礦山井下定向鉆孔施工中的關(guān)鍵技術(shù)研究

王長(zhǎng)青

（河南富昌建設(shè)工程有限責(zé)任公司，河南 鶴壁 458000）

隨著我國(guó)向現(xiàn)代化工業(yè)大國(guó)轉(zhuǎn)變，城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的持續(xù)高速發(fā)展，國(guó)家對(duì)礦產(chǎn)資源的需求在逐年增加，所以國(guó)家對(duì)礦山的開采工作也越來(lái)越重視。而井下定向鉆孔工作則是確保礦產(chǎn)資源順利開采的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。鉆孔工作就是在實(shí)地進(jìn)行礦產(chǎn)資源的取樣，然后經(jīng)考察、分析、研究和計(jì)算，確定是何種礦產(chǎn)資源，并獲得該類礦產(chǎn)資源的產(chǎn)狀、成分、儲(chǔ)量、埋藏空間、開采條件等技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，并且在做出對(duì)開采工作有利的科學(xué)正確的評(píng)估后，對(duì)礦區(qū)的資源進(jìn)行實(shí)際開采。但是，當(dāng)前我國(guó)很多礦山的深層礦產(chǎn)資源受地質(zhì)條件和定向鉆孔技術(shù)的限制，還未能實(shí)現(xiàn)充分的開采。基于此，結(jié)合礦山井下定向施工的特點(diǎn)，對(duì)使用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究，希望能夠?yàn)榫麻_采工作的順利開展提供一些方法上的借鑒。

1 礦山井下定向鉆孔施工中的關(guān)鍵技術(shù)

礦山井下的定向鉆孔工作是鉆孔在施工條件允許的彎曲范圍內(nèi)，隨著開采深度的變化，有規(guī)律的將傾角進(jìn)行一定程度上的變化，從而使得鉆孔能夠以理想的角度穿過(guò)礦體，實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源的順利開發(fā)。通常情況下，井下定向鉆孔工作受井下巷道條件的限制，鉆孔設(shè)備、工具必須能夠適應(yīng)井下狹小空間運(yùn)輸、搬遷和施工的要求，采用的鉆孔技術(shù)也必須能夠最大程度地排除井下地質(zhì)環(huán)境的干擾。因而，為了克服井下條件，為了確保礦產(chǎn)資源順利開采，在施工過(guò)程中需要運(yùn)用多種開采技術(shù)，其中最重要的是鉆孔設(shè)計(jì)技術(shù)、成孔工藝技術(shù)、隨鉆測(cè)量技術(shù)和信號(hào)傳輸技術(shù)。接下來(lái)我們進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.1 鉆孔設(shè)計(jì)技術(shù)

礦山井下定向鉆孔工作要想取得理想的鉆探效果，最大可能地排除地質(zhì)環(huán)境的影響，首先使用的就是鉆孔設(shè)計(jì)技術(shù)。井下定向鉆孔設(shè)計(jì)技術(shù)能夠?qū)︺@孔結(jié)構(gòu)、鉆孔布置和鉆孔軌跡進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)。例如，對(duì)鉆孔方位的設(shè)計(jì)，鉆孔設(shè)計(jì)技術(shù)能夠按照中間優(yōu)先然后兩邊的設(shè)計(jì)原則，確定鉆孔開孔的具體方位，還能合理調(diào)整鉆孔方位角，保證各個(gè)鉆孔在設(shè)計(jì)鉆孔的間距內(nèi)分布均勻，以避免出現(xiàn)探放水盲區(qū)的問(wèn)題[1]。鉆孔設(shè)計(jì)技術(shù)在設(shè)計(jì)定向造斜段時(shí)，能夠根據(jù)井下含水層的垂直深度來(lái)調(diào)整鉆孔的實(shí)鉆軌跡，使得鉆孔能夠盡快的進(jìn)入鉆探目標(biāo)層，并且能夠保證進(jìn)入目標(biāo)層時(shí)鉆孔的傾斜角度與地層的傾斜角度相差不大。總的來(lái)說(shuō)，鉆孔設(shè)計(jì)技術(shù)能夠科學(xué)合理地設(shè)計(jì)鉆孔開孔的傾斜角度、開孔方位和相應(yīng)的定向造斜強(qiáng)度，并預(yù)先保留一定的調(diào)整空間，避免出現(xiàn)施工軌跡超出可控范圍的問(wèn)題，保證鉆孔能夠沿著礦產(chǎn)資源分布的地層延伸。

1.2 成孔工藝技術(shù)

礦山井下定向鉆孔成孔工藝技術(shù)是一套全新的鉆孔探測(cè)技術(shù)。成孔工藝技術(shù)能夠針對(duì)礦山井下鉆孔施工的特點(diǎn)，制定一系列完善的定向鉆孔成孔工序流程。首先在鉆進(jìn)時(shí)采用大直徑的螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)和復(fù)合性排渣技術(shù)施工套管段先導(dǎo)孔。然后再變換鉆具，使用比較大規(guī)格的擴(kuò)孔鉆頭，將擴(kuò)孔鉆進(jìn)到孔底，與設(shè)計(jì)的好的套管銜接。最后再下入隨鉆測(cè)量定向鉆孔工具，完成定向鉆孔造斜段和定向穩(wěn)斜段的工作，控制定向鉆孔在目標(biāo)含礦層中長(zhǎng)距離延伸。其中，螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)原理是鉆機(jī)主動(dòng)把回轉(zhuǎn)扭矩傳遞給螺旋鉆桿和鉆頭，然后鉆孔底部的鉆頭因破碎礦層產(chǎn)生的碎屑可以通過(guò)螺旋鉆桿攪動(dòng)的被清除到鉆孔外，從而減少了鉆屑的重復(fù)破碎或局部沉積，保證鉆孔內(nèi)部的干凈[2]。礦山井下定向鉆孔成孔工藝技術(shù)能夠提高大大鉆進(jìn)的效率，并且在很大程度上能夠確保鉆進(jìn)工作的安全，避免發(fā)生鉆孔事故。

1.3 隨鉆測(cè)量技術(shù)

隨鉆測(cè)量技術(shù)即指在鉆進(jìn)工作開展的同時(shí)實(shí)現(xiàn)各種鉆孔參數(shù)持續(xù)且實(shí)時(shí)測(cè)量的技術(shù)。隨鉆測(cè)量技術(shù)主要是對(duì)鉆孔工具的空間參數(shù)、深度參數(shù)、傾斜角度、鉆進(jìn)方位等方面進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)信息計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，從而得到鉆孔的實(shí)際測(cè)量軌跡圖。然后用實(shí)際測(cè)量軌跡圖來(lái)指導(dǎo)定向鉆孔的軌跡預(yù)測(cè)和軌跡控制[3]。隨鉆測(cè)量技術(shù)主要包括加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)組合的測(cè)量系統(tǒng)、加速度計(jì)和陀螺儀組合的測(cè)量系統(tǒng)以及加速度計(jì)組合的重力隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。隨鉆測(cè)量技術(shù)能夠準(zhǔn)確地獲得鉆孔的相關(guān)參數(shù)，隨著井下傾斜角度的變化，能夠始終保持測(cè)量的靈敏度，測(cè)量精度很高，使用方便。

1.4 信號(hào)傳輸技術(shù)

礦山井下定向鉆孔施工過(guò)程中在進(jìn)行了隨鉆測(cè)量后，還需要將測(cè)量到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街骺刂行模Y(jié)合這些實(shí)時(shí)測(cè)量的信息指導(dǎo)鉆孔施工。井下定向鉆孔施工過(guò)程中主要采用的信號(hào)傳輸技術(shù)是有線傳輸技術(shù)、電磁傳輸技術(shù)和聲波傳輸技術(shù)。有線傳輸技術(shù)能夠?qū)в薪涌诘碾娎|預(yù)先埋到鉆桿工具的腔體內(nèi)，每次接觸鉆桿的同時(shí)也能使核心導(dǎo)線互相連通，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。有線傳輸技術(shù)具有傳輸參數(shù)大、速度比較快、不受傳輸媒介影響以及實(shí)現(xiàn)地面和井下的雙向通訊等等優(yōu)點(diǎn)。接下來(lái)是電磁傳輸技術(shù)。電磁傳輸技術(shù)主要是通過(guò)地層介質(zhì)得以實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。井下的測(cè)量?jī)x器將測(cè)到的數(shù)據(jù)輸送到載波信號(hào)上，測(cè)量信號(hào)就能夠隨著載波信號(hào)憑借電磁波發(fā)射器發(fā)射到四周。地面上的檢測(cè)電波器把檢測(cè)到的電磁波中的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行解碼，然后計(jì)算得到測(cè)量數(shù)據(jù)[4]。電磁傳輸技術(shù)的傳輸速率高，測(cè)量數(shù)據(jù)花費(fèi)的時(shí)間短。聲波傳輸技術(shù)則主要是通過(guò)監(jiān)測(cè)鉆具的回轉(zhuǎn)頻率和振動(dòng)聲波來(lái)判斷鉆具的狀況。

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)礦山井下鉆孔施工過(guò)程中采用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，我們可以得知鉆孔設(shè)計(jì)技術(shù)、成孔工藝技術(shù)、隨鉆測(cè)量技術(shù)和信號(hào)傳輸技術(shù)是開展井下定向鉆孔工作必不可少的技術(shù)方法。

但是，通過(guò)分析，我們發(fā)現(xiàn)有的技術(shù)還不是成熟的方法，例如要想發(fā)揮隨鉆測(cè)量技術(shù)的理想效果，還必須解決鉆具體積和可靠性的問(wèn)題，這就有待于進(jìn)一步的探索。