煤矿井下定向钻孔在地质探测分析中的应用

吴光亮 山西晋城煤业集团寺河矿 048205

煤矿井下定向钻孔在地质探测分析中的应用

吴光亮 山西晋城煤业集团寺河矿 048205

随着长距离定向钻机在煤矿井下的推广应用，在瓦斯抽放方面发挥出巨大作用的同时，也在地质探测分析中发挥出强大的潜能。利用其钻孔轨迹精确定位的特性，根据钻孔的平面、剖面轨迹，通过计算相应煤层标高、绘制等高线、分析异常点，从而综合分析预测煤层的赋存状态及地质构造等异常区，为矿井采掘布置和安全生产提供可靠的技术依据。

定向钻孔；地质探测

Directional drilling;Geological exploration

前言

山西晋城煤业集团寺河煤矿位于沁水煤田东南边缘，寺河矿井于2002年11月投产，为井工开采，是一座设备先进、管理模式新颖的高产高效现代化矿井。矿井采用斜井分区开拓方式，工作面采用倾向长壁式一次采全高综采工艺开采3号煤层，为高瓦斯矿井，目前核定生产能力为1 0.8Mt/a。近年来，寺河矿引进并成功应用了澳大利亚VLD—1000型井下定向钻机，其不仅能够定向钻进，而且实现了长距离大范围抽放，大大提高了矿井瓦斯抽放能力。在发挥其抽放功能的同时，积累了越来越多的定向钻孔资料，通过对这些钻孔进行解剖、计算、分析，可以准确地分析出某区域的煤层赋存状态及地质异常区。

1 矿井地质概况

地质构造总体上属于简单类。井田基本构造形态为一单斜构造，在此基础上发育了一系列宽缓褶曲，形成井田内岩（煤）层的波状起伏，煤层倾角一般不超过1 0 °，个别地段受构造影响倾角达1 5度左右。断层较少，无岩浆活动。

井田水文地质条件属简单—中等。各含水层间的水力联系微弱，3号煤层的直接充水含水层为顶板K砂岩裂隙含水层，富水性弱。井田内各主要充水含水层为裂隙含水层及裂隙岩溶含水层，含水性受裂隙、岩溶发育程度的影响。在构造裂隙或小断裂及岩溶陷落柱的影响下，可能造成局部富水或沟通与强含水层的水力联系，在局部地段形成水文地质条件复杂化。

井田煤系地层主要为二叠系下统山西组（P1s）、石炭系上统太原组（C3t），共含煤15层，其中山西组3#煤层和太原组9#、15#煤层可采。主采3#煤层平均厚度6.31m，可采系数为100%，属稳定可采煤层，开采条件良好，为低－中灰、高强度的无烟煤，顶板和底板为泥岩、砂质泥岩、砂岩。

该矿属高瓦斯矿井，瓦斯含量平均9.03 —16.6m3/t。矿井瓦斯涌出主要来自本煤层，临近层瓦斯影响较小。煤层无自燃倾向，煤尘无爆炸性。

2 VLD—1000型钻机的定向装置及特性

该钻机机构设计紧凑，具自动行走功能，可适合于井下使用。采用孔底马达进行钻进，不需要钻杆旋转，孔底马达靠高压水驱动，减少了钻杆于孔壁间的摩擦阻力，具有达到1000m的长距离钻进能力。

该钻机具有定向导航的特性。装备有先进的定向钻进检测导线连接单元（DDM MECCA）检测系统，此测量系统包括有孔底测量单元、孔外接收仪器和专用钻杆，专用钻杆中间安装有永久的测量连接导线。

孔底测量单元是一个2650mm长的组合件，外径70mm，与非磁性铜铍短钻杆组合的一个3000mm的钻杆，然后和普通定向钻杆连接。

孔外接收器是一个470×340×100mm的长方形箱体，每次测量结果都会在孔外接收仪器的显示屏上显示，共有9个显示参数：方位角；钻头位置；下行轨迹；左右偏差；上下偏差；时间及日期；仰俯角；孔深；电池状态。孔外接收器可存储6 1 5组数据，这些数据可通过R S 2 3 2下载为EXCEL电子表格形式，在计算机上可很方便地进行分析，并且可以和AutoCAD连接。

专用测量钻杆是N系列钻杆，中心安装有永久电缆，长度3000mm。

测量程序：孔底测量单元——N系列钻杆—孔外接收器显示并存储。整个测量过程非常快，仅在5S之内，钻进效率高。测量的精度也非常高，上下偏差±0.2°，水平偏差±0.5 °。

3 探测分析步骤及实例

3.1 钻孔轨迹成图

（1）把钻孔轨迹数据从存储器中的odadisk盘（见图1）中拷出。

图1 odadisk盘示意图

（2）把拷出的轨迹数据导入DGS成像软件，再用DGS软件生成Excel原始数据文件，在DGS软件内可以看出某钻孔的各项参数和轨迹（见图2）。在导出的Excel原始数据文件中，拷出总长度、方位角、倾角三种数据，作为钻孔轨迹成像数据。

图2 DGS 软件生成的钻孔参数及轨迹示意图

（3）把原始数据文件带入已经编辑好的计算钻孔轨迹的Excel表格，在表格内自动生成钻孔轨迹坐标值（X,Y,Z,），再与Auto CAD 连接绘制出钻孔轨迹。

3.2 煤层赋存状态分析

（1）计算煤层底板标高：实测千米钻机施工位置的孔口标高，由于千米钻机在施工过程中具有探煤顶、探煤底轨迹（见图3），根据孔口实测标高及探顶、探底轨迹计算出顶、底标高，探顶点标高参照附近地勘钻孔资料减去煤层铅垂厚度即可作为煤层底板标高。

图3 钻孔探顶、探底轨迹示意图

（2）绘制煤层底板等高线图，分析赋存状态：根据计算出的底板标高，结合已有巷道及地质钻孔资料，可以绘制出煤层底板等高线图（见图4），从而分析出煤层的赋存状态及地质条件。

图4 根据钻孔轨迹计算标高绘制的煤层底板等高线图

3.3 地质异常区分析预测

（1）单孔异常分析：定向千米钻孔在施工过程中存在遇软煤、塌孔、见矸、顶钻等异常现象，依照其DGS的精确定位，可以做出每一孔、每一分支的剖面和平面轨迹，根据这两种轨迹，可以准确标定出单孔异常位置。

（2）综合确定异常区域：根据单孔异常位置，结合煤层底板等高线图、临近巷道揭露情况和其他地质勘探资料，综合分析，可得出地质异常区（见图5）。

图5 综合分析异常区示意图

4 结束语

VLD—1000井下定向钻机具有精确定向导航的特性，在煤矿同时具有瓦斯抽放和精确地质探测的强大功能，目前在晋煤集团寺河矿已得到了广泛应用，取得了良好的效果。通过对大量的定向钻孔进行解剖、计算、分析，可以准确地分析出某区域的煤层赋存状态及地质异常区，进而为矿井的采掘部署和安全生产提供可靠技术依据和保障。

[1]刘子龙，克里斯·弗睿尔，张津平.VLD型定向钻机在大宁矿瓦斯抽放中的应用[J].煤炭科学技术.2006，5

[2] Brunner D J.Schwoebel J J.Thomas S.A new direction [J].World Coal.1999(3)

Underground directional drilling in geological exploration analysis

Wu Guangliang Sihe coalmine in Shanxi Jincheng anthracite Mining Group 048205

With the long-distance directional drilling application in the coal mine, more and more practice shows that the long-distance directional drilling is not only play a big role in the gas drainage, but also play a strong potential in the analysis of geological exploration.According to the plane drilling and profile path located by the precise drilling trajectory, we calculate the corresponding seam elevation, contour drawing, analysis outliers, furthermore , we comprehensive analysis and forecast coal seam occurrence and geological structure anomalies, the method provides a reliable technical basis for the mining layout and the safety production.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.11.039

吴光亮（1971～ ），男，山西晋城人，毕业于山西矿业学院，现任晋煤集团寺河矿地测科主任工程师，长期从事矿井地质、瓦斯地质和水文地质工作。