煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)在礦井地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

宋文鵬

（河南永錦能源有限公司云蓋山煤礦二礦，河南 禹州 461000）

0 引言

社會工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對于煤礦行業(yè)來講，高效的作業(yè)方式也被大多數(shù)企業(yè)所采用，隨著競爭壓力的逐漸增大，煤礦區(qū)的產(chǎn)量也愈來愈受限。對于煤礦勘探開采的技術(shù)需求也愈發(fā)強(qiáng)烈。傳統(tǒng)的煤礦勘測水平無法滿足現(xiàn)代化煤礦作業(yè)的要求，由于技術(shù)落后，勘測結(jié)果誤差大，本文就煤礦井下作業(yè)中的定向鉆進(jìn)技術(shù)在施工中的實際應(yīng)用，分析其影響因素，希望給相關(guān)人員提供一定的參考和建議。

1 煤礦作業(yè)中定向鉆進(jìn)技術(shù)的含義

定向鉆進(jìn)作業(yè)技術(shù)是一種新型的并在勘測開采領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的作業(yè)技術(shù)。而定向鉆進(jìn)作業(yè)技術(shù)在我國煤礦勘測作業(yè)中最主要的用途之一就定向鉆進(jìn)行防治水性鉆孔施工、抽采煤礦井下瓦斯等有毒氣體，為保證煤礦井下的勘測作業(yè)能夠正常順利地開展提供一個較為安全的施工和生產(chǎn)環(huán)境，對煤礦的開采起到一定的保障礙物作用。其主要是由井下作業(yè)工具、工藝設(shè)備和測量工具組合在一起使用，通過不斷動態(tài)地調(diào)整鉆孔的運作軌跡，從而使鉆頭沿指定的方向到達(dá)預(yù)計目標(biāo)處，大大提高工作效率，降低施工成本，達(dá)到預(yù)期效果，對于后期工作的開展提供了重要指導(dǎo)和參考，其工作開展相對輕松且安全性大大提高。

定向鉆進(jìn)作業(yè)中，其分支孔的實際應(yīng)用與傳統(tǒng)常規(guī)鉆探的探測技術(shù)相比較，主要有以下優(yōu)勢：能夠?qū)崟r隨著鉆探工作的進(jìn)行計算和儲存探測信息，能夠誤差更小地計算建立出地層結(jié)構(gòu)中的三維坐標(biāo)，再利用其定性分支技術(shù)測算出該點的三維坐標(biāo)，通過一個個三維坐標(biāo)的建立，整體的三維模型建立出來，從而完成對于該區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)勘測工作，誤差與實際值非常之小，通過已施工的大量地質(zhì)鉆孔與實揭煤層剖面的對比，找出地質(zhì)鉆孔偏斜規(guī)律，分析影響因素，通過實踐驗證對比，確認(rèn)地質(zhì)鉆孔偏斜規(guī)律的準(zhǔn)確性。

2 定向鉆進(jìn)技術(shù)及裝備工作原理

定向鉆進(jìn)的作業(yè)適用于巖石硬度的系數(shù)＜5及相對較穩(wěn)定的煤層的硬度f＞5的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中施工作業(yè)。不適用于煤層結(jié)構(gòu)較軟的地質(zhì)中工作。定向鉆進(jìn)整套的設(shè)備設(shè)施主要是由定向鉆機(jī)、高強(qiáng)度鉆桿、泥漿泵、測量探管、通信電纜、馬達(dá)鉆頭和孔口計算機(jī)等主要部件組成。

主要工作原理是由高壓水進(jìn)入送水器，由此通纜鉆桿進(jìn)入孔底的馬達(dá)內(nèi)，產(chǎn)生動能轉(zhuǎn)換來驅(qū)動馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)，然后更高效率地帶動鉆頭的全方位的旋轉(zhuǎn)，對于煤礦層進(jìn)行切割。在定向鉆進(jìn)的作業(yè)過程中，鉆柱保持高度不轉(zhuǎn)的狀態(tài)，僅使用孔底馬達(dá)旋轉(zhuǎn)鉆頭鉆碎巖作業(yè)。通過預(yù)設(shè)的運行軌跡，不斷動態(tài)地轉(zhuǎn)變鉆頭方向，從而達(dá)到預(yù)期的地質(zhì)層結(jié)構(gòu)的目的。通過鉆進(jìn)作業(yè)的進(jìn)行，從而更好地展示出地質(zhì)層結(jié)構(gòu)，根據(jù)理論與實際的偏差，需要通過調(diào)整鉆頭等工具的軌跡來更好地勘測。

3 定向鉆進(jìn)作業(yè)中各技術(shù)的解析

通過滑動孔底電機(jī)的定向鉆進(jìn)：由電機(jī)進(jìn)行定向鉆進(jìn)作業(yè)過程中，通過將工具面的動態(tài)調(diào)整，泥漿泵里面加注來自孔底泵的高壓沖洗液帶動電機(jī)組和鉆頭的轉(zhuǎn)動，是通過鉆具給鉆機(jī)的作用力，進(jìn)而達(dá)到使用鉆頭來碎巖鉆進(jìn)，學(xué)名為孔底電機(jī)滑動定向鉆進(jìn)的技術(shù)。此技術(shù)的特點是：（1）在鉆進(jìn)中僅由鉆頭和來自孔底的轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動，裝具其他部分保持不動，只負(fù)責(zé)軸向滑動作用；（2）在鉆進(jìn)中鉆頭回轉(zhuǎn)動力只由泥漿泵來提供。

復(fù)合型定向鉆進(jìn)技術(shù)：在定向鉆進(jìn)作業(yè)中，孔底泵用泥漿泵將加壓后的高壓水以轉(zhuǎn)化為動力來驅(qū)動鉆頭，由孔底鉆機(jī)來轉(zhuǎn)動。在這種復(fù)合式鉆進(jìn)作業(yè)中，通過試驗可以看到，當(dāng)使用1.25°的單彎螺桿型電機(jī)進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)作業(yè)時，其鉆孔中可看出軌跡傾斜角在呈現(xiàn)出下降的趨勢，而它方位角則有明顯上升的趨勢。而鉆孔軌跡的彎曲曲率顯然小于滑動定向進(jìn)取，且軌跡相對較為平滑。

通過所以上兩種鉆進(jìn)工藝的原理及優(yōu)勢描述，可以將其取其精華去其糟粕，可以采用兩種工藝相結(jié)合的方法進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè)。既達(dá)到了鉆孔軌跡可視化可受人工控制的同時又能將復(fù)合鉆進(jìn)的軌跡平滑性所保留。其結(jié)合的工藝方法在煤礦的井下勘測中使用較多。

4 定向鉆進(jìn)作業(yè)中在勘測的應(yīng)用

4.1 煤礦井下中瓦斯抽采作業(yè)

由于煤礦中含有大量的瓦斯有毒氣體，貿(mào)然地勘測開采將造成瓦斯泄漏對環(huán)境及人員的生命安全造成損失。而定向鉆進(jìn)作業(yè)可以利用其對上下層結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的巖層來進(jìn)行施工，利用分支孔來穿刺到煤炭層的內(nèi)部，來采抽對于松軟煤層的瓦斯。如果因煤層自身的透氣較低的，則需要在鉆孔內(nèi)增壓施工，從而提高煤礦層的透氣性，來達(dá)到治理煤層瓦斯有毒氣體的效果。隨著鉆孔的技術(shù)的應(yīng)用，可以更好地實現(xiàn)在采前、采中和采后聯(lián)合的方式抽采，進(jìn)而提高松軟煤層中瓦斯氣體的治理效果。

4.2 煤礦區(qū)采空的勘測

煤礦井下作業(yè)中定向鉆入和采空的技術(shù)主要應(yīng)用于勘測各個煤礦區(qū)采空的地方，其主要勘測和采空的作業(yè)方法有：在煤礦需要進(jìn)行勘測的區(qū)域內(nèi)設(shè)計可以進(jìn)行定向鉆入和采空的靶點，一般都是以每個靶點間距離為20 m左右為宜，通過使用定向鉆進(jìn)在采空勘測過程中能夠比較精確地命中每一個靶點，需特別注意的一點，若在澆筑和施工時間內(nèi)出現(xiàn)因為鉆進(jìn)的速度快而卡鉆或者是鉆孔后不再返水的情況，那就證明鉆頭所施工的位置恰好是煤礦采空的區(qū)域。若能利用隨鉆計算系統(tǒng)則能更好地測試出各采空點的坐標(biāo)，從而對于數(shù)據(jù)的收集來達(dá)到對采空區(qū)的整體繪制，從而提高煤礦作業(yè)的安全性。

4.3 煤礦井下作業(yè)鉆探防水作業(yè)

對于煤礦井下的作業(yè)對于水防治的過程中，使用鉆孔探測法來進(jìn)行放水是最常見常用的方法。而定向鉆進(jìn)的應(yīng)用，可以使人們能夠依據(jù)鉆孔數(shù)量的估算方法來對井下勘探放水時所處施工場地的環(huán)境狀況進(jìn)行一種全方位的監(jiān)測，并且采用一種定點、定向的施工模式能夠更好地釋放出來自煤層底板承壓水。例如X煤礦運用了定向鉆進(jìn)技術(shù)來進(jìn)行水防治，在選擇了3121的工作面上施工孔做8個，總的進(jìn)尺為2 983 m，而其最大單孔中的放水量達(dá)到120 m3/h，通過試驗數(shù)據(jù)可以顯著地看到鉆進(jìn)作業(yè)技術(shù)的實際應(yīng)用效果是非常好的。

5 結(jié)語

通過本文以上對于定向鉆進(jìn)技術(shù)的內(nèi)涵、工作原理、裝備工具及在煤礦中的實際應(yīng)用，例如瓦斯氣體的抽采、采空區(qū)域的探測和鉆探放水作業(yè)等講述，可以看出定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦的井下作業(yè)中是非常實用的，不僅可以給我們的煤礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的勘探工作更為方便快捷，也能夠使人們對于所不熟悉的陌生地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的開發(fā)治理工作，大大地提高了煤礦作業(yè)生產(chǎn)工作的安全性，從而減少事故也就是降本增效。未來的煤礦井下作業(yè)中，會不斷地開發(fā)出高度智能化、高度精確化、高度質(zhì)量化的科技鉆進(jìn)系統(tǒng)，對于勘測模型及勘測數(shù)據(jù)能夠更智能化地分析，從而匹配出更合適的探錄軟件，繪制出更完整的、更精準(zhǔn)、可靠性高的地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖?？偠灾ㄏ蜚@進(jìn)技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的發(fā)展是不可或缺的，是煤礦作業(yè)中重要的組成部分。其技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠使得煤礦區(qū)的地質(zhì)勘探更準(zhǔn)確、便捷，也使得煤礦工作開展更安全。同時其技術(shù)原理可同樣適用于其他行業(yè)的發(fā)展，其發(fā)展空間、發(fā)展前景巨大。