，且取得了很好的效果，如阳泉、沈阳、铁法、淮南等矿都采用该方法进行过瓦斯抽采。但是，由于当时定向钻孔控制技术还不完善，高位钻孔的施工一般都需要在煤层顶板一定高度布置专门的施工钻场，然后在钻场内向工作面方向布置水平定向长钻孔(钻孔的布置形式如图1-3所示)。但由于专用巷道和钻场的施工成本较高、周期较长等问题，使这项技术的推广受到一定的限制。而在定向钻孔的施工技术成熟后，则可在开采煤层巷道中，直接向顶板打定向钻孔，使钻孔在到达一定高度后再向水平方向延伸，通过钻孔轨迹控制使钻孔尽量在设计层位延伸，且可进行“一孔多分支”钻进，布置形式如图1-4所示。这种钻孔布置形式也可用于上覆含水岩层或采空区积水的疏排水工程孔施工。如果向煤层底板施工这类水平定向孔，则可用于煤层底板的注浆加固工程，保证开采时底板良好的隔水性，所不同的就是开孔倾角与施工顶板高位钻孔相反。
图1-2 定向多分支本煤层瓦斯预抽钻孔布置示意图
图1-3 常规顶板高位瓦斯抽采钻孔布置形式示意图
3.底板穿层钻孔的布置形式
对于煤层松软、瓦斯突出较为严重的矿井，直接在煤层中成孔存在难度和突出危险，因此一般从煤层底板专用巷道向煤层钻进倾斜钻孔，以达到释放瓦斯压力，减少突出危险的目的。目前很多矿井采用该钻孔布置方式主要是解决回采过程中或掘进过程中，工作面瓦斯超限的问题。钻孔深度一般为80～120m，开孔倾角30°～45°，钻孔直径94～130mm。如淮南谢一矿、谢二矿、淮北芦岭矿、桃园矿等，采用的具体钻孔布置形式见图1-5。使用随钻测量定向钻进技术施工底板穿层钻孔时，可通过造斜延长钻孔在煤层孔段的长度，或在煤层孔段施工分支孔，提高瓦斯抽采效果。
图1-4 顶板高位瓦斯抽采定向钻孔布置形式示意图
图1-5 底板穿层钻孔布置形式示意图
4.松软突出煤层顶板小曲率梳状钻孔
松软煤层由于结构松散、透气性差，在本煤层钻进过程中容易出现喷孔、瓦斯突出、孔壁坍塌等事故，钻孔深度十分有限，严重制约煤矿安全生产，影响掘进和采煤效率。随着定向钻进技术的发展，提出沿煤层顶板岩层中布置水平高位定向长钻孔，并在水平定向孔中从内向外布置向下多分支梳状钻孔进行瓦斯抽采，可避免直接在松软突出煤层中出现钻孔易塌孔、不成孔、效率低、深度受限等问题。首先在开采煤层工作面停止线附近巷道内布置钻场，从煤层向顶板距离开采煤层冒落带高度3～5m处(图1-6中的A点)，以近似水平的角度开孔，开孔方位指向开采工作面;钻进9～15m提钻、扩孔，并安装孔口套管，孔口管长度根据围岩性质确定;然后继续进行近水平定向钻进，采用孔底马达钻具配套随钻测量装置进行轨迹控制，使钻孔轨迹尽量按照设计方向在顶板裂隙带范围内水平延伸，达到主孔设计深度终孔;将小直径大弯角的孔底马达下钻至第一个强制造斜点，调整孔底马达的工具面向角，使其造斜面朝下方进行造斜钻进，使钻孔轨迹保持最小半径延伸直到煤层，为尽量避免出现煤层中卡埋钻具事故，应严格控制穿煤深度，采用“后退式”钻进其他分支孔，最终形成的梳状钻孔如图1-6所示。在有条件的矿井，为了强化煤层瓦斯的抽采效果，对梳状钻孔进行分段压裂，以增强煤层的透气性。
图1-6 煤层顶板小曲率梳状钻孔布置形式示意图