定向鉆進在礦井地質構造探測中的應用

摘 要：本文介紹了定向鉆進技術的工作原理，闡述了在礦井地質構造探測領域中應用定向鉆進技術的應用條件、工作方式和原理以及應用該技術取得的效益，并成功應用在了某礦井的斷層勘探測量實際工作中，為我國煤礦井下以及地下隧道工程等需要地質探測的工程領域提供了寶貴的實踐經驗和技術參考。

關鍵詞：定向鉆進;地質構造;探測

0 引言

隨著采礦領域科學技術的快速發展，我國高產高效現代化礦井越來越多，高水平的綜采技術也日益得到越來越全面的推廣應用，那些高產高效礦井對地下地質構造的超前探測的需求也越來越迫切，也意味著超前探測對煤礦企業安全高效生產的影響也越來越大。目前常規地質鉆探是我國在探測地質構造過程中常用的勘探方法，但是常規地質鉆探存在幾個主要缺陷，就是在鉆探過程中鉆頭的位置和前進軌跡定位誤差比較大，而且常規地質鉆探鉆井深度不大，無法勘察更深層的巖層性質和地質構造，往往對后期工作開展帶來一定困難，比如技術人員很難精準預測深部巖層地質條件等。

自本世紀初開始，隨著國外先進技術和裝備不斷在國內落地，我國的勘測和采礦技術和裝備水平取得了長足的進步，隨鉆測量定向鉆進技術也得到突飛猛進的發展，并在一些煤礦首次應用了井下長距離瓦斯抽采鉆孔技術和裝備，取得了良好的應用效果和推廣效果。隨后，國內一些煤礦企業開始創新性的根據定向鉆進技術的特點，在礦井地質探測過程中將其該技術進行了實踐應用。本文以某礦為研究背景，舉例說明定向鉆進在超前探測地質斷層方面的應用特點和成效。

1 礦井下定向鉆進設備

礦井下定向鉆進裝備主要由以下幾個部分組成：定向鉆機和鉆桿、隨鉆測量儀器、泥漿泵車以及螺旋馬達等?？椎遵R達前端連接鉆頭，通過輸出動力和改變角度，控制著鉆頭的前進和轉向?？椎遵R達后部通過無磁鉆桿與井下鉆車相連，鉆車上面配備各種精密測量儀器。再往后就是泥漿泵車，泥漿泵車通過通纜鉆桿和高壓送水膠管連接到井下鉆車上，泥漿泵車與井下鉆車中間配備孔口監視器，方便實時觀察監測前方鉆頭的鉆進情況和鉆孔運移軌跡。泥漿泵車主要利用高壓水為井下鉆車和前方鉆頭提供前進動力。整個定向鉆進裝備結構復雜，各工作系統緊密聯系配合，共同完成定向鉆進工作。

2 定向鉆進工藝技術和特點

2.1 定向鉆進工藝技術

井下定向鉆進工作原理簡單概述為：根據目標工作地點的有關地質資料制定孔眼布置方案，要求方案符合施工技術要求;提前設計出鉆頭前進軌跡，計算出各測點的準確參數，確定鉆進過程中必須的其他技術參數，為下一步開展鉆孔施工奠定技術基礎。然后根據定向鉆進設備的按照指南對施工設備進行連接和按照，使其能夠正常運轉工作。在定向鉆進過程中，操作人員要操作規范，時刻通過孔口監視器觀察前方鉆進情況，監測鉆孔運移軌跡，利用測量儀器采集有關數據，以便進行后期處理。

2.2 隨鉆測量定向鉆進工藝技術特點

軌跡參數實現了測算的精確性。在對井下地質構造進行超前探測的過程中，定向鉆進技術的成功應用，可以實現對鉆孔軌跡的有關參數的測量和計算，提高了數據的精確性。隨鉆測量系統可以記錄到的鉆孔數據一般包括鉆孔的方位角、傾角等數據。

通過計量鉆桿的累計長度和利用隨鉆測量采集儀器等方法，可以較為準確的獲得一些鉆孔軌跡的主要參數，如孔深和角度等，為后期工作提供了技術支撐。在此基礎上可以利用一些理論知識和公式等方法得到鉆孔軌跡的準確坐標，進而可以對鉆孔軌跡的準確位置進行確定。

鉆孔軌跡實現了人為控制的方式。由于螺桿馬達和隨鉆測量探管的結構特征和連接特點，可以使得馬達和探管一同回轉，而孔口監視器的作用就是實時監控回轉的方向等，進而實現對鉆孔軌跡的人為控制。

開分支孔。懸空開分支法是定向鉆進技術中采用的主要開分支方法。將鉆具彎頭的工具面角向下旋轉180度，通過磨削的方式磨削出向下的鍵槽，通過不斷磨削，鍵槽深度不斷增加，直到鉆頭完全脫離原來的孔洞而落入鍵槽，此時意味著分支成功。

根據該鉆進工藝上述技術特點，為了實現長鉆孔作業，可以通過利用反復探頂和開分支孔的方法，同時又準確定位了煤巖體中的鉆孔。在定向鉆進作業過程中，時不時遇見一些地質異常的情況，這時鉆進壓力、速度等工藝參數都會發生改變。此時可根據鉆孔定位，結合有關地質資料對地質概括做一個初步判定;然后利用開分支鉆進方法繼續鉆探，直到地質條件恢復正常為止。因此，綜上所述，鉆探深、定位精確以及可以靈活施工等特點，使得隨鉆測量定向鉆進技術在地質探測領域得到了較為廣泛的推廣和應用。

3 定向鉆進技術在某礦斷層超前探測中的應用

3.1 斷層概況

根據某礦前期物探資料，某礦井田中部區域存在一條延展長度2500多米、最大落差可達40m的較大斷層，嚴重影響了礦井后期的生產和建設。

3.2 設計思路

按照礦井巷道設計規劃方案，最先通過該斷層的巷道為中央1#回風大巷，結合礦井前期勘探的地質資料和定向鉆進工藝特點，最終決定了一個定向鉆進技術方案。該方案中指出，在距離目標斷層約690m處分別布置一個主孔，三個頂底分支孔。主孔的主要作用是驗證斷層的存在，分支孔的主要作用則是探測煤厚、頂底板巖性等。

3.3 探測過程及結果

在鉆探施工過程中，過斷層鉆孔返出的巖屑中出現了細粒煤樣，且含有少許泥巖，繼續鉆進則出現了塌孔卡鉆等現象，此時停鉆，調整鉆進參數之后，鉆孔始終無法前進，經過分析和研究，最終采用開分支孔的方法進行鉆進。在繼續鉆進過程中頻繁遇到卡鉆塌孔憋泵現象，也多次調整參數，最終一個過斷層鉆孔鉆進至斷層下盤的煤層底板中，此時泥漿泵壓力較大，造成持續塌孔，鉆進工作停止。

通過探測工作，得到以下探測結果：探測頂板的分支鉆孔鉆進了煤層頂板里，為后期判定斷層面位置提供技術參考;過斷層鉆孔鉆進了斷層下盤煤層底板里;根據有關探測結果和資料，初步判定斷層斷距范圍為10-20m之間。探測結果為后期礦井生產工作提供了可靠地質資料。

4 結束語

通過對定向鉆進工藝的裝備和技術特點的介紹，并將定向鉆進技術成功應用于某礦斷層的超前探測工作中，為我國煤礦井下以及地下隧道工程等需要地質探測的工程領域提供了寶貴的實踐經驗和技術參考。

參考文獻：

[1]石智軍，許超，李泉新，張杰.隨鉆測量定向鉆進技術在煤礦井下地質勘探中的應用[J].煤礦安全，2014，45（12）：137-140.

作者簡介：

劉道洲（1982- ），男，湖北南漳人，地質工程師，主要研究方向為礦井防治水。