矿井地质勘探中煤矿井下定向钻进技术的应用

朱永泰 陈 静 秦向红

摘 要：為了精确的探测出煤层的走势，清晰的了解陷落柱、采空区及断层等地质构造的情况，同时消除异常地质构造为煤矿生产埋下的安全隐患，本文结合对定向钻技术工作原理的分析，对矿井地质勘探中煤矿井下定向钻进技术的应用展开了一系列分析，希望可以为同行的研究提供一些参考或者借鉴。

关键词：矿井地质勘探；煤矿井下定向钻进技术；应用

随着近年来我国煤矿井下综采技术的全面推广，从煤矿安全高效开采的角度来看，井下煤层地质构造勘探的影响变得愈发明显。当前煤矿中经常会利用的物探手段有地质雷达、三维地震及电法等，利用这些手段可以对断层、陷落柱等地质构造结果进行精确探测，但是对于小于5m断层的探测来说，以上探测手段的精度并不高[ 1 ]。煤矿井下定向钻技术具有钻孔轨迹可控制等一系列优点，这项技术在煤矿井下地质勘探中应用可以充分发挥其价值。基于此，笔者从不同角度针对定向钻进技术在矿井地质勘探中的应用展开了分析和研究。

1 定向钻技术工作原理

定向钻进技术目前主要在岩层硬度系数f<5以及较稳定煤层硬度系数f>5的地质勘探孔施工中应用[ 2 ]。定向钻进主要由高强度中心通缆钻杆、孔底螺杆马达等部分组成。定向钻进技术的工作原理为：利用弯外管孔底螺杆马达等将钻头带动起来进行回转，利用有限随钻测量技术来实现对孔底信息的传输，然后利用孔口监视器实时监测钻孔轨迹，并及时调节螺杆马达工具面向角，通过调节使钻孔倾角发生改变，实现对钻孔轨迹的变化的有效控制，最终保证准确的将钻孔轨迹钻入到靶点中。

2 定向钻进技术在矿井地质勘探中的应用

煤矿井下煤层的煤层厚度、煤层走向及煤层地质异常等信息可以利用地面钻孔探测获得，地面钻孔可以获得大范围内的煤层信息，但是对局部范围的信息获取准确性交底，只能得到揭露煤层的信息，不能实现对煤层信息的超前探测。利用定向钻孔可以提前探测到煤层的地质信息，利用前进式开分支施工工艺展开施工，可以确定煤层顶底板的标高，探测到煤层构造的具体情况。

2.1 探测地质构造

利用随钻测量技术及计算功能，可以计算出地层构造的三维坐标，然后可以在已探明构造点钻孔部位设计多个分支孔，利用定向开分支技术计算出该点的三维坐标。最后，对获得的多组三维坐标点数据展开分析，就可以勾勒出该区域地质构造的实际空间分布情况。

2.2 探测工作面煤层厚度与走向

在定向主钻孔中应该按照相应距离来设置不同探顶和探底分支钻孔，如果分支钻孔钻遇到了煤层顶板或者煤层底板，这时可以充分利用仪器得到的数据对钻与顶板、底板相应点的上下位移进行计算，然后将其转化成该点的相对标高，然后按照相对标高的顺序将多个探顶板、探底板分连在一起，这样就可以计算得到钻煤层倾角，最后结合煤层倾角、走向之间的关系可以得到工作面煤层的具体走向。煤层厚度探测也可以按照上面提到的方法进行。

2.3 陷落柱勘探

陷落柱多发勘探区域多数情况下位于煤层水平面以上，这种情况下利用定向钻进技术可以保证命中靶点的精确性，在实际煤层施工过程中如果突然遇到钻孔返渣见破碎岩粒、卡钻蹩泵等现象，说明探测过程中钻头遇到了陷落柱[ 3 ]，这时可以有效利用随钻系统，仔细的测量每个见陷落柱点的坐标，进而绘制出煤层采掘平面图中陷落柱的分布，进而为煤矿安全施工提供指导。

2.4 巷道断层勘探

在开掘松软煤层巷道的过程中，需要远距离对巷道前方进行勘探，如果本煤层勘探孔的施工距离过短，可以利用底板施工长距离定向孔，或者也可以长距离在煤层顶板进行定向孔钻进，向煤层方向进行多个分支孔的施工，准确的将煤点坐标测量出来，结合见煤点坐标将煤层中的地质坐标绘制出来，这样一来分析异常带时就会非常方便，可以及时将断层分布找出来，为后续巷道掘进提供指导。

2.5 煤田采空区勘探

在勘探区域中，应对定向钻孔的不同靶点进行设计，通常情况下，靶点与靶点之间的间距应该在20m左右，这种情况下利用定向钻进技术通常可以准确的命中靶点精确，当施工过程中出现了钻孔不返水等相关现象，则说明钻头的位置就是采空区，这时利用随钻系统可以对各见空区点的坐标进行测量，然后绘制出采空区的分布，为后续煤矿安全施工提供指导。

2.6 顺层孔煤层地质勘探

顺层勘探孔的特点在于钻井过程中需要沿着煤层每隔一段孔深利用孔底马达造斜钻进主动探顶，仔细探测煤层顶板的起伏情况，再提钻一段距离（通常为18～24m）进行开分支孔。在钻孔轨迹得到了充分保证的情况下，逐渐在顶板下稳定煤层中向前延伸，与此同时还要钻进，这样经过反复的施工，达到对煤层倾角、褶皱等地质构造进行勘探的目的，煤层底板探测出以后，可以与探测出来的煤层顶板标高、底板标高相结合，对煤层倾角、厚度等参数进行计算。

3 结语

综上所述，定向钻进技术在煤矿井下勘探中的应用，不仅可以使井下地质勘探更加方便、快捷，同时还能实现对未知区域不同地层的开发与治理，并煤层的储量与走势进行科学评估，在此基础上为矿井建设提供有效的勘探手段。在未来的工作中，我们应该在煤矿井下工作中不断尝试开发高精度地质导向智能钻进系统，仔细的分析和研究相关检测量元件，与钻返渣相结合对探头附近岩性及地质构造变化进行分析。还能在当前的技术技术上开发出更加适合的随钻勘探录井软件，与地震、电法等仪器现结合得到检测结果，在此基础上绘制出具体区域的地质构造图。总之，应用定向钻进技术不仅可以为煤矿井下地质勘探工作提供便利，同时在固体矿产井下勘探中这项技术的应用空间也非常大，为矿井建设、地质构造勘探提供精确的勘探手段。

参考文献：

[1] 石智军，许超，李泉新，张杰.随钻测量定向钻进技术在煤矿井下地质勘探中的应用[J].煤矿安全，2014（12）：137-140.

[2] 杜利猛，石浩，姚盼盼，吕军锋.水平定向钻进技术在胡底煤矿地质构造勘探中的应用[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2014（6）：38-43.

[3] 姚宁平，张杰，李泉新，宋昱播，刘睿全，李浩.煤矿井下定向钻孔轨迹设计与控制技术[J].煤炭科学技术，2013（3）：7-11+46.