基于定向钻探技术在矿井防治水中的应用

[摘 要]随着定向钻机的开发和应用，一种高效率、高精度的钻探技术逐步被应用于矿井探放水工程中，并解决了诸多水害探查难题。因此，定向钻探探查水害隐患是今后探放水的趋势之一，该技术的推广对矿井防治水工作具有重要的意义。

[关键词]定向钻探技术；矿井；防治水；

中图分类号：TD745 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）38-0320-01

随着近年来矿区各矿开采范围和深度的增加，矿区内所面临的水害问题日益突出。为防止水害事故的发生，需实施相应的防治水工程和措施，以保证矿井的采掘安全，井下探放水即为矿井防治水的重要手段之一。根据《煤矿防治水规定》的要求，结合矿区各类型水害特征，采用普通常规钻探技术探查水害隐患存在一些弊端，如探查范围有限、存在盲区、钻孔数量多、精确性差等。随着定向钻机的开发和应用，一种高效率、高精度的钻探技术逐步被应用于矿井探放水工程中，并解决了诸多水害探查难题。因此，定向钻探探查水害隐患是今后矿井探放水的趋势之一，该技术的推广对矿井防治水工作具有重要的意义。

1 定向钻探使用的专用工具

1.1 非磁钻铤

非磁钻铤是由一种低碳高铬锰合金钢制成的，经过严格的配比控制，最终具有高强度的机械性能、良好的低磁导率、优异的耐磨性以及极好的精简耐腐蚀开裂性能。

1.2 弯接头

在定向钻井中进行扭方位、定向造斜的专用井下工具就是弯接头，它可以使造斜钻具产生足够的侧向力，以实现钻向的改变。当前使用的弯接头壳体上都划有弯曲方向的标线、内部安装循环套，可以用来进行有线或者单点随钻测斜仪工具面方向的确定。

1.3 井下马达

井下马达分为三大类，分别是电动钻具、容积式马达以及涡轮钻具等。其中容积式马达所钻井眼尺寸与原井眼尺寸保持一致，并且由于其工作转速与空转速幅度相差较小，有利于进行钻头选型。其中以螺杆钻具和迪那钻具最为常用，螺杆钻具由传动轴、旁通阀、万向轴以及马达组成，在压力一定时，钻井液会进入到马达内部使转子转动，在经过万向轴将动力传送到钻头和传动轴上；迪那钻具则是由传动轴、定子、转子、维纳钻具以及轴承总成等几部分组成。

2 定向钻进工艺

（1）测斜。用JJX-3型测斜仪，为定向造斜设计提供钻孔顶角、总方位、点方位分量与合成的水平距等数据。

（2）确定造斜技术参数。根据测斜资料及靶域情况确定造斜主要技术参数：钻头高边指向、工具、安装角。

（3）做好定向前的准备工作。先将孔内岩粉冲净，其次检查螺杆钻并开泵试验转动隋况，然后检查定向仪、钻孔锁定装置和泥浆泵。

（4）下钻。操作要谨慎、下钻要慢，防止跑钻和“呛死”螺杆钻。

（5）定向。先进行孔口定向，此时定向仪地面板输出基准方向作为初始方位。然后将定向仪下放直到定向接头，使定向仪上定向靴与定向节头内定向键吻合，测出定向键初始状态，最后根据设计要求转动钻具，达到工具安装角为止。将定向仪再下人重复几次确认此值无误，将定向仪提出后验证陀螺的漂移。

（6）将钻柱锁定，开泵启动螺杆钻，进行钻进。

（7）提钻：机上余尺钻完，即可提钻。

（8）检查螺杆钻：在地面上打开接头，取出旁通阀，然后边转动驱动轴边冲洗，将岩粉、沙子除净。

（9）测斜检查定向导斜效果，为下次定向钻进提供资料。

3 定向钻探技术与常规钻探技术比较分析

3.1 钻探作业可与掘进同步进行

常规钻探方式在探水作业期间，要求将钻机稳固在掘进工作面，掘进设备必须退后10m范围，并且在探水作业期间，掘进作业无法正常施工、只能停工，这极大的束缚了高产高效掘进设备的生产能力。

千米定向钻探的钻场布置在掘进工作面侧后方，由于钻探轨迹可控，在掘进工作面后方开孔后，可控制钻头绕行到掘进工作面前方探水区域，再继续前行探水，探水作业与掘进作业同步平行进行、互不影响，保证了快速掘进，释放了高产高效掘进设备的生产能力。

3.2 单孔成孔距离长

目前常用的常规钻探技术单孔成孔距离一般为130m，超前距30m，有效超前探距离仅为100m，每掘进1000m则需要搬迁钻机10次，频繁的搬迁增加了作业人员的劳动强度，降低综合作业效率。

千米定向钻探单孔平均成孔距离为500m（最低钻进深度），平均每掘进1000m只需要搬家2次，增加了综合作业效率。

3.3 提高功效降低成本

常规钻机和千米定向钻机每次钻探均要根据水头压力、岩性情况施工相同长度的孔口管，消耗的管材、注浆固管材料、每次钻探后留设的超前距都是一样的，这样常规钻机钻探距离短，搬家、固管的次数多，正常钻探前的准备时间多，造成了施工成本高，耗费时间长，不利于快速高效掘进设备潜能发挥。

3.4 钻探轨迹可控性高

常规钻探技术因为没有准确的定向系统，而无法准确控制钻孔轨迹，实际轨迹与预想轨迹偏差较大，产生了比较多的无效钻探距离，甚至可能出现钻孔导通含水层的现象。

千米定向技术在进行探水钻孔施工时，利用钻机的定向造斜纠偏功能，通过测量系统精确测量，利用电脑软件的分析处理，可及时控制钻头及钻进轨迹。并且可对物探探测的异常区域进行精确靶区探测。

3.5 探测有效区域大

常规钻探技术由于轨迹不可控，探测区域可能不都在影响巷道安全掘进的范围，造成大量无效探测。千米定向钻探技术由于钻探轨迹精确控制，可对影响巷道安全掘进的所有范围进行准确探测，不会超出目标探测范围，所有探测区域均有效。

3.6 补充精确的地质资料

常规钻探技术也可以提前揭露地质构造，补充地质资料，但由于钻探轨迹位置不可知，所以不能精确说明揭露的地质资料的准确位置。千米定向钻探技术，钻探轨迹的每一点坐标都可準确测得，对于揭露的地质情况，可以进行精确描述，详细地补充了地质资料。

3.7 钻探作业安全性高

常规钻探技术若发生孔底压力，则会造成突然退钻，容易给作业人员和设备带来伤害。千米定向钻探技术在钻进过程中，始终保持夹持器夹紧状态，当发生孔底压力时，避免发生突然退钻事故，提高了钻探作业的安全性。

4 定向钻探探水技术及其优势

定向钻探探水技术即采用定向钻机施工长距离钻孔，探查采掘工作面前、下、上方或周边可能存在的水体，如老空水、顶板水或底板承压水等，通过施工的钻孔也可进行注浆封堵水源或加固改造等。与常规钻探相比，定向钻探探水技术存在如下优势：

1）钻孔成孔精度高，偏斜较小。根据常规钻机的特点以及多年的井下探放水施工经验，常规钻机施工过程中钻孔的实际轨迹与设计轨迹偏斜较大，且在同一地点多次施工时容易产生串孔现象，往往达不到设计探查范围或层位。而定向钻机施工时，利用其螺杆马达实时定向功能，能准确控制钻孔钻进轨迹，保证终孔位置准确，误差较小。

2）探水钻孔一次性探查距离远。常规钻机探查距离短，普遍在200～300m内，采掘过程中为保障安全需要循环施工探放水钻孔，其数量多，施工周期长，影响采掘接续。定向钻机的钻进能力强，成孔距离长，如矿区内使用的ZDY6000LD型定向钻机，一次性钻进深度可达千米以上，大大减少了探水循环次数，保障了采掘效率。

3）钻孔轨迹可人为控制，探查效率高。常规钻机只能施工直线钻孔，如当工作面掘进巷道前方存在老空水体时，需扇形或半扇形布置探水钻孔进行探查，其钻孔施工孔数较多，且存在一定的盲区不能完全排除水害隐患。而定向钻机通过螺杆马达定向功能，可施工弧形轨迹钻孔，在掘进巷道前方形成圈闭，以排除水害隐患。

5 结语

由于定向钻井技术的应用范围非常广阔，并且未来发展趋势异常良好，因此我们应对其应用于发展予以足够的重视，通过加大技术投入力度的方式，对出现的问题迅速予以解决，并不断攻克寿命短、造价高等难题，使其能够真正为我国的能源工业发展起到强力的推进作用。

作者简介

岳文波（1986.01-），安徽风台人，2009年7月毕业于淮南职业技术学院矿山地质专业，现供职于中煤新集地勘公司刘庄矿项目部。endprint