矿井定向钻进技术在煤矿地质勘探中的应用

矿井定向钻进技术在煤矿地质勘探中的应用

张家亮

伊泰伊犁矿业有限公司新疆伊犁哈萨克自治州835000

摘要：近年来，矿井定向钻进技术在煤矿地质勘探中得到了广泛的应用。因此，本文就煤矿井下定向钻进技术在矿井地质勘探中的应用进行分析，明确定向钻进技术原理、在地质勘探中的施工方法后。进一步提出该项技术在顺层孔煤层地质勘探、煤田采空区勘探、陷落柱勘探、巷道断层勘探中的具体应用。

关键词：矿井；定向钻进技术；煤矿地质勘探；应用探讨

引言

煤矿井下定向钻进技术近些年发展迅速，该技术是通过泥浆泵产生的高压水，驱动孔底螺杆马达转子回转，通过万向轴和传动轴带动钻头回转的一种钻进工艺，该工艺通过改变孔底螺杆马达弯头朝向进行造斜，同时，配套的随钻测量系统能够实时显示钻孔轨迹和钻孔轨迹空间姿态，从而实现钻孔轨迹可控和精确定位的目的。该技术具有侧钻开分支孔功能，通过该功能可以实现一孔多分支孔的效果。目前，该技术主要用于煤矿井下瓦斯抽放、探放水和地质勘探等钻孔的施工，应用效果显著。

1煤矿井下定向钻进技术及其在地质勘探中的施工方法

1.1定向钻进技术概述

当前，煤矿井下作业大多采用三维地震、电法等手段来探测断层，但这些探测方法对于断距小于5m的断层，缺乏检测精准度，使断层、陷落柱、瓦斯等地质的探测不明，影响煤矿的高效掘进，甚至导致煤矿瓦斯突出或井下渗水等安全事故发生。因此，在煤矿井下生产过程中应用定向钻进技术，在保证作业效率的同时，能够提高生产安全性。要想利用好该项技术，需要了解技术的相关问题。定向钻进技术主要应用于岩层和较稳定煤层的瓦斯抽放钻孔施工中，利用定向钻机及相关的随钻系统，能够通过实时监测，获得相关数据。

1.2施工方法

定向钻进技术最大的特点是，能够人为操控转变钻头孔的轨迹及空间位置。在施工探测过程中，将探头放置在区域深层次中，探测出钻头参数及孔深，可以参照钻孔的轨迹，运算出孔垂的左右位移。通过分析使用中钻探的参数，来勘探出孔前方的煤层走势及孔周围的地质环境川。为进一步掌握钻孔的轨迹，定向钻进技术的施工方法如下：（1）明确勘测点。根据电法仪器检测出地质异常区域，在工程图中，确定钻孔点，根据煤层及巷道等资料，来设置定向钻孔。（2）明确地层变化信息。在进行钻进过程中，要注重返渣岩性的变化，按照实钻的左右偏差，来确定钻场的空间位置。（3）缩短异常孔段区域的钻孔。将施工定向钻孔钻进至煤层的陷落区域或者断层附近的地质破碎区域时，要将钻头提升至岩层稳定区域，进行开分支孔，再钻进下一个钻孔点内。

2煤矿井下定间钻进技术在井下地质勘探中的应用

2.1在顺层孔煤层地质勘探中的应用

在顺层孔煤层的勘探中应用定向钻进技术，具体的勘探方法如下：首先利用“探顶一开分支一再探顶一再分支”的循环钻进方法，展开钻进施工。顺层勘探孔钻进过程有其独特性，孔深每达到60m^-100m时，要继续进行主动探顶施工，主要利用的工具为孔底马达造斜钻，其目的是探究煤层顶板的起伏状况。然后再通过提钻操作，开分支孔。一般情况下，提钻距离在18m-24m之间。整个钻进过程，要求钻孔的轨迹始终处于稳定煤层中；经过反复施工，要获取准确的煤层倾角与褶皱等地质构造，直至达到设计孔深。此后，要沿着分支孔继续进行钻进，直至煤层底部，从而获得煤层底板标高。利用底板标高等数据信息，经过准确的计算，能够获得实际煤层厚度，方便制定相关开采方案。淮北市刘东煤矿在进行井下地质勘探时发现，部分煤层起伏较大，但总体来说较为稳定。经过细致的勘探之后，还发现局部顶板以及顶底板附近，存在一些破碎的煤层。应用定向钻进技术，形成顺层定向钻孔，勘探出岩钻孔的方向、存在的煤层走向及实际厚度。此后，沿煤层施工主孔648m，经过5次探顶、5次探底，总进尺达到1014m，最终勘探出在550m处煤层的起伏较大。

2.2在煤田采空区勘探中的应用

对煤田采空区进行地质勘探，具体方法如下：首先，要设计定向钻孔靶点，一般划定勘探区域后，要以20m为间距设置若干靶点，并利用定向钻技术，精确命中靶点。在实际施工过程中，一点出现钻孔不反水，钻进突快后卡钻等现象，则说明钻头的位置，即为采空区。然后，利用随钻系统，测定出见采空区点的坐标。最后按照坐标信息，绘制采空区分布，以指导煤矿的安全生产。依旧以淮北市刘东煤矿为例，其中一个采区存在煤层埋深较浅的情况，附近有小窑采空区。在勘探施工时，施工2个定向钻孔，3个分支孔，1号主孔中最深的一个分支孔，钻进至402m，与主孔的上下偏差较大，未探测出采空区。在此基础上，在2号主孔当中，重新布置2个分支孔，进行多底勘探，均勘探出采空区。利用获得的实钻轨迹参数，即可明确采空区的在勘探区域当中的相对位置，由此能够保证煤矿生产的安全、高效进行。

2.3在陷落柱勘探中的应用

针对煤矿当中的陷落柱进行勘探，需要经过如下步骤：首先，选择陷落柱多发位置作为勘探区域；然后在煤层水平面上合理设计靶点，利用定向钻技术精确命中靶点。时刻注意煤层施工过程中钻进状态，若出现卡钻、钻速变慢、返破碎岩粒等问题，则说明钻头触碰到陷落柱。此时，即可利用随钻系统，测定见陷落柱点坐标，以坐标信息为参照，绘制相关地质结构分布图，为后续煤矿开采提供可靠依据。以淮北市界沟煤矿为例，探查过程中，发现总回风巷区域的陷落柱发育密度，平均25个/kmz，最初想利用普通钻进工艺，但经过实践尝试发现，普通钻进工艺无法有效辨别陷落柱位置和煤层顶板，且在钻孔过程中，时常因遇到陷落柱而卡钻。此后，更改了钻进工艺，在该区域施工一个定向钻孔，该钻孔中有25个分支孔；其中最大的主孔深度达570m，总进尺2736m。利用勘探所得数据，在煤层采掘工程面图分布图中标注实钻轨迹，结合相关陷落柱、断层位置、破碎带区域，将其应用到煤矿开采过程中，对安全生产的顺利进行提供了可靠的地质资料。

2.4在巷道断层勘探中的应用

利用定向钻进技术勘探巷道断层，首先要找到一处松软煤层，并对巷道前方进行远距离勘探；然后以该松软煤层为切入点进行巷道开掘。在对巷道断层进行勘探时，受施工场地的影响，存在勘探孔施工距离太短的问题，所以在勘探过程中，可适当调整勘探方案，在煤层的底板或顶板处，施工长距离定向孔；同时，沿着煤层方向开分支孔。在最后阶段，整合施工过程所获得的全部见煤点坐标，能够准确绘制煤层地质构造图，便于迅速找到断层。以此为依据，能够指导巷道掘进的顺利、安全进行。

3结语

定向钻进技术具有钻孔轨迹可控可示的优势，本次利用该技术在双龙煤矿回风大巷进行采空区探测，通过6个钻孔的成功高效探测，一方面探明了采空区具体位置范围，为矿方布置采面提供了准确地质资料，消除了安全隐患；另一方面通过本次高效精准探测，也充分说明定向钻进技术用于探测采空区技术可行，且施工效率高精度准，可以大大降低探测成本。

参考文献：

[1]姚宁平，张杰，李乔乔.煤矿井下近水平定向钻技术研究与应用[J}.煤炭科学技术，2011.39（10）：53-57.

[2]姚宁平.我国煤矿井下近水平定向钻进技术的发展CJ}.煤田地质与勘探，2008.356（4）：78-80.

[3]张杰，姚宁平，李乔乔.煤矿井下定向钻进技术在矿井地质勘探中的应用[J].煤矿安全，2013.44（10）：131.