定向钻进技术在矿井地质勘探的应用

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摘要:煤矿开采工作并非其他工业或农业生产可比，开采过程中安全要求较高，一旦出现问题，不仅仅会损失物资财产，还会对施工人员、采矿人员的生命安全产生直接威胁。井下定向钻进技术应用得好，能够在很大程度上提高煤矿安全生产，因为煤矿井下定向钻进技术对于煤矿的地质勘探工作具有重要的支撑作用，能够降低采矿风险。当然，应用井下定向钻进技术时也不能对安全问题置之不理。

关键词:煤矿;井下定向钻进技术;矿井地质勘探

近些年我国的煤矿井下综合开采技术应用较好，提高了煤矿生产的安全性和采矿效率。井下煤层地质构造对勘探的影响非常大，如果做不好这方面的工作，煤矿井下综合开采技术就无法高效应用。在煤矿地质勘探中，经常使用地质雷达等方法。应用这些方法可以精准掌握断层、陷落柱等地质构造，但是针对高于5m的断层，这些方法无法有效应用，即便应用了，探测准确度也不是很理想。因此，煤矿井下定向钻进技术对5m以下的断层进行地质勘探时，应用优势特别明显，钻孔轨迹可以有效控制。这一技术在使用过程中还存在一些问题，需要再具体应用时根据现场情况逐一解决。

1定向钻进技术概述

1．1工作原理

煤矿生产中的井下定向钻进技术是利用水力将矿渣排出洞穴之外，然后一边钻进一边测量，是一种专门用于钻孔的施工工艺。这种技术利用泥浆泵的压力，将水输送到钻头的底部，然后通过钻头和孔壁形成的空隙，用水力将矿渣排出，钻头转动对煤层产生旋转切割的动力来源于孔底的螺杆马达旋转。在这个施工过程中，跟随钻头随时进行的测量系统能够对钻头底部的活动姿态参数进行及时测量、及时调整。施工人员设计好施工参数，钻头的角度能够根据原先的预定设计，参考现实施工情况，进行角度、力度等方面的调整，直到达到预定的钻孔轨迹为止。当然，定向钻进技术也有一定的局限性，硬度系数高于5的稳定煤层比较适用于此项技术。孔底螺杆马达等器具是定向钻进技术的主要工具，孔洞部位的监视器完成实时测量工作，并控制螺杆马达的钻进方向，使钻孔的变化轨迹与预定目标一致。

1．2定向钻进技术的施工方法

煤矿定向钻进技术能够勘探煤层走向，还能了解煤矿周围的地质环境。探头能够在深层区域探测到孔的深度和钻头的参数，准确掌握需探测地点的地层内地质情况，及时调整异常钻孔区域中间的距离，对其进行深入研究，确定大致方向，再根据其他辅助技术对钻孔的实际位置进行精准定位。明确其位置以后，探测清楚钻孔所在区域的地质特点和地层变化概况，在实际工作的时候，钻头钻进以后能够向地面返回岩渣，根据岩渣的具体情况，就能够了解钻孔的上下左右偏差，并掌握钻孔的空间情况，这时就可以根据施工要求调整钻孔距离。

1．3定向钻孔的设计

横向钻孔施工技术必须提前设计好钻孔的轨迹。影响定向钻孔轨迹设计的因素很多，如钻孔类型、钻孔数量、预计深度、钻孔的具体位置和分布情况等。在进行钻孔轨迹设计之前要全面收集资料，全面掌握，包括钻孔部的采掘工程平面CAD图、钻孔柱状图、煤层顶板和底板的等高线图，还需要了解即将布孔区域的煤层瓦斯多少、煤层厚度变化情况。钻孔的方位角必须先做好规划研究，在设计之际，首先要明确方位角和钻孔施工的相关要素，然后确定分支孔的数量、具体在什么位置。分支钻孔的位置安排要掌握在工作面收缩线之内，这样能够降低无效孔段。钻孔设计深度应该在300～600m范围内。钻孔的方位角确认以后，还要确定分支孔的方位角，分支孔的方位角不仅应该属于一个平面，分支孔间距还要均匀分布，一般间距掌握在5～7m之间。钻孔倾角也要提前安排规划，需要虑及多方面的问题，如工作区域的岩石性质情况。要通过综合柱状图等资料确定终孔目标层位，钻孔的剖面轨迹应该维持在稳定延长线之内，这样进行钻进才能够取得更好的成效，钻孔的平面和剖面轨迹应该通过计算机辅助设计技术进行。将参数输入专门的定向轨迹钻孔设计表，根据具体情况不断调整方位角的数据，直到符合要求为止。调整方位角和倾角时，不能忽略钻孔的弯曲强度，最后将钻孔的平面和剖面绘图数据引入CAD成图，并和手动绘图进行效果对比，然后进一步调整方位角等参数，两个图形能够高度拟合才算完成相关工作。

1．4限制煤矿井下定向钻孔施工技术推广的因素

在定向钻进施工中，无论使用国外还是国内制造的钻机，都会因为种种原因导致施工效果并不理想，影响了该技术在煤矿井下工作中的推广应用。定向钻进技术对于岩石的性质要求极其严格，不能广泛适用于所有地层的定向钻孔。施工时，如果遇到水敏性岩石层或软岩石层，就会出现钻孔垮塌的情况。如果遇到细砂岩等硬质岩石，就会影响钻孔的推进效率。一般硬度大于5或小于5的岩石层比较适合该项技术。定向钻进施工技术还要求操作人员技术水平高，综合素质好，但是很多煤矿井下工作人员文化水平不高，不能掌握定向钻进技术，往往需要经过很长时间的培训，才能完成相关工作［1］。

1．5新型定向钻进技术的概述

在实际开采煤矿资源中，勘测煤矿资源信息是重难点。因此，新型定向钻进技术的研发上是对煤矿资源走向和厚度等想关信息的勘测工作的重点。在实际勘测中，定向钻进技术对进行距离探测以测算探头实际轨迹和实际位移距离，并确定标高，标高结合以后测算出煤层走向、形状，提升了开采效率。新型定向钻进技术对顺层孔煤层环境信息勘测起重要作用。一般先对不同位置探顶，通过造斜钻准确测算出煤层倾斜程度，再开分支活动。在实际钻孔时，要注意保持钻孔轨迹，多次测算以明确煤区角度，并确定钻孔深度和地下煤层基本信息，最后通开采方法。通过新型定向钻进技术还能够进行采空区测算:确定钻孔中心靶，再钻进，如果钻孔巷道没有溢水或是钻头卡在地下，证明是采空区，然后计算采空区坐标，然后确定正片区域内采空区实际规模，最后制定开采规划。在进行巷道内部勘察时新型定向钻进技术也能起到重要作用，能使巷道勘察的工作效率有效提高。在实际施工时，需先选区切入煤层的内部勘测，然后在区域内选择一块比较松软的体层进行进一步的勘测。在勘测的实际施工时，假如出现距离不够长和探测距离不符合实际等困局，则需要根据实际的深入进度重新设计勘察方案，先标记煤层的坐标点。再根据实际勘测概况测算地下煤层分布情况。依据已经测算出的地下煤层分布情况处理相应的分支孔。在进行陷落柱的测算中新型定向钻进技术也能实现发挥有效作用，也是选取一片土质松软的区域，然后通过新型定向技术进行钻进，如果在钻进时钻机的速度变慢或者是停止钻进，则表示现在的深入区域就是塌落柱的所在。然后根据实际情况重新进行测算活动，根据相关数据重新设计方案。

1．6展望

尽管种种因素限制了煤矿井下定向钻进技术的应用范围和深度，但是总体来说前景比较看好，应用越来越多。我国在相关技术应用及设备制造方面已经进入国际前列，但与某些掌握核心技术的发达国家相比，仍然存在不少差距，需要继续改进。我国应该在完善现有研究成果的基础上进一步发展有线随钻测量技术、无线随钻测量技术，研制相关装备，也可以在引进国外先进技术装备之后总结经验，作为参考，研制国产孔底螺杆马达。煤矿井下定向钻进技术的改进还可以引进国外的石油定向钻进新技术，研究能够精准定向的智能钻进系统，以便更好地控制钻孔轨迹。如果我国的钻孔能力能够达到1500m，那么相关技术就能够进入国际先进行列。煤矿井下定向钻进技术可以对钻孔轨迹进行精准控制，有效延伸预定深度的钻孔轨迹，还可以多分支同时施工，覆盖整个工作面，工作效率非常高，一孔可以多用。

2地质勘探中定向钻进技术的施工方法

煤矿井下定向钻进技术可以通过人为控制改变钻孔的轨迹和转孔的空间分布位置。在探索未知区域的地层时，通过对钻探参数和返回岩石碎渣的性质情况，对钻孔轨迹进行计算控制，从而使施工按照预定目标进行。定向钻进技术在应用于地质勘探时，有不少施工要求需要注意。首先要确定目标勘测靶点，然后使用适当的方法在异常区域进行探测，然后在采掘工程图上确定钻孔的目标靶区，并参考其他地质资料对定向钻孔的工作参数进行设计。其次要在钻进过程中研究钻头返回的岩石碎渣的状态变化，确定轨迹的偏差，包括上下偏差和左右偏差，进而确定地质的异常区、钻孔的空间位置和分布。最后，在定向钻进施工期间，遇到陷落柱和断层附近有松散煤层等情况时，会导致钻头被卡住，或者遇到采空区无法返回相关参数时，应提钻至稳定区域，并开分支孔继续进行钻进，直到达到下一个靶点为止。

3定向钻进技术应用策略

通过地面钻孔可以对煤层的基本情况做整体把握，对地下煤层的厚度也可以充分了解其走向，地质异常信息等情况也能掌握，但是局部信息无法有效掌握，不能够提前预测一些重要信息。如果使用定向钻进技术，就可以突破这种局限性，了解煤层顶板和底板高度，充分掌握煤层构成的具体情况。

3．1对地质构造进行探测

定向钻进技术用于地质构造勘探的价值潜力巨大，只有应用好这项技术，进行找矿、开采才有支撑平台，能够显著提高煤矿开采效率和开采质量。工作人员在使用井下定向钻进技术时，可以通过跟随钻头钻进的测量系统确定部分区域的三维坐标，可以设计若干个分支钻孔，并确定其三维坐标。对已经取得的三维坐标数据进行综合分析，然后进一步对探测区域的地质情况做好预测工作［2］。

3．2对工作面煤层厚度与走向进行探测

在定向钻进工作中，工作人员应该按照一定的距离设置不同的探顶和探底分支钻孔，如果分支钻孔与煤层的顶板或底板相遇，可以利用仪器获得的数据计算煤层底板和顶板的相对标高，将这些顶板和底板的标高连在一起，就可以得到煤层状态变化和煤层倾角等数据，再根据倾角以及走向关系得到其他结果。煤层的厚度探测也可以采用这种方法。

3．3巷道断层勘探

如果遇到比较松软的煤层巷道，必须提前在远距离对巷道的周围地质情况做好勘探，可以根据距离长短适当使用长距离定向孔等技术，依靠分支孔施工绘制煤层的地质坐标，如此就能够准确掌握异常地质情况，还可以找出断层的分布规律，给后续的巷道开掘工作提供依据。

3．4陷落柱勘探

陷落柱多发区一般都在煤层水平面之下，施工人员利用定向钻进技术能够准确确定目标靶点，在对煤层进行施工时，如果发现返回的岩石碎渣问题特别突出，就说明钻头进入了陷落柱，这时就可以利用随钻头转进的测量系统掌握其坐标，然后绘制陷落柱的分布图，保证煤矿施工具有较高的安全性。

3．5煤田采空区勘探

在具体地质勘探工作中，所有的靶点都要由工作人员进行设计，靶点距离一般不超过20m，在这个基础上使用定向钻进技术，可以更好地确定靶点，如果钻头在钻进时没有出现返水的状态，说明钻头钻进了采空区，这个时候就要利用随钻系统确定位置坐标，并绘制采空区的分布图，支撑以后的煤矿安全生产工作［3］。

3．6做好顺层孔煤层地质勘探工作

工作人员需要沿着煤层用孔底马达进行顺层勘探孔工作，每隔一个孔就需要重复进行这样的工作，在工作期间要探测煤层顶板的起伏情况，一般18～24m就要开一个分支口。在保证钻孔轨迹正确的情况下，要实现顶板下的稳定煤层向前延伸，掌握煤层倾角等地质构造。定向钻进技术应用在煤矿地质勘探工作中，能够提高地质勘探效率，有效掌握未知区域的具体情况，从而提高开发效率，对煤层的走势和储量进行准确评估，为以后的矿井建设工作提供有力支撑。工作人员应该不断尝试开发新的定向钻进技术，通过改进设备，总结工作经验，提高工作效能。

4确保煤矿井下定向钻进技术有效应用的辅助外围措施

4．1合理布置巷道

在运用煤矿井下定向钻进技术时，要优化施工策略，合理布置巷道，煤矿要通过合理布置巷道提高工作质量，保证井下定向钻进机的安全性，提高煤矿的生产效能，使煤矿开采具有高度科学性。近年来，煤矿开采技术水平不断提升，开采方法逐渐完善，对于煤矿巷道的布置有了很高的要求，合理的巷道布置能够使开采工作的效率显著提升，能够增强安全性，但是巷道布置必须和开采方法结合，才能使通风效果良好，使巷道的布置工程量降低，从而节约经济成本。煤矿在进行巷道布置时，应该根据综合掘进技术和开采综合技术，实现高质高效的生产目标，建设好巷道才能加快煤矿开采速度。工作人员要合理布置巷道，才能够最终促进煤矿生产企业的社会效益和经济效益提升。

4．2选取适宜的开采技术

爆破开采技术是我国煤矿开采中经常使用的一种技术，通过对火药爆炸性能的利用，使煤层产生松动，降低开采工作难度。但是这种技术有一定的局限性，富含地下水或者有断层的地段不能使用，否则就会出现煤矿坍塌等危险现象。水力开采技术主要用于不具备稳定性的煤层和边角煤层的开采，硬度较高的煤层无法使用该项技术。综合机械开采技术能够连续作业，机械化程度高，能够完成很多难以通过单项技术完成的工作，多种机械联合应用，工作速度很快，工作人员的工作量大大下降，工作效率很高，安全性也会提高。但是该技术价格昂贵，保养费用高，特别是占用场地面积大，不适用于小型煤矿，只有具备较高经济实力的大型煤矿才适用这种技术［4］。

4．3完善的瓦斯处理技术

完善的瓦斯处理技术也十分重要，如果瓦斯很可能使煤矿井下定向钻进技术降低使用价值，完善的瓦斯处理技术是确保煤矿井下钻进技术能够高效应用的一个必备条件，只有处理好瓦斯问题才能保证安全生产。在煤矿实际开采期间，我国很多企业都使用了抽放技术，但是这种技术往往不能够有效清除瓦斯，理论与实践效果相差甚远，相关企业必须通过改进技术，提高瓦斯处理效能，应选择合适的排放技术，降低瓦斯引发的安全隐患问题，确保生产有效进行，避免企业的经济效益和社会效益损失。科研单位和生产厂家应该投入研发资金，研发高效能的瓦斯处理设备，同时要降低价格，方便企业广泛引进，促进我国煤矿获得较好的发展局面。

5结语

随着我国经济的发展，社会的进步，科学技术取得了越来越多的成就，煤矿行业也使用了越发先进的科学技术提高生产效能。随着社会各界资源需求量的增加，煤炭资源的开采要求也在提高，需要使煤炭开采的质量和数量达到这一目标，就要做好地质勘探工作。井下定向钻进技术在开采前对煤层情况进行测量的一个好方法，能够使煤矿在开采前充分掌握地质情况，使开采工作效率更高，为矿井建设、地质勘探工作提供精准的数据，使煤矿获得更好的发展局面。开采效能直接影响煤炭的产量和质量，而定向钻进技术决定了开采技术的应用是否十分恰当，煤矿要获得长久的经济效益和社会效益，就要应用包括煤矿井下定向钻进技术在内的先进生产技术，以此提高市场竞争力。

参考文献:

［1］马明辉．煤矿井下定向钻进技术在矿井地质勘探中的应用探讨［J］．内蒙古煤炭经济，2020(18):160－161．

［2］杜海鹏．煤矿井下定向钻进技术在矿井地质勘探中的应用［J］．内蒙古煤炭经济，2019(17):208－209．

［3］张金国．井下定向钻进技术在矿井地质勘探中的应用［J］．中国金属通报，2018(11):101+103．

［4］武杰．煤矿井下定向钻进技术在矿井地质勘探中的应用［J］．内蒙古煤炭经济，2018(02):46－47．

作者：周科 单位：中国煤炭地质总局