定向鉆進技術(shù)在礦井地質(zhì)勘探的應用

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摘要:煤礦開采工作并非其他工業(yè)或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可比，開采過程中安全要求較高，一旦出現(xiàn)問題，不僅僅會損失物資財產(chǎn)，還會對施工人員、采礦人員的生命安全產(chǎn)生直接威脅。井下定向鉆進技術(shù)應用得好，能夠在很大程度上提高煤礦安全生產(chǎn)，因為煤礦井下定向鉆進技術(shù)對于煤礦的地質(zhì)勘探工作具有重要的支撐作用，能夠降低采礦風險。當然，應用井下定向鉆進技術(shù)時也不能對安全問題置之不理。

關(guān)鍵詞:煤礦;井下定向鉆進技術(shù);礦井地質(zhì)勘探

近些年我國的煤礦井下綜合開采技術(shù)應用較好，提高了煤礦生產(chǎn)的安全性和采礦效率。井下煤層地質(zhì)構(gòu)造對勘探的影響非常大，如果做不好這方面的工作，煤礦井下綜合開采技術(shù)就無法高效應用。在煤礦地質(zhì)勘探中，經(jīng)常使用地質(zhì)雷達等方法。應用這些方法可以精準掌握斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，但是針對高于5m的斷層，這些方法無法有效應用，即便應用了，探測準確度也不是很理想。因此，煤礦井下定向鉆進技術(shù)對5m以下的斷層進行地質(zhì)勘探時，應用優(yōu)勢特別明顯，鉆孔軌跡可以有效控制。這一技術(shù)在使用過程中還存在一些問題，需要再具體應用時根據(jù)現(xiàn)場情況逐一解決。

1定向鉆進技術(shù)概述

1．1工作原理

煤礦生產(chǎn)中的井下定向鉆進技術(shù)是利用水力將礦渣排出洞穴之外，然后一邊鉆進一邊測量，是一種專門用于鉆孔的施工工藝。這種技術(shù)利用泥漿泵的壓力，將水輸送到鉆頭的底部，然后通過鉆頭和孔壁形成的空隙，用水力將礦渣排出，鉆頭轉(zhuǎn)動對煤層產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)切割的動力來源于孔底的螺桿馬達旋轉(zhuǎn)。在這個施工過程中，跟隨鉆頭隨時進行的測量系統(tǒng)能夠?qū)︺@頭底部的活動姿態(tài)參數(shù)進行及時測量、及時調(diào)整。施工人員設(shè)計好施工參數(shù)，鉆頭的角度能夠根據(jù)原先的預定設(shè)計，參考現(xiàn)實施工情況，進行角度、力度等方面的調(diào)整，直到達到預定的鉆孔軌跡為止。當然，定向鉆進技術(shù)也有一定的局限性，硬度系數(shù)高于5的穩(wěn)定煤層比較適用于此項技術(shù)。孔底螺桿馬達等器具是定向鉆進技術(shù)的主要工具，孔洞部位的監(jiān)視器完成實時測量工作，并控制螺桿馬達的鉆進方向，使鉆孔的變化軌跡與預定目標一致。

1．2定向鉆進技術(shù)的施工方法

煤礦定向鉆進技術(shù)能夠勘探煤層走向，還能了解煤礦周圍的地質(zhì)環(huán)境。探頭能夠在深層區(qū)域探測到孔的深度和鉆頭的參數(shù)，準確掌握需探測地點的地層內(nèi)地質(zhì)情況，及時調(diào)整異常鉆孔區(qū)域中間的距離，對其進行深入研究，確定大致方向，再根據(jù)其他輔助技術(shù)對鉆孔的實際位置進行精準定位。明確其位置以后，探測清楚鉆孔所在區(qū)域的地質(zhì)特點和地層變化概況，在實際工作的時候，鉆頭鉆進以后能夠向地面返回巖渣，根據(jù)巖渣的具體情況，就能夠了解鉆孔的上下左右偏差，并掌握鉆孔的空間情況，這時就可以根據(jù)施工要求調(diào)整鉆孔距離。

1．3定向鉆孔的設(shè)計

橫向鉆孔施工技術(shù)必須提前設(shè)計好鉆孔的軌跡。影響定向鉆孔軌跡設(shè)計的因素很多，如鉆孔類型、鉆孔數(shù)量、預計深度、鉆孔的具體位置和分布情況等。在進行鉆孔軌跡設(shè)計之前要全面收集資料，全面掌握，包括鉆孔部的采掘工程平面CAD圖、鉆孔柱狀圖、煤層頂板和底板的等高線圖，還需要了解即將布孔區(qū)域的煤層瓦斯多少、煤層厚度變化情況。鉆孔的方位角必須先做好規(guī)劃研究，在設(shè)計之際，首先要明確方位角和鉆孔施工的相關(guān)要素，然后確定分支孔的數(shù)量、具體在什么位置。分支鉆孔的位置安排要掌握在工作面收縮線之內(nèi)，這樣能夠降低無效孔段。鉆孔設(shè)計深度應該在300～600m范圍內(nèi)。鉆孔的方位角確認以后，還要確定分支孔的方位角，分支孔的方位角不僅應該屬于一個平面，分支孔間距還要均勻分布，一般間距掌握在5～7m之間。鉆孔傾角也要提前安排規(guī)劃，需要慮及多方面的問題，如工作區(qū)域的巖石性質(zhì)情況。要通過綜合柱狀圖等資料確定終孔目標層位，鉆孔的剖面軌跡應該維持在穩(wěn)定延長線之內(nèi)，這樣進行鉆進才能夠取得更好的成效，鉆孔的平面和剖面軌跡應該通過計算機輔助設(shè)計技術(shù)進行。將參數(shù)輸入專門的定向軌跡鉆孔設(shè)計表，根據(jù)具體情況不斷調(diào)整方位角的數(shù)據(jù)，直到符合要求為止。調(diào)整方位角和傾角時，不能忽略鉆孔的彎曲強度，最后將鉆孔的平面和剖面繪圖數(shù)據(jù)引入CAD成圖，并和手動繪圖進行效果對比，然后進一步調(diào)整方位角等參數(shù)，兩個圖形能夠高度擬合才算完成相關(guān)工作。

1．4限制煤礦井下定向鉆孔施工技術(shù)推廣的因素

在定向鉆進施工中，無論使用國外還是國內(nèi)制造的鉆機，都會因為種種原因?qū)е率┕ばЧ⒉焕硐耄绊懥嗽摷夹g(shù)在煤礦井下工作中的推廣應用。定向鉆進技術(shù)對于巖石的性質(zhì)要求極其嚴格，不能廣泛適用于所有地層的定向鉆孔。施工時，如果遇到水敏性巖石層或軟巖石層，就會出現(xiàn)鉆孔垮塌的情況。如果遇到細砂巖等硬質(zhì)巖石，就會影響鉆孔的推進效率。一般硬度大于5或小于5的巖石層比較適合該項技術(shù)。定向鉆進施工技術(shù)還要求操作人員技術(shù)水平高，綜合素質(zhì)好，但是很多煤礦井下工作人員文化水平不高，不能掌握定向鉆進技術(shù)，往往需要經(jīng)過很長時間的培訓，才能完成相關(guān)工作［1］。

1．5新型定向鉆進技術(shù)的概述

在實際開采煤礦資源中，勘測煤礦資源信息是重難點。因此，新型定向鉆進技術(shù)的研發(fā)上是對煤礦資源走向和厚度等想關(guān)信息的勘測工作的重點。在實際勘測中，定向鉆進技術(shù)對進行距離探測以測算探頭實際軌跡和實際位移距離，并確定標高，標高結(jié)合以后測算出煤層走向、形狀，提升了開采效率。新型定向鉆進技術(shù)對順層孔煤層環(huán)境信息勘測起重要作用。一般先對不同位置探頂，通過造斜鉆準確測算出煤層傾斜程度，再開分支活動。在實際鉆孔時，要注意保持鉆孔軌跡，多次測算以明確煤區(qū)角度，并確定鉆孔深度和地下煤層基本信息，最后通開采方法。通過新型定向鉆進技術(shù)還能夠進行采空區(qū)測算:確定鉆孔中心靶，再鉆進，如果鉆孔巷道沒有溢水或是鉆頭卡在地下，證明是采空區(qū)，然后計算采空區(qū)坐標，然后確定正片區(qū)域內(nèi)采空區(qū)實際規(guī)模，最后制定開采規(guī)劃。在進行巷道內(nèi)部勘察時新型定向鉆進技術(shù)也能起到重要作用，能使巷道勘察的工作效率有效提高。在實際施工時，需先選區(qū)切入煤層的內(nèi)部勘測，然后在區(qū)域內(nèi)選擇一塊比較松軟的體層進行進一步的勘測。在勘測的實際施工時，假如出現(xiàn)距離不夠長和探測距離不符合實際等困局，則需要根據(jù)實際的深入進度重新設(shè)計勘察方案，先標記煤層的坐標點。再根據(jù)實際勘測概況測算地下煤層分布情況。依據(jù)已經(jīng)測算出的地下煤層分布情況處理相應的分支孔。在進行陷落柱的測算中新型定向鉆進技術(shù)也能實現(xiàn)發(fā)揮有效作用，也是選取一片土質(zhì)松軟的區(qū)域，然后通過新型定向技術(shù)進行鉆進，如果在鉆進時鉆機的速度變慢或者是停止鉆進，則表示現(xiàn)在的深入?yún)^(qū)域就是塌落柱的所在。然后根據(jù)實際情況重新進行測算活動，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)重新設(shè)計方案。

1．6展望

盡管種種因素限制了煤礦井下定向鉆進技術(shù)的應用范圍和深度，但是總體來說前景比較看好，應用越來越多。我國在相關(guān)技術(shù)應用及設(shè)備制造方面已經(jīng)進入國際前列，但與某些掌握核心技術(shù)的發(fā)達國家相比，仍然存在不少差距，需要繼續(xù)改進。我國應該在完善現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展有線隨鉆測量技術(shù)、無線隨鉆測量技術(shù)，研制相關(guān)裝備，也可以在引進國外先進技術(shù)裝備之后總結(jié)經(jīng)驗，作為參考，研制國產(chǎn)孔底螺桿馬達。煤礦井下定向鉆進技術(shù)的改進還可以引進國外的石油定向鉆進新技術(shù)，研究能夠精準定向的智能鉆進系統(tǒng)，以便更好地控制鉆孔軌跡。如果我國的鉆孔能力能夠達到1500m，那么相關(guān)技術(shù)就能夠進入國際先進行列。煤礦井下定向鉆進技術(shù)可以對鉆孔軌跡進行精準控制，有效延伸預定深度的鉆孔軌跡，還可以多分支同時施工，覆蓋整個工作面，工作效率非常高，一孔可以多用。

2地質(zhì)勘探中定向鉆進技術(shù)的施工方法

煤礦井下定向鉆進技術(shù)可以通過人為控制改變鉆孔的軌跡和轉(zhuǎn)孔的空間分布位置。在探索未知區(qū)域的地層時，通過對鉆探參數(shù)和返回巖石碎渣的性質(zhì)情況，對鉆孔軌跡進行計算控制，從而使施工按照預定目標進行。定向鉆進技術(shù)在應用于地質(zhì)勘探時，有不少施工要求需要注意。首先要確定目標勘測靶點，然后使用適當?shù)姆椒ㄔ诋惓^(qū)域進行探測，然后在采掘工程圖上確定鉆孔的目標靶區(qū)，并參考其他地質(zhì)資料對定向鉆孔的工作參數(shù)進行設(shè)計。其次要在鉆進過程中研究鉆頭返回的巖石碎渣的狀態(tài)變化，確定軌跡的偏差，包括上下偏差和左右偏差，進而確定地質(zhì)的異常區(qū)、鉆孔的空間位置和分布。最后，在定向鉆進施工期間，遇到陷落柱和斷層附近有松散煤層等情況時，會導致鉆頭被卡住，或者遇到采空區(qū)無法返回相關(guān)參數(shù)時，應提鉆至穩(wěn)定區(qū)域，并開分支孔繼續(xù)進行鉆進，直到達到下一個靶點為止。

3定向鉆進技術(shù)應用策略

通過地面鉆孔可以對煤層的基本情況做整體把握，對地下煤層的厚度也可以充分了解其走向，地質(zhì)異常信息等情況也能掌握，但是局部信息無法有效掌握，不能夠提前預測一些重要信息。如果使用定向鉆進技術(shù)，就可以突破這種局限性，了解煤層頂板和底板高度，充分掌握煤層構(gòu)成的具體情況。

3．1對地質(zhì)構(gòu)造進行探測

定向鉆進技術(shù)用于地質(zhì)構(gòu)造勘探的價值潛力巨大，只有應用好這項技術(shù)，進行找礦、開采才有支撐平臺，能夠顯著提高煤礦開采效率和開采質(zhì)量。工作人員在使用井下定向鉆進技術(shù)時，可以通過跟隨鉆頭鉆進的測量系統(tǒng)確定部分區(qū)域的三維坐標，可以設(shè)計若干個分支鉆孔，并確定其三維坐標。對已經(jīng)取得的三維坐標數(shù)據(jù)進行綜合分析，然后進一步對探測區(qū)域的地質(zhì)情況做好預測工作［2］。

3．2對工作面煤層厚度與走向進行探測

在定向鉆進工作中，工作人員應該按照一定的距離設(shè)置不同的探頂和探底分支鉆孔，如果分支鉆孔與煤層的頂板或底板相遇，可以利用儀器獲得的數(shù)據(jù)計算煤層底板和頂板的相對標高，將這些頂板和底板的標高連在一起，就可以得到煤層狀態(tài)變化和煤層傾角等數(shù)據(jù)，再根據(jù)傾角以及走向關(guān)系得到其他結(jié)果。煤層的厚度探測也可以采用這種方法。

3．3巷道斷層勘探

如果遇到比較松軟的煤層巷道，必須提前在遠距離對巷道的周圍地質(zhì)情況做好勘探，可以根據(jù)距離長短適當使用長距離定向孔等技術(shù)，依靠分支孔施工繪制煤層的地質(zhì)坐標，如此就能夠準確掌握異常地質(zhì)情況，還可以找出斷層的分布規(guī)律，給后續(xù)的巷道開掘工作提供依據(jù)。

3．4陷落柱勘探

陷落柱多發(fā)區(qū)一般都在煤層水平面之下，施工人員利用定向鉆進技術(shù)能夠準確確定目標靶點，在對煤層進行施工時，如果發(fā)現(xiàn)返回的巖石碎渣問題特別突出，就說明鉆頭進入了陷落柱，這時就可以利用隨鉆頭轉(zhuǎn)進的測量系統(tǒng)掌握其坐標，然后繪制陷落柱的分布圖，保證煤礦施工具有較高的安全性。

3．5煤田采空區(qū)勘探

在具體地質(zhì)勘探工作中，所有的靶點都要由工作人員進行設(shè)計，靶點距離一般不超過20m，在這個基礎(chǔ)上使用定向鉆進技術(shù)，可以更好地確定靶點，如果鉆頭在鉆進時沒有出現(xiàn)返水的狀態(tài)，說明鉆頭鉆進了采空區(qū)，這個時候就要利用隨鉆系統(tǒng)確定位置坐標，并繪制采空區(qū)的分布圖，支撐以后的煤礦安全生產(chǎn)工作［3］。

3．6做好順層孔煤層地質(zhì)勘探工作

工作人員需要沿著煤層用孔底馬達進行順層勘探孔工作，每隔一個孔就需要重復進行這樣的工作，在工作期間要探測煤層頂板的起伏情況，一般18～24m就要開一個分支口。在保證鉆孔軌跡正確的情況下，要實現(xiàn)頂板下的穩(wěn)定煤層向前延伸，掌握煤層傾角等地質(zhì)構(gòu)造。定向鉆進技術(shù)應用在煤礦地質(zhì)勘探工作中，能夠提高地質(zhì)勘探效率，有效掌握未知區(qū)域的具體情況，從而提高開發(fā)效率，對煤層的走勢和儲量進行準確評估，為以后的礦井建設(shè)工作提供有力支撐。工作人員應該不斷嘗試開發(fā)新的定向鉆進技術(shù)，通過改進設(shè)備，總結(jié)工作經(jīng)驗，提高工作效能。

4確保煤礦井下定向鉆進技術(shù)有效應用的輔助外圍措施

4．1合理布置巷道

在運用煤礦井下定向鉆進技術(shù)時，要優(yōu)化施工策略，合理布置巷道，煤礦要通過合理布置巷道提高工作質(zhì)量，保證井下定向鉆進機的安全性，提高煤礦的生產(chǎn)效能，使煤礦開采具有高度科學性。近年來，煤礦開采技術(shù)水平不斷提升，開采方法逐漸完善，對于煤礦巷道的布置有了很高的要求，合理的巷道布置能夠使開采工作的效率顯著提升，能夠增強安全性，但是巷道布置必須和開采方法結(jié)合，才能使通風效果良好，使巷道的布置工程量降低，從而節(jié)約經(jīng)濟成本。煤礦在進行巷道布置時，應該根據(jù)綜合掘進技術(shù)和開采綜合技術(shù)，實現(xiàn)高質(zhì)高效的生產(chǎn)目標，建設(shè)好巷道才能加快煤礦開采速度。工作人員要合理布置巷道，才能夠最終促進煤礦生產(chǎn)企業(yè)的社會效益和經(jīng)濟效益提升。

4．2選取適宜的開采技術(shù)

爆破開采技術(shù)是我國煤礦開采中經(jīng)常使用的一種技術(shù)，通過對火藥爆炸性能的利用，使煤層產(chǎn)生松動，降低開采工作難度。但是這種技術(shù)有一定的局限性，富含地下水或者有斷層的地段不能使用，否則就會出現(xiàn)煤礦坍塌等危險現(xiàn)象。水力開采技術(shù)主要用于不具備穩(wěn)定性的煤層和邊角煤層的開采，硬度較高的煤層無法使用該項技術(shù)。綜合機械開采技術(shù)能夠連續(xù)作業(yè)，機械化程度高，能夠完成很多難以通過單項技術(shù)完成的工作，多種機械聯(lián)合應用，工作速度很快，工作人員的工作量大大下降，工作效率很高，安全性也會提高。但是該技術(shù)價格昂貴，保養(yǎng)費用高，特別是占用場地面積大，不適用于小型煤礦，只有具備較高經(jīng)濟實力的大型煤礦才適用這種技術(shù)［4］。

4．3完善的瓦斯處理技術(shù)

完善的瓦斯處理技術(shù)也十分重要，如果瓦斯很可能使煤礦井下定向鉆進技術(shù)降低使用價值，完善的瓦斯處理技術(shù)是確保煤礦井下鉆進技術(shù)能夠高效應用的一個必備條件，只有處理好瓦斯問題才能保證安全生產(chǎn)。在煤礦實際開采期間，我國很多企業(yè)都使用了抽放技術(shù)，但是這種技術(shù)往往不能夠有效清除瓦斯，理論與實踐效果相差甚遠，相關(guān)企業(yè)必須通過改進技術(shù)，提高瓦斯處理效能，應選擇合適的排放技術(shù)，降低瓦斯引發(fā)的安全隱患問題，確保生產(chǎn)有效進行，避免企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益損失。科研單位和生產(chǎn)廠家應該投入研發(fā)資金，研發(fā)高效能的瓦斯處理設(shè)備，同時要降低價格，方便企業(yè)廣泛引進，促進我國煤礦獲得較好的發(fā)展局面。

5結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，社會的進步，科學技術(shù)取得了越來越多的成就，煤礦行業(yè)也使用了越發(fā)先進的科學技術(shù)提高生產(chǎn)效能。隨著社會各界資源需求量的增加，煤炭資源的開采要求也在提高，需要使煤炭開采的質(zhì)量和數(shù)量達到這一目標，就要做好地質(zhì)勘探工作。井下定向鉆進技術(shù)在開采前對煤層情況進行測量的一個好方法，能夠使煤礦在開采前充分掌握地質(zhì)情況，使開采工作效率更高，為礦井建設(shè)、地質(zhì)勘探工作提供精準的數(shù)據(jù)，使煤礦獲得更好的發(fā)展局面。開采效能直接影響煤炭的產(chǎn)量和質(zhì)量，而定向鉆進技術(shù)決定了開采技術(shù)的應用是否十分恰當，煤礦要獲得長久的經(jīng)濟效益和社會效益，就要應用包括煤礦井下定向鉆進技術(shù)在內(nèi)的先進生產(chǎn)技術(shù)，以此提高市場競爭力。

參考文獻:

［1］馬明輝．煤礦井下定向鉆進技術(shù)在礦井地質(zhì)勘探中的應用探討［J］．內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2020(18):160－161．

［2］杜海鵬．煤礦井下定向鉆進技術(shù)在礦井地質(zhì)勘探中的應用［J］．內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2019(17):208－209．

［3］張金國．井下定向鉆進技術(shù)在礦井地質(zhì)勘探中的應用［J］．中國金屬通報，2018(11):101+103．

［4］武杰．煤礦井下定向鉆進技術(shù)在礦井地質(zhì)勘探中的應用［J］．內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2018(02):46－47．

作者：周科 單位：中國煤炭地質(zhì)總局