煤礦井下定向鉆進技術在礦井地質勘探中的應用

牛小龍，季 偉

（山東萬祥礦業(yè)有限公司，山東 濟南271104）

現階段我國煤礦井下開采技術種類越來越多，各種新型技術也在不斷應用，煤礦井下地質勘探可以確保煤礦開采時的安全性和高效性，開采技術對煤礦開采的影響也越來越深遠。目前，使用頻率較高的勘探技術主要有三維地震、地質雷達探測、電法等，將煤礦周圍地質環(huán)境進行全面測量，但是這些測量方法不夠精密，無法對鉆孔軌跡進行準確測量，對煤礦掘進的安全高效性產生了一定阻礙。煤礦井下定向鉆進技術可以很好地解決上述問題，現階段的應用頻率也較高，取得的效果也十分良好。

1 礦井定向鉆進技術相關概述

1.1 礦井定向鉆進技術工作原理

定向鉆進技術主要是利用特殊的測量工具、鉆孔工具、工藝設備等進行組合，該技術現階段在地質勘探施工中的應用較為廣泛。主要用到的設備包括送水器、定向鉆機、孔口計算機、通信電纜、下水磁鉆桿等，主要的工作原理是通過馬達旋轉對礦層進行切削。馬達處于運動狀態(tài)，鉆桿柱施工保持不動狀態(tài)，利用馬達旋轉產生的動力帶動鉆頭鉆進碎巖進行工作。

測量技術的應用主要是將孔底的信息進行有效傳輸，之后通過監(jiān)視器對鉆孔軌跡進行全面詳細檢測，隨時掌握鉆孔實際軌跡。隨鉆測量技術的應用主要是將信息傳輸到孔底，再利用馬達合理控制鉆孔軌跡，改變鉆孔的傾角和方位角等保證鉆孔軌跡可以達到預期靶點中。但是需要注意的是，實際鉆孔軌跡可能會和設計的鉆孔軌跡出現偏差，所以工作人員應該對鉆孔情況進行時刻關注，及時調整鉆孔軌跡，這樣鉆孔軌跡才能按照預期方向發(fā)展，向更好的方向延伸。

1.2 準確測量鉆進軌跡

定向鉆進技術在實際使用時應該將方位、孔深、斜傾角三個方面進行結合，建立三維坐標，這樣可以有效提高定向鉆進軌跡的測量準確度。主要的計算方法就是將鉆孔軸線分成不同小段，結合每一段的測量數據，將鉆孔軸線的數據進行疊加計算。在實際測量過程中，會出現測量誤差，只要將誤差控制在合理范圍內即可，否則會對最終結果產生影響。根據計算結果可以看出，定向鉆進軌跡測量可以滿足地質勘探的要求，可以在實際中進行應用。

1.3 鉆進技術的優(yōu)勢

定向鉆進技術是現階段煤礦井下勘驗中應用最為廣泛的技術，針對鉆孔軌跡的合理控制，不僅可以顯著提高礦井井下勘探的工作效率，還可以提高井下作業(yè)的安全性。井下定向鉆進技術還包括測量技術和計算功能，對其合理利用可以達到事半功倍的效果，還可以建立精確的礦層三維坐標，為后續(xù)施工工作奠定良好的基礎。除此之外，還可以設計不同的分支孔，之后計算出三維坐標。要想獲得準確的三維坐標數據，就應該多次對分支進行測量，提升數據的結果準確性，之后利用各種數據進行多點連接，做好統計工作，最后將該區(qū)域的地質構造以及空間分布情況進行詳細繪制，尤其是陷落柱、斷層、采空區(qū)等的分布狀況一定要繪制仔細，這樣才能在具體施工中避開這些區(qū)域，進而提升煤礦礦井采礦施工效率。

2 定向鉆進技術具體施工措施

煤礦井下定向鉆進技術可以對鉆孔軌跡和鉆頭位置進行靈活控制，對位置地質層進行地質勘探工作時，可以結合鉆孔軌跡對鉆孔的位置和深度進行計算。

第一，確定勘測地點的鉆孔位置，利用探測儀器對地質異常區(qū)域進行識別，在礦層采掘過程中結合圖紙對靶區(qū)進行確定，同時結合現有資料合理設計鉆孔。

第二，對地層變化進行準確識別，在實際鉆進過程中隨時觀察巖土性質變化，通過返渣情況來及時進行確定。

第三，區(qū)域如果出現異常，要對鉆孔孔段進行適當縮短，在煤礦地質勘察過程中，通常都會遇到松散、破碎的地段，例如陷落柱、地下斷層等，這對地質勘探工作會產生不同程度的影響，或者某些區(qū)域會出現地質異樣帶，很容易將鉆頭掩蓋。遇到這種情況時，異常區(qū)域的孔段要及時進行縮短，將鉆頭拔出，移動到地質穩(wěn)定的區(qū)域后再繼續(xù)鉆進工作，這樣才能保證地質勘探的工作質量，為后續(xù)的工作提供更多依據和基礎。

第四，確定定點，煤礦開采過程中，首先需要對地質進行全面詳細的勘測，對地下結構進一步了解和明確，尤其是陷落柱、采空區(qū)等區(qū)域要格外注意，這些區(qū)域較為特殊，如果出現意外情況產生的影響就十分巨大，所以要避免安全事故的發(fā)生，降低企業(yè)投入的資金成本。在這一過程中，還要繪制詳細的圖紙，將異常以及特殊區(qū)域進行標注，借助坐標軸尋找并確定定點，將其作為坐標原定。這時就需要利用定向鉆進技術對其進行準確測量，對定點進行確定，提高開采過程的合理性和規(guī)劃性。

除了上述分析的因素以外，還要對煤層動態(tài)變化有全面掌握，由于自然因素或者是人為因素等影響，煤層都會發(fā)生不同程度的變化，所以在地質勘探過程中應該注意煤層的實時變化情況，對實際鉆孔軌跡和預測軌跡之間的變化幅度進行分析和實時掌握，進而得出專場空間布局以及煤層結構。此外，許多鉆井平臺為了節(jié)省時間和投資，都采用了從一個浮動平臺鉆出多口定向井的技術（見圖1）。

3 定向鉆井技術的實際應用分析

地面鉆孔技術可以對礦井井下走向、厚度、地質情況等信息進行探測和了解，地面鉆孔可以對礦層信息進行探測，尤其是大面積礦層，但是這一方法也具有一定局限性，就是只能統計已經探測區(qū)域的相關信息，不能對礦層信息進行提前預測。定向鉆進技術的應用可以很好地解決這一問題，對礦層地質信息進行提前探測，還可以掌握礦層構造的分布情況。定向鉆進技術可以通過測量和計算功能將孔深、方位等進行探測，進而建立三維坐標，在已經探明的鉆孔部位設計不同的分支孔，在利用開分技術進行計算，將三維坐標的數據進行準確化。最后將獲取到的數據做出系統分析，建立出該區(qū)域的實際空間分布情況，有利于后期施工的順利開展。

3.1 探測工作礦層走向

定向鉆進技術在實際應用過程中，主要是對煤礦地質情況進行勘探，主孔位置通常會開鉆多個分支孔，利用礦層地板或者底板的測量結果數據進行計算，同時將其轉化為礦層的標準高度。結合標準高度的不同順序將頂板和底板的數據進行有機連接，這樣就可以計算出礦層的傾斜角度。最后根據各個方面的測量數據，歸納整理，進而得出礦層的實際走向，相關工作人員也可以對礦層走向有更進一步的掌握。探測礦層走向的方法實際上和探測礦層厚度的方法是基本相同的。

3.2 勘探陷落柱

利用定向鉆進技術可以對陷落柱進行勘探，還可以針對陷落柱多發(fā)區(qū)域進行精確鉆進，在設計礦層時也可以及時確定，礦層中如果出現鉆速變慢、鉆頭卡住、鉆孔出現返渣、巖粒出現破碎等現象，基本上可以確定出現陷落柱的情況，還可以確定鉆頭的位置。

隨鉆系統也具有一定的優(yōu)勢，可以標注陷落柱的坐標，同時將陷落柱平面圖進行詳細繪制，還可以指導礦井安全施工工作，提高施工的效率和質量，避免出現差錯。舉個例子來講，有的礦井陷落柱分布較多，如果只是利用普通的鉆進技術很難對陷落柱的具體位置進行確定，礦層頂板的位置也很難準確計算，這也導致煤礦施工進度受到不同程度的影響。應用定向鉆進技術以后，施工人員對礦區(qū)有全面了解以后就可以對靶點進行準確定位，后期鉆孔時也會更加方便。結合鉆孔軌跡可以對破碎帶、陷落柱、斷層等位置進行分析和確定。鉆孔施工確定以后對地質勘探資料的獲取會更加容易，資料也更加寶貴，這也為礦井開采工作效率的提高起到了促進作用。

3.3 勘探采空區(qū)

對采空區(qū)進行勘探時，首先要設計鉆孔靶點，合理控制間距，利用定向鉆進技術對靶點進行命中，如果出現不返水、卡鉆等現象時，可以確定該區(qū)域為采空區(qū)。對其進行勘探時，可以將采空區(qū)的坐標進行確定，進而繪制分布圖，提高施工工作的安全性，避免出現安全事故。大部分礦井都會存在采空區(qū)，這也讓礦井生產的安全性受到了影響，要想明確采空區(qū)的高度和范圍，就要利用定向鉆進技術對工作面進行勘探，對定向鉆孔和分支孔進行定向鉆探。最后，利用實際鉆孔軌跡得出的數據對采空區(qū)具體位置進行計算，進而確定采空區(qū)區(qū)域，礦井區(qū)的工作也會提高高效性和安全性。

3.4 勘探礦層地質

首先對礦層頂板起伏情況進行勘探，之后對礦層地質進行勘探，利用分支孔進行重復施工。對煤礦礦層地質情況進行全面勘探，確保地質結構不會對后續(xù)煤礦采集產生影響。結合礦層頂板和底板的測量數據，將礦層厚度和傾角等進行計算，結果也會更加準確。很多礦井會出現礦層起伏較大的情況，頂板附近也容易出現破碎礦層，情況也較為復雜，使用定向鉆進技術可以對頂板底板進行詳細勘探，確定礦層的厚度，還可以確定起伏較大的礦層，對地質勘探工作具有積極作用。

3.5 勘探斷層巷道

對斷層巷道進行勘探時，可對巷道遠距離開掘工作進行勘探，對頂板和底板施工時則采用長距離定向鉆孔，同時對分支孔進行施工，將坐標進行具測量，將得到的數據結果，繪制成斷層分布圖，對巷道勘探工作也可以起到指導作用，進而實現提高礦井開采工作效率的目的。定向鉆進技術在地質勘探工作中起到了指導施工的作用，對煤礦采集工作的順利展開具有積極意義，還可以提供技術支持。

4 結束語

綜上所述，煤礦井下定向鉆進技術的應用可以提高地質勘探工作的效率和質量，該技術不僅可以對未知區(qū)域的礦層高度、深度、結構等進行探測，還可以將異常地質進行標注，提高礦井生產效率和工作效率。

注釋：

①[美]Norman J.Hyne.石油科技知識系列讀本：石油勘探與開發(fā)[M].劉云生，等，譯.北京：石油工業(yè)出版社，2009.