煤矿井下定向钻进技术在断层探测中的应用

煤矿井下定向钻进技术在断层探测中的应用

段中红

富源县能源局后所能源分局 云南 富源 655501

摘要：本文首先阐述了定向钻进技术原理特性，分析了该技术在某煤矿工作面断层探测中的应用实践。该技术的应用实现了对煤矿走向、断层及断距的准确探测，可供参考和借鉴。

关键词：煤矿；定向钻进技术；断层探测

0引言

除了地震法之外，在现如今的我们中国采煤业所实施的地质构造等方面的勘探之中，诸如电法等物探手段已经得到了较为广泛运用。不过，以精度并不高为基本特点的上述两种手段下所采集的数据通常情况下都是较模糊的。在所探距离并不长的情况下，常规的钻孔和钻探的手段也难以将瓦斯异常和富含水的区域予以精确地指示出来。这就造成了煤矿安全事故频发的后果。钻进测量方面技术正是在上述问题严重存在的情况下被引进到我们中国的采煤领域的。随着煤矿井下定向钻进技术的不断发展，现阶段，煤矿井下施工中，采钻孔技术得到了较为广泛的应用，并且日趋成熟。而就我们国家的煤矿井下地质勘探事业而言，钻测量技术所体现出来的优势正在不断地凸显。

1.定向钻进技术基本原理分析

煤矿井下施工过程中，除了常规的泥浆泵和定向钻机以及通栏钻杆之外，诸如测量仪器和螺杆马达等都跟定向钻头一样，为随钻测量定向钻机系统的重要组成部分。钻进工具连接如下图所示：

图1系统连接示意图

2技术特征

2.1定向钻进技术主要特征

该技术的基本原理是这样的：以布孔方案的确定为最重要的前提，在将钻孔参数予以设计的基础上要对钻孔的轨迹进行预测。孔底马达主要对钻头起到带动作用，螺杆马达主要动力来自高压水，其次，就有线随钻测量技术而言，是对孔底的信息起到了重要传输作用的。第三，要对钻孔的轨迹的变化加以控制，就必须对螺杆马达工具面向角予以调节。

2.2随钻测量定向钻进技术主要特征分析

2.2.1参数测量

定向钻进技术在应用过程中，就钻孔数据的采集而言，是在依照距离进行分组的前提下进行的。除了倾角和方位之外，孔深也是钻孔轨迹方面重要的参数。而在测点方面，不管是倾角，还是方位，都是测量系统所提供的。就钻孔轨迹而言，其某测点的诸如水平和左右以及上下位移之类等，都是能够计算出来的。这样，我们就能够得到钻孔设计坐标系方面精确的坐标。如的图所示。

其中

Δ_{L------------}两点之间的距离值

Α_{i-------------}代表钻孔倾角

Θ_{i-------------}代表钻孔方位角

θ_{0-------------}代表X轴的方位角

X-------代表水平位移

Y-------代表左右位移

Z------代表上下位移

图2钻孔轨迹测点坐标计算原理

2.2.2钻孔轨迹控制策略

螺杆钻具弯头方向的实时监控在螺杆马达带有一定弯度的情况下是能够实施的。其原因在于：借助于孔口监视器，我们可以对工具面向角加以调整。而在钻孔轨迹弯曲方向的控制方面，以实施了螺杆钻具弯头方向的调整为前提是完全能够实现的。其相关的调节原理如图3所示。

图3面角对倾角及方位角的影响

2.2.3开分支孔的具体步骤

悬空开分支法在煤矿井下的定向钻进方面的开分支孔方面得到了充分的运用。分支的成功是以钻头完全地落到键槽之中并且跟原来的钻孔脱离为标志的。而长钻孔施工是钻进的具体过程之中所完全能够加以实现的。诸如泥浆泵的泵压和钻进的速度以及给进的压力等钻进工艺方面的参数，在钻进到地质异常区域的情况下一定要有变化发生。而地层方面的条件在这样的情况下是能够初步地加以判定的。在退钻开分支的情况下，继续的探测就能够得以实施。这样，上述的地质异常区就能够得以准确地判定并且加以探测。所以，无论是施工的灵活和探测的精确度特别高，还是速度大，都是煤矿井下地质勘探方面在随钻测量定向钻进技术得以充分运用的前提下的基本特征。

3. 在断层探测方面具体的应用

井下定向钻进技术在中国的现如今的煤矿井下作业之中的推广正在前面地进行。在对单水平立井开拓的采用方面，以分布着3个开采井筒为基本特征的下霍煤矿现代化矿井是一个特别典型的例子。这样的一个煤矿重要开采的为3#煤层。

3.1煤矿的地质环境分析

上述所提及的3号煤层具有结构简单的先天优势。而就距煤层底板0.6m的地方而言，存在着稳定性较好的夹矸^[3]。就具体的工作面而言，现如今借助于Fd34断层和三维地震探测所得到的具体结果，加上地面上所标示的实际位置，研究者就可以通过揭露而得到如图1所示具体的煤矿的地质环境。

3.2 Fd34断层探测的具体情况

就下霍煤矿而言，在其2303工作面的异常地质状况方面的勘探之中，相关人员根据顺槽掘进过程之中所揭露的断层参数实施了工作面内断层结构方面的实际探测工作。就断层而言，定向钻进技术支撑下的断层探测在这样的两种情况下是能够直接地使用的：一是无水量；二是含水量特别小。

3.2.1 Fd34断层施工的具体探测过程

在对工作面所实施的钻探之中，借助于实际测得所得到的资料，就能够对真实的地质情况加以掌握。以下工作在具体的操作之中必须加以做好：首先，将巷道位置较高处在2303运输顺槽距开口1790～2010m段内予以找到。这样，施工者就能够以负角度方向朝下进行钻探打眼。其次，在探眼穿透煤层而探入岩层的情况下，要通过对煤层的穿透，从而在到达岩层的情况下将钻探予以最终地完成。

图4 Fd34断层平面图

3.2.2 Fd34断层探查的结果

探进在距离断层Fd34越近的情况下就会表现得越难。诸如憋泵和塌孔以及卡钻等方面的状况会反复地遇到。钻机进给压力在泥浆泵的压力是8MPa情况下的最高的，也就是21MPa。泥岩和煤泥细粒在断层穿透作业的情况下会钻遇。也就是说，该位置是存在Fd34断层的。

4结语

综上所述，定向钻进技术从实质上看为一种特别有效的长距离探测方法。通过对定向钻进技术的采用，能够将煤矿工作面断层勘探作业予以最终地完成的。相关的实践证明，定向钻进技术在井下探测能力方面显得特别有效。

参考文献

［1］张甲迪，郝世俊，郑玉柱，等.定向钻进技术在Fd13断层探测中的应用［J］.煤矿安全，2018，49(2)：128-131.

［2］张立辉，李伟，范文胜.补连塔煤矿隐蔽致灾因素定向钻孔探查及防治技术［J］.煤炭科学技术，2018，46(4)：46-51.

［3］崔岩波.井下定向钻进技术在孟村矿井DF29断层探测中的应用［J］.化学工程与装备，2016(1)：28-30.