煤礦井下定向鉆孔在地質探測分析中的應用

吳光亮 山西晉城煤業集團寺河礦 048205

煤礦井下定向鉆孔在地質探測分析中的應用

吳光亮 山西晉城煤業集團寺河礦 048205

隨著長距離定向鉆機在煤礦井下的推廣應用，在瓦斯抽放方面發揮出巨大作用的同時，也在地質探測分析中發揮出強大的潛能。利用其鉆孔軌跡精確定位的特性，根據鉆孔的平面、剖面軌跡，通過計算相應煤層標高、繪制等高線、分析異常點，從而綜合分析預測煤層的賦存狀態及地質構造等異常區，為礦井采掘布置和安全生產提供可靠的技術依據。

定向鉆孔；地質探測

Directional drilling;Geological exploration

前言

山西晉城煤業集團寺河煤礦位于沁水煤田東南邊緣，寺河礦井于2002年11月投產，為井工開采，是一座設備先進、管理模式新穎的高產高效現代化礦井。礦井采用斜井分區開拓方式，工作面采用傾向長壁式一次采全高綜采工藝開采3號煤層，為高瓦斯礦井，目前核定生產能力為1 0.8Mt/a。近年來，寺河礦引進并成功應用了澳大利亞VLD—1000型井下定向鉆機，其不僅能夠定向鉆進，而且實現了長距離大范圍抽放，大大提高了礦井瓦斯抽放能力。在發揮其抽放功能的同時，積累了越來越多的定向鉆孔資料，通過對這些鉆孔進行解剖、計算、分析，可以準確地分析出某區域的煤層賦存狀態及地質異常區。

1 礦井地質概況

地質構造總體上屬于簡單類。井田基本構造形態為一單斜構造，在此基礎上發育了一系列寬緩褶曲，形成井田內巖（煤）層的波狀起伏，煤層傾角一般不超過1 0 °，個別地段受構造影響傾角達1 5度左右。斷層較少，無巖漿活動。

井田水文地質條件屬簡單—中等。各含水層間的水力聯系微弱，3號煤層的直接充水含水層為頂板K砂巖裂隙含水層，富水性弱。井田內各主要充水含水層為裂隙含水層及裂隙巖溶含水層，含水性受裂隙、巖溶發育程度的影響。在構造裂隙或小斷裂及巖溶陷落柱的影響下，可能造成局部富水或溝通與強含水層的水力聯系，在局部地段形成水文地質條件復雜化。

井田煤系地層主要為二疊系下統山西組（P1s）、石炭系上統太原組（C3t），共含煤15層，其中山西組3#煤層和太原組9#、15#煤層可采。主采3#煤層平均厚度6.31m，可采系數為100%，屬穩定可采煤層，開采條件良好，為低－中灰、高強度的無煙煤，頂板和底板為泥巖、砂質泥巖、砂巖。

該礦屬高瓦斯礦井，瓦斯含量平均9.03 —16.6m3/t。礦井瓦斯涌出主要來自本煤層，臨近層瓦斯影響較小。煤層無自燃傾向，煤塵無爆炸性。

2 VLD—1000型鉆機的定向裝置及特性

該鉆機機構設計緊湊，具自動行走功能，可適合于井下使用。采用孔底馬達進行鉆進，不需要鉆桿旋轉，孔底馬達靠高壓水驅動，減少了鉆桿于孔壁間的摩擦阻力，具有達到1000m的長距離鉆進能力。

該鉆機具有定向導航的特性。裝備有先進的定向鉆進檢測導線連接單元（DDM MECCA）檢測系統，此測量系統包括有孔底測量單元、孔外接收儀器和專用鉆桿，專用鉆桿中間安裝有永久的測量連接導線。

孔底測量單元是一個2650mm長的組合件，外徑70mm，與非磁性銅鈹短鉆桿組合的一個3000mm的鉆桿，然后和普通定向鉆桿連接。

孔外接收器是一個470×340×100mm的長方形箱體，每次測量結果都會在孔外接收儀器的顯示屏上顯示，共有9個顯示參數：方位角；鉆頭位置；下行軌跡；左右偏差；上下偏差；時間及日期；仰俯角；孔深；電池狀態。孔外接收器可存儲6 1 5組數據，這些數據可通過R S 2 3 2下載為EXCEL電子表格形式，在計算機上可很方便地進行分析，并且可以和AutoCAD連接。

專用測量鉆桿是N系列鉆桿，中心安裝有永久電纜，長度3000mm。

測量程序：孔底測量單元——N系列鉆桿—孔外接收器顯示并存儲。整個測量過程非常快，僅在5S之內，鉆進效率高。測量的精度也非常高，上下偏差±0.2°，水平偏差±0.5 °。

3 探測分析步驟及實例

3.1 鉆孔軌跡成圖

（1）把鉆孔軌跡數據從存儲器中的odadisk盤（見圖1）中拷出。

圖1 odadisk盤示意圖

（2）把拷出的軌跡數據導入DGS成像軟件，再用DGS軟件生成Excel原始數據文件，在DGS軟件內可以看出某鉆孔的各項參數和軌跡（見圖2）。在導出的Excel原始數據文件中，拷出總長度、方位角、傾角三種數據，作為鉆孔軌跡成像數據。

圖2 DGS 軟件生成的鉆孔參數及軌跡示意圖

（3）把原始數據文件帶入已經編輯好的計算鉆孔軌跡的Excel表格，在表格內自動生成鉆孔軌跡坐標值（X,Y,Z,），再與Auto CAD 連接繪制出鉆孔軌跡。

3.2 煤層賦存狀態分析

（1）計算煤層底板標高：實測千米鉆機施工位置的孔口標高，由于千米鉆機在施工過程中具有探煤頂、探煤底軌跡（見圖3），根據孔口實測標高及探頂、探底軌跡計算出頂、底標高，探頂點標高參照附近地勘鉆孔資料減去煤層鉛垂厚度即可作為煤層底板標高。

圖3 鉆孔探頂、探底軌跡示意圖

（2）繪制煤層底板等高線圖，分析賦存狀態：根據計算出的底板標高，結合已有巷道及地質鉆孔資料，可以繪制出煤層底板等高線圖（見圖4），從而分析出煤層的賦存狀態及地質條件。

圖4 根據鉆孔軌跡計算標高繪制的煤層底板等高線圖

3.3 地質異常區分析預測

（1）單孔異常分析：定向千米鉆孔在施工過程中存在遇軟煤、塌孔、見矸、頂鉆等異常現象，依照其DGS的精確定位，可以做出每一孔、每一分支的剖面和平面軌跡，根據這兩種軌跡，可以準確標定出單孔異常位置。

（2）綜合確定異常區域：根據單孔異常位置，結合煤層底板等高線圖、臨近巷道揭露情況和其他地質勘探資料，綜合分析，可得出地質異常區（見圖5）。

圖5 綜合分析異常區示意圖

4 結束語

VLD—1000井下定向鉆機具有精確定向導航的特性，在煤礦同時具有瓦斯抽放和精確地質探測的強大功能，目前在晉煤集團寺河礦已得到了廣泛應用，取得了良好的效果。通過對大量的定向鉆孔進行解剖、計算、分析，可以準確地分析出某區域的煤層賦存狀態及地質異常區，進而為礦井的采掘部署和安全生產提供可靠技術依據和保障。

[1]劉子龍，克里斯·弗睿爾，張津平.VLD型定向鉆機在大寧礦瓦斯抽放中的應用[J].煤炭科學技術.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

吳光亮（1971～ ），男，山西晉城人，畢業于山西礦業學院，現任晉煤集團寺河礦地測科主任工程師，長期從事礦井地質、瓦斯地質和水文地質工作。