煤矿地质钻探技术的应用分析

＊惠磐科

（中煤科工西安研究院（集团）有限公司 陕西 710077）

改革开放后，我国经济进入高速发展的阶段，各行各业对能源的需求量呈现出急速增长的态势，而煤矿目前仍然是我国能源的主要构成。为了最大限度地发现煤矿、开采煤矿和利用煤矿能源，经常采用钻探技术对地质进行勘察，发现和开采煤矿能源。本文简要介绍了钻探技术和其分类，钻探技术在煤矿地质勘探、矿井防水、瓦斯抽放、防灭火方面的应用，及其使用时会产生塌孔、偏斜等问题。

1.钻探技术的介绍

图1 钻探设备安装示意图

钻探技术是指利用钻机和其他钻探设备，在预定的位置向地下钻凿孔眼，取出多个岩样样本，分析岩样中的矿物质分布情况，探查矿产资源的形成时间及其分布规律。由于钻探技术是将钻具及其设备直接作用于岩石上，形成钻孔取样，岩石破碎则是钻孔技术的关键。工程中常采用机械法来破碎岩石，是通过在岩石上施加不同大小的外力，将部分岩石从整体中剥离出来，常见的方法有回转钻进、冲进钻进和冲击-回转钻进等方法。

2.钻探技术的分类

钻探技术根据使用的空间不同、钻进方法不同主要可以分为以下四类。

（1）地面钻探技术。地面钻探技术的施工空间在地层上部，工程空间不受限制，因此可以采用大型的车载钻机或井架作为提升系统，控制钻具的升降，落下钻机套管，同时控制钻机的钻进压力、送钻等工作。再把水龙头、钻柱和泥浆固控设备制成的循环泥浆，经泥浆泵和高压管线输送到井底，利用泥浆的高压能量进行井底冲洗工作。

（2）井下钻探技术。井下钻探机技术与地面钻探机技术的施工空间相反，主要工作空间在地层下部，施工空间受到多方面限制，因此井下钻探技术常采用分体式的小型钻机，是指将泵站、主机和操作台分离开，方便在狭窄的巷道内运输搬迁。随着科技的不断进步，巷道掘进技术也越来越成熟和现代化，大断面巷道可以满足整体式履带钻机的运输，其驱动扭矩教分体式钻机有大幅度提高，因此钻孔深度也成倍增加。

（3）常规钻进技术。常规钻进技术是利用钻机回转器转动钻头来破碎孔底岩石的钻进方法。这种方法适用于各类地层、钻进角度、钻孔深度和钻孔口径，是工程中采用较多的方法。

（4）定向钻进技术。定向钻进技术是指利用自然造斜规律，采取人工造斜手段，或者两者同时使用，使钻机和钻孔按照预定的轨道钻进的方法。定向钻孔技术使用时，由于钻具上配备了实时测量系统，可以时刻监测钻孔所在的位置，一旦发现钻孔偏斜或者位置出错，可以及时修正钻孔的平面和空间位置，实现精确钻孔。因此，钻孔效率高、钻孔深度大[1]是定向钻进技术与普通钻进技术相比最大的优点。同时，定向钻进技术还可以实现单孔钻进和多孔钻进，现已被广泛的应用于煤矿开采的各个阶段，极大地提高了煤矿开采的安全和效率。

3.煤矿钻探技术应用

（1）地质勘探。由于煤矿所处的自然地理环境较为复杂，环境较为恶劣，开采时会遇到各种各样的问题，这就给煤矿开采人员的生命健康与安全造成了极大的危险。因此在煤矿开采之前，必须对其地质情况进行勘探。地质勘探的目的有两个，一是了解和掌握煤矿所处的地层、地质结构情况，二是通过钻探技术详细的了解和掌握煤矿地区的地质构造、地层岩性、地下水分布特征和煤层分布规律。通过对钻探技术取出的岩样样本和水样的检测，为煤矿开采设计和施工提供可靠的地质数据。

（2）矿井防水。矿井大多位于地下，地下水分布规律极其复杂，若只依靠历史资料和工程经验无法准确地判断地下水源的位置，会对矿井的安全和开采造成极大的困扰。其中顶板水害、采空区积水和煤层断裂地下水灌入是煤炭矿井经常会发生的三种水害。工程中经常采用地质钻探技术来探查矿井及周边各地区地下水源和出水的位置，并通过钻探孔道将不利的地下水源导流排出，从而防止后期开采时遇到的各种水害问题[2]。随着科技的不断进步，可用于矿井防水的钻探方法越来越多，如煤矿大口径排水井钻进方法、井下定向探（疏）放水钻进方法、注浆封堵突水通道钻探方法等。

钻探工作难度大，技术要求高，需要施工人员必须熟练的掌握钻探工具，具备过硬的专业技术，而且要充分了解矿井的地质和水文信息，这样才能提高钻探防水的质量和效率，保证开采人员的安全，煤矿开采工作的稳步进行。

（3）瓦斯抽放。瓦斯是煤炭形成过程中的伴随物，是一种密度小，可燃烧的气体。由于瓦斯释放时会产生较大的压力，若瓦斯的释放量过大，可能会引发火灾等严重后果。若在煤矿开采遇到高瓦斯矿井，或煤和瓦斯矿井作业时，随着开采深度的增加，煤层中的地应力和瓦斯压力也会逐渐增大，如果控制不当将会引发严重的安全事故，近年来，我国煤矿安全事故中大部分的伤亡是由此造成的。

在高瓦斯矿井或煤和瓦斯矿井开采前，应先采用钻探技术对煤层进行钻孔施工，根据规范要求，建立固定的瓦斯抽取系统，预先抽取矿井中的部分瓦斯，尽可能地降低煤层中的瓦斯含量，确保开采时瓦斯含量满足安全规定的限额，从而实现安全开采的最终目的。不同特征的煤矿，瓦斯的抽取方法各不相同，如多煤层矿井，采用区域性布置网格预抽的方法；煤层结构稳定，地质条件较好的矿井，采用顺煤层长钻孔预抽的方法。穿层钻孔抽采瓦斯时，必须在矿井顶底板中按照规范要求布置专用的巷道。采用定向钻机长距离抽取瓦斯技术，极大地提高了钻探和掘进效率[3]。

瓦斯是一种高效、清洁的能源，也是我国能源的重要构成成分。在煤矿开采时，要合理的设计瓦斯开采工序，科学、高效的抽取瓦斯，提高能源的利用率。

（4）矿井防、灭火。煤炭是一种可燃性材料，在特定的环境下会自燃，如果在煤矿开采的过程中，发生煤层自燃火灾，将会给工程带来极大的安全隐患和经济损失。煤矿开采时，开采作业面呈现出多、散和同时施工的特点，可能会出现采空区遗煤自燃的现象，从而引发煤矿火灾，尤其是埋藏较浅且采空区较大的地方更容易发生遗煤自燃事件[2]，除重点关注开采区煤层自燃问题，还要关注采空区自燃问题。这样才能保证煤矿开采安全、有序地进行。利用钻探技术，将阻燃材料从地面或者井下巷道灌入到危险区域，可以有效防止煤炭自燃，从而提高矿井开采的安全性。此外，开采时可能会发生应力集中，煤柱变形较大，导致煤柱体内裂隙发育，从而造成漏风现象，采用小钻孔注浆技术可以及时堵漏、加固[3]。

4.煤矿钻探技术的常见问题

(1)塌孔问题

煤矿开采时，工作人员大多都要深入井下采煤，如果工作时安全意识散漫、注意力不集中就有可能引发塌孔危险，塌孔一旦发生，采煤人员逃生通道被堵，在空气稀薄、空间狭小的巷道里，对采煤人员的安全和健康造成极大的危险。据统计，塌孔所引起的煤矿安全事故占总体煤矿安全事故的一半左右。为了确保煤矿开采安全有序的正常进行，一定要重视煤矿的安全教育问题。

塌孔形成的原因主要有以下三点：一是，煤矿勘探时没有完全探查出岩石硬度，钻机工作时遇到岩石层的软硬程度不同，若压力控制无法事实调控，在硬度较小的软岩层钻探时，速度会过快，会造成大量的粉尘堆积，形成塌孔。二是，煤层硬度较低，钻孔时间长、孔道深，钻孔产生的碎屑未能及时排出，导致钻头停滞，引发塌孔。三是，由于地质构造发生变化，钻探时钻头遇到硬度较高的岩层而没有及时调整压力时，会破坏煤层的稳定性，引发塌孔。因此，在开采前要尽可能详细的勘探岩层性质，施工时根据钻头所接触的岩石性质及时调整钻机压力，压力过大或过小都可能会引起塌孔，同时还要控制钻机速度合理。

(2)深孔问题

由于煤矿资源形成条件较为特殊，大多数煤矿都在地下较深位置处，因此煤矿钻探中经常用到深孔钻探。由于煤层结构的特殊性，钻探时要尽可能快的通过煤层，避免因为速度过慢，在煤层中停留时间长，而对煤层的结构稳定造成较大的干扰，增加钻孔风险，加大施工难度。因此在深钻孔前先应详细的勘探煤层地质情况，充分了解和掌握岩层分布规律、施工周期等，依据煤层特性合理的选择钻孔机具，尽可能地择优选取钻孔设备，不能一味的节省成本而选择劣质钻探设备[4]。钻机选取时还要保证有足够的工作空间。例如，全液压动力头钻机，虽然具有较多的钻探优势，但是对安全事故的处理尚未形成全方位的监测管理体系，在很多深钻孔工程中应慎重使用。其次，钻具和钻杆应选取强度和刚度较高的材料制作而成的，不容易发生弯曲和折断，如果选择不当，施工中可能会出现滑扣等不利现象。

施工人员的技术水平也会对深孔钻探造成一定的影响。因此，企业应当安排仪器操作熟练的施工人员来进行钻孔，每次作业时对施工人员进行技术培训，确保钻孔工作能严格按照安全生产和技术规范开展，从而有效避免深孔问题的出现。

(3)钻孔偏斜问题

由于煤矿地质条件复杂、施工人员操作技术和钻探机具等因素的影响，会使得煤矿井下施工时产生钻孔偏斜问题，从而影响地质、水文勘探数据的有效性，给煤矿正常开采带来较多的不确定性因素。因此，在钻探时必须重视钻孔偏斜问题，必须采取有效手段避免或减缓钻孔偏斜对煤矿开采带来的干扰。首先，开始钻孔工作前，必须要检查钻机设备是否牢固、稳定的安装好，尽可能地避免因为仪器松动而导致钻孔偏斜问题的发生。其次，利用专业测量仪器保证机具钻孔中心与立轴中心位于同一条直线，同时还要严格按照技术方案中要求的钻孔方位和倾角等开展钻孔施工作业[3]。如果上述条件满足后，要及时固定地锚或者压车柱，并安排专人定期检查地锚和压车柱的固定情况，以防施工时由于钻机的移动导致钻孔偏斜。最后，施工时必须确保机具孔口管的牢固性，合理的控制钻杆的长度，避免因为钻杆长度过长而出现钻杆摆动幅度过大的现象。对于磨损和弯曲严重的钻具要及时更换，避免其对钻孔施工造成不良影响。

在钻孔工作时，还应及时的调整钻具压力，防止钻杆打弯造成压力过大的情况发生，当岩层硬度发生变化时，应尽可能地先降低钻具压力，待钻具工作一段时间后，施工人员依据钻具钻探情况再合理地调整压力。同时，施工人员还要随时做好地面检查工作，确保钻机是否在地面上发生位置偏移等情况，如果出现偏移请立即停止施工并尽快处理钻机偏移造成的钻孔偏斜。通过上述措施能有效地减缓和避免钻孔偏斜对煤矿开采造成的不良影响。

5.结语

钻探技术是实现安全煤矿开采地重要技术手段，在地质勘探、水害防治、防灭火和瓦斯抽放等方面发挥着重大作用。科技是把双刃剑，钻探技术应用的同时也会出现钻孔偏斜、塌孔和深孔等问题。因此，只有不断的研究新的钻探机技术、钻具和钻杆等，并结合煤矿地质、水文情况合理的利用新技术，不断提高施工作业人员的技术水平，规范操作，才能确保煤矿开采安全、有序的进行。