基于井下定向鉆孔的礦井地質異常體探查方法與應用

方 俊

基于井下定向鉆孔的礦井地質異常體探查方法與應用

方 俊

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

地質異常體是礦井災害發生的主要隱蔽致災因素，井下鉆探工程是進行地質異常體探查、驗證和治理的重要技術手段。針對常規鉆孔探查距離短、精度低，且易存在探查盲區的不足，介紹了采用井下定向鉆孔進行地質異常體探查的方案。總結地質異常體空間形態、巖性和鉆探等識別特征，給出探查定向鉆孔軌跡布設原則，得到基于定向鉆孔的地質異常點和地質異常體空間計算定位方法，并從鉆孔布設間距、鉆孔軌跡測控精度、地層和地質異常識別精度、地質異常體發育規模等方面分析定向鉆孔探查精度影響因素與解決方法。在焦作趙固二礦和寧東梅花井煤礦開展地質異常體探查試驗，采用主孔與分支孔結合實現巷道條帶煤層穩定性探查，探查距離達到621 m；采用定向鉆孔群實現工作面充水水源區域探查，單孔最大出水量為10.2 m3/h，并對充水水源進行了疏放。試驗結果表明，井下定向鉆孔具有探查精度高、距離遠等優點，實現地質異常體精確定位，為礦井災害事故防治提供技術保障。

地質異常體；定向鉆孔；空間定位；探查精度

地質異常體是引發礦井安全事故的主要誘因，近80%的礦井重大事故均與地質異常體相關，并往往造成礦井生產建設工程變更或報廢[1]。

地質異常體探查可從根本上對導致礦井災害發生的潛在危險源進行超前排查和治理，有效避免災害事故的發生，是礦井安全生產的重要技術保障。從探查手段上，可分為物探、鉆探與化探，形成了“物探先行、鉆探驗證、化探跟進”的綜合探查技術體系[2]。相對而言，井下鉆探工程最為直接，且可進行地質異常體治理，其施工方法主要包括常規回轉鉆進技術、穩定組合鉆具受控鉆進技術和隨鉆測量定向鉆進技術3種。

其中常規回轉鉆進技術利用鉆機驅動鉆桿柱帶動鉆頭回轉破碎煤巖層，是最常用的探查鉆孔施工方法。薛洪來等[3]利用常規鉆孔對石門揭煤區域煤層地質情況進行了勘查；楊艷濤等[4]進行了采空區鉆探驗證分析；郝志勇等[5]分析了鉆桿回轉速度、鉆壓等與煤體應力的關系，為沖擊地壓鉆探預測提供了依據。但由于其軌跡不可控，存在探查精細度差、探查距離短等不足。

20世紀90年代開始，國內開發出了基于穩定組合鉆具的定向鉆進技術，初步實現了煤礦井下鉆孔人為控制鉆進。石智軍等[6]研制形成了上仰、保直和下斜3種類型穩定組合鉆具，主要應用于瓦斯抽采，并推廣應用于采空區、充水水源探查等領域，取得了良好試驗效果。但是穩定組合鉆具僅可控制鉆孔傾角，且需頻繁提鉆更換孔中鉆具組合，適用于精度要求較低的探查定向鉆孔施工，不能滿足精細探查工程需要。

20世紀80年代，國外開始研究基于螺桿鉆具的隨鉆測量定向鉆進技術裝備，最大成孔深度達到2 151 m，實現了從“受控鉆進”到“幾何導向鉆進”的跨越[7-8]。我國從2005年開始進行相關研究，成功實現了裝備國產化，廣泛推廣應用于礦井瓦斯抽采與水害防治領域，并先后4次創造了1 881、2 311、2 570、3 353 m的孔深世界紀錄，目前已達到國際領先水平[9-11]。

井下定向鉆孔具有軌跡可精確測控、目標地層鉆遇率高、鉆孔深度長、可多分支施工等優點。本文結合煤礦井下定向鉆孔特點和地質異常體識別要求，研究定向鉆孔探查地質異常體的原理、定位方法和精度影響因素，并開展現場試驗驗證，對提升礦井災害防治能力具有重要理論意義和工程價值。

1 技術原理

采用井下定向鉆孔進行地質異常體探查的技術原理如圖1所示，利用定向鉆孔主孔施工技術進行遠距離超前探查，確定地質異常體，利用側鉆分支技術施工多個角度的分支鉆孔進行區域覆蓋，采用隨鉆測量定向鉆進技術精確測控鉆孔和地質異常體空間位置，利用鉆探特征和巖性特征進行地質異常體識別，結合地質異常體識別和軌跡測量，建立地質模型，實現地質異常體精確定位，并利用探查定向鉆孔進行治理[12]。

圖1 定向鉆孔探查煤礦地質異常體原理

2 地質異常體識別特征及探查鉆孔布設

2.1 常見地質異常體及其識別特征

斷層、陷落柱、煤層穩定性、采空區、充水水源等為礦井常見的地質異常體[13-15]。各地質異常體的內涵、形成機理和致災特點不同，均具有顯著的空間形態特征、巖性特征和鉆探特征，可作為定向鉆孔探查要點和探查識別判據，具體識別特征見表1[16-19]：

2.2 探查定向鉆孔布設

根據不同類型地質異常體特點，進行探查定向鉆孔空間軌跡設計。

1) 斷層

斷層平面上呈“線”狀特性，應盡量垂直斷層探查延伸范圍；當確定斷層存在及其空間位置后，可施工平面分支孔查明延伸范圍，施工垂直分支孔查明斷距。

2) 陷落柱

陷落柱的典型特征是使地層局部出現缺失，并被其他地層所替代，應結合其“點”狀特性，以鉆孔與陷落柱的交點為基礎進行探查。鉆孔間距合適，避免漏掉小型陷落柱。

3) 煤層穩定性

利用定向鉆孔探查煤層厚度、產狀等穩定性參數時，以側鉆開分支技術為依托，采用主動探查頂板、底板的方法，獲得煤層起伏情況；將煤層頂板和底板探查數據結合，即可計算出煤層厚度。

表1 地質異常體識別特征[16-19]

4) 采空區

采空區的空間尺度相對較大，平面上多呈長條狀分布，呈“面”狀特性，探查定向鉆孔首先應覆蓋一定的平面范圍，并在垂向上具有一定的探查高度差。同時可適當預留分支點，以對采空區內可能存在的積水進行疏放。

5) 充水水源

充水水源多分布于特定的層位和導水構造中，具有相對“聚集”的特點，應盡可能使主孔在預定目標層位內延伸，同時設計上仰分支孔，使探查孔覆蓋一定厚度的空間范圍。

3 地質異常體空間定位

探查定向鉆孔施工過程中，實時測量其空間軌跡參數，并根據地質異常體識別特征判斷鉆進地質異常點和地質異常體類型，由定向鉆孔軌跡參數獲取各地質異常點的空間坐標后，計算出地質異常體的準確空間參數。

3.1 井下定向鉆孔軌跡參數測量與計算

1) 井下定向鉆孔軌跡參數測量

井下探查定向鉆孔的空間軌跡參數均可由孔深、傾角和方位角等3個基本參數計算得到，其中孔深采用鉆桿累加的方法獲得，傾角和方位角由礦用隨鉆測量系統在鉆進過程中實時測量。

2) 井下定向鉆孔軌跡參數計算

與礦井空間坐標系不同，煤礦井下建立了定向鉆孔描述專用的相對坐標系，即：以開孔點為原點，軸正方向為鉆孔主設計方位線延伸方向，軸水平順時針旋轉90°為軸正方向，軸正方向為豎直向上。

利用隨鉆測量系統獲取的基礎參數，采用均角全距法進行鉆孔軌跡計算[20-21]，其公式為：

式中：X、Y、Z分別為第個測點的水平位移、左右位移和上下位移，m；θ、θ－1分別為第、–1個測點的傾角，(°)；α、α－1分別為第、–1個測點的方位角，為磁方位，(°)；為鉆孔主設計方位角，為磁方位，(°)；ΔL為第段鉆孔長度，即測量間距，m。

3.2 地質異常點空間坐標計算

由于井下定向鉆孔描述采用專用相對坐標系，而礦井平面圖和工程設計均采用高斯平面坐標系，因此，需要將鉆孔測點和地質異常點在相對坐標系下的空間坐標值轉換為礦井空間坐標系值，如圖2所示。

圖2 礦井空間坐標系與井下定向鉆孔相對坐標系

從采掘工程平面圖中獲得開孔點高程0；利用式(2)，可將探查定向鉆孔不同測點和地質異常點的相對坐標值中的上下位移轉換為高程。

式中：D為定向鉆孔第個測點的高程，m；0為開孔點高程，m；H為第個測點的上下位移，m。

高斯平面坐標系中中央子午線為真北方向線，而相對坐標系中的鉆孔主設計方位和測量得到的鉆孔方位角均為磁方位，真北方向線和磁北方向線之間存在一個夾角，即磁偏角。鉆孔相對坐標與礦井平面坐標轉換時，需要將磁方位校正換算成真方位角，兩者的轉換關系見下式：

式中：t為以真北方向為正北方向的鉆孔方位角，(°)；m為以磁北方向為正北方向的鉆孔方位角，(°)；為磁偏角，東磁偏角為正值，西磁偏角為負值，(°)。

根據鉆孔相對坐標系的主設計方位選擇方法可知，礦井高斯平面坐標系與鉆孔相對坐標系的夾角(圖3)為：

式中：β為礦井高斯平面坐標系與鉆孔相對坐標系的夾角，(°)。

根據歐拉定理，礦井高斯平面坐標系與鉆孔相對坐標系相當于進行了一次旋轉和一次平移，礦井高斯平面坐標值與相對坐標值的轉換關系如下式。

式中：n為東偏值，m；n為北偏值，m；0為開孔點東偏值，m；0為開孔點北偏值，m。

從采掘工程平面圖中獲得開孔點東偏值0、北偏值0，利用探查定向鉆孔相對坐標系和平面坐標系轉換公式(5)，將鉆孔測點和地質異常體的相對坐標值，即水平位移和左右位移，轉換為平面坐標值，即東偏值和北偏值，之后即可在礦井平面圖上進行繪制和顯示。

3.3 地質異常體空間參數獲取

1) 斷層

根據探查定向鉆孔軌跡和鉆遇地質異常點空間數據，繪制斷層和探查定向鉆孔剖面圖，如圖4所示，其中、是定向鉆孔與斷層線的交點，、、、是定向鉆孔與煤層底板的交點，即、、、、、的空間坐標已知。

圖4 定向鉆孔探查斷層原理

將斷層線、斷層附近煤層底板簡化為直線，上盤底板與斷層交點為，下盤底板與斷層交點為，則斷層落差為兩盤底板與斷層面交點、的高程差值，斷層平錯為上下兩盤底板與斷層面交點、的平面坐標差值。過點向直線作垂線，相交于點，線段長度即為地層斷距。

直線、、的公式見式(6)，即：

將、、、、、的空間坐標代入式(6)，可得1、2、3、1、2、3的具體數值。根據3條直線的方程，可計算出、兩點的空間坐標。

當3=0時，則點的坐標為式(7)。

式中：X為點的水平位移，m；Z為點的上下位移，m；X為點的水平位移，m；Z為點的上下位移，m。

當3≠0時，則直線的公式為式(8)。

將點的空間坐標代入式(6)，可得4的具體數值。根據直線和直線的方程，可計算出點的空間坐標。

則斷層的空間參數如式(9)所示。

式中：1為斷層落差，m；2為斷層平錯，m；3為斷層斷距，m；X、Z、X、Z、X、Z分別為、和點的水平位移和上下位移，m。

2) 煤層穩定性

煤層穩定性主要探查煤層傾角和厚度。煤層傾角是指煤層與水平面的夾角。采用定向鉆孔進行探查時，通過多個頂板探查分支孔和底板探查分支孔施工，可以得到多個見頂點和見底點的高程坐標，如圖5所示，依次連接各見頂點和見底點，形成頂板折線和底板折線。

圖5 定向鉆孔探查煤層傾角原理

將探查定向鉆孔查明的見頂點空間參數代入下式，即可獲得鉆孔延伸方向上的煤層視傾角。

如圖5所示，采用內插法可以獲得任意水平位移的頂板、底板高程計算公式(11)，即頂板、底板高程折線方程：

式中：rni為第段頂板折線上任意水平位移的頂板高程，m；fni為第段底板折線上任意水平位移的高程，m；fn為第個見底點的高程，m；f(n－1)為第–1個見底點的水平位移，m；fn為第個見底點的水平位移，m；f(n－1)為第–1個見底點的水平位移，m；fni為第段底板折線上任意一點的水平位移，m；rni為第段頂板折線上任意一點的水平位移，m。

將同一位置頂板高程與底板高程相減即可得到煤層厚度，即：

式中：hi為第段鉆孔處任意水平位移處的煤層厚度，m。

根據多個探查定向鉆孔獲得的煤層厚度參數，可以得到煤層厚度在平面上區域變化情況，并繪制出煤層厚度等值線圖和厚度云圖。

3) 陷落柱

陷落柱一般呈橢圓形或圓形，根據幾何學可知，橢圓的一般方程為：

式中：、、、、為常數。

采用定向鉆孔探查陷落柱時，可以施工5個分支孔查明陷落柱邊界上5個點的坐標，如圖6所示。

圖6 定向鉆孔探查陷落柱原理

將5個探查點的平面坐標值代入式(13)，即可得到陷落柱的方程。然后根據式(14)即可求得陷落柱的幾何中心，根據式(15)可求得陷落柱長軸傾角，根據式(16)可求得長軸和短軸的長度。

式中：C、C分別為陷落柱幾何中心的東偏值和北偏值，m；為陷落柱的長軸傾角，(°)；、分別為陷落柱的長軸長度和短軸長度，m。

得到陷落柱平面參數后，可在當前探查定向孔內施工分支孔，或從不同方向施工其他探查定向孔，對陷落柱邊界進行驗證。

4) 采空區

煤層開采工作面一般呈長方體排列，因此，采空區一般也呈長方體存在，其邊界范圍可采用分支孔進行探查，主要包括垂向分支孔、橫向分支孔和軸向分支孔。對于特殊形狀的采空區，可以直接將各地質異常點連接起來，即形成采空區邊界。

采空區高度可根據垂向分支孔得到，等于最上方與最下方垂向分支孔貫通點的上下位移差值，見式(17)。

式中：為采空區高度，m；up、down分別為最上方與最下方垂向分支孔貫通點的上下位移值，m。

采空區的平面參數可根據5個邊界點確定，其中2個位于采空區邊界線的同一條線上，如圖7所示。

圖7 定向鉆孔探查采空區原理

以點為坐標原點，將各點坐標值進行歸零處理，見式(18)。

圍繞點旋轉角度，使采空區矩形平面與原坐標軸平行，根據歐拉定理，旋轉后的各探查點坐標值見式(19)。

則采空區長度與寬度見式(20)：

5) 充水水源

充水水源一般賦存在含水地層、地質構造或開采導致的空區或裂隙中。當探查地質構造、老空區內的充水水源時，其賦存空間參數與地質構造和老空區探查方法類似；當探查含水地層中的充水水源時，可根據探查定向鉆孔出水點信息，將出水點繪制在礦井采掘平面圖上，采用圓滑曲線依次連接最外側出水點，即可得到出水區域范圍平面圖。充水源探查原理如圖8所示。

圖8 定向鉆孔探查充水水源范圍原理

4 定向鉆孔探查精度影響因素分析

采用井下定向鉆孔對地質異常體進行探查時，地質異常體空間參數的探查精度主要受鉆孔布設間距、鉆孔軌跡測控精度、地層和地質異常識別精度、地質異常體發育規模等影響。

4.1 鉆孔布設間距

采用定向鉆孔進行探查時，雖然可以直接揭露隱蔽致災因素，但是鉆孔影響區域較小。為全面得到隱蔽致災因素的空間參數，可從以下三方面提高探查精細度：① 結合礦井生產資料、前期物探數據和礦方探查精細度要求，進行探查定向鉆孔的空間姿態設計，既可提高探查準確性，又可降低工程成本；② 利用分支孔施工技術，從不同方向對隱蔽致災因素進行全空間探查，減少探查鉆孔數量，提高探查效率，降低探查成本；③ 利用礦井瓦斯抽采、水害防治等生產鉆孔施工數據，對隱蔽致災因素進行精細探查和確認。

4.2 鉆孔軌跡測控精度

隱蔽致災因素的空間參數根據探查鉆孔的軌跡確定，其探查精度受鉆孔軌跡的測控精度影響。鉆孔軌跡的測控精度又可分為計算精度、測量精度和軌跡控制精度3方面[22-23]。

其中鉆孔軌跡的計算精度主要受測量間距、測量深度基準選取等影響，可縮短測量間隔提高測量精度，測量深度宜以探管安裝位置為基準。

鉆孔軌跡的測量精度包括參數的檢測精度和傳輸穩定性兩方面，應盡量采用高精度隨鉆測量系統，提高鉆孔軌跡參數的測量精度，同時應滿足參數遠距離穩定傳輸需要。

鉆孔軌跡的控制精度與鉆孔軌跡預測、控制技術有關，應根據鉆孔軌跡控制需要，設定實鉆軌跡的最大允許偏差，然后結合定向鉆具造斜能力，提前對鉆孔軌跡進行預測，考慮鉆進反扭矩作用，在鉆孔軌跡偏斜量達到閾值之前，選擇合適的造斜點，對鉆孔的傾角、方位角進行調整，確保定向鉆孔軌跡精確控制。

4.3 地層和地質異常識別精度

隱蔽致災因素具有顯著的巖性特征，探查過程中，目前主要根據現有的鉆探特征，結合孔口返渣、鉆進參數變化、鉆進過程中的瓦斯噴孔異常、突水異常和卡埋鉆事故異常等進行地層識別，可根據含煤地層地球物理特征，開發隨鉆地層識別技術，提高地層和地質異常體的識別精度。

4.4 地質異常體發育規模

地質異常體的發育規模越大，其探查特征越明晰，探查定向鉆孔對其識別越準確。小規模的地質異常體需要提高探查定向鉆孔的施工密度，會增加探查定向鉆孔的工程成本。

5 現場試驗

5.1 趙固二礦煤層穩定性探查

在焦作趙固二礦11061工作面進行了煤層穩定性探查試驗，為掘進巷道設計提供依據。礦井煤層厚度6 m，共完成1個孔深621 m的探查定向鉆孔，并施工頂板探查分支孔5個、底板探查分支孔7個，鉆孔實鉆軌跡剖面如圖9所示，鉆孔軌跡參數、探查得到的頂板和底板數據見表2。

圖9 趙固二礦煤層穩定性探查定向鉆孔實鉆軌跡

5.2 梅花井煤礦充水水源探查

寧東鴛鴦湖礦區梅花井煤礦114202工作面內發育有M502向斜，其軸部及兩翼賦水性相對較強，煤巖層裂隙較為發育，極易造成地下水匯聚，形成富水區；后期頂板采動裂隙成為工作面充水的主要通道，嚴重影響工作面回采安全。

表2 趙固二礦探查定向鉆孔軌跡參數和頂底板探查數據

利用定向鉆孔對工作面M502向斜軸兩翼范圍內2號煤和4號煤之間的砂巖裂隙孔隙層間承壓含水層的充水水源進行超前探查，若存在含水體，則利用探查定向鉆孔進行疏放。

現場試驗共完成5個主孔和2個分支孔，累計進尺2 799 m，最大鉆孔深度615 m，鉆孔實鉆軌跡和出水情況如圖10所示，單點最大出水量為5 m3/h，單孔最大出水量為10.2 m3/h。

圖10 梅花井煤礦充水水源探查定向鉆孔實鉆軌跡和出水情況

探查結果表明工作面內M502向斜軸西翼頂板含水層內幾乎不含水，東翼靠近114202綜采工作面機巷的頂板含水層弱含水，其他區域幾乎不含水，整體上M502向斜軸兩翼含水量均較小。利用探查定向鉆孔對M502向斜軸東翼頂板充水水源進行了疏放，之后順利完成工作面回采，回采過程中，未發生頂板突水現象。

5.3 推廣應用情況

基于井下定向鉆孔的地質異常體探查方法已在國內多個煤礦進行了推廣應用，如在寺河煤礦、孟村煤礦進行了斷層探查，在汝箕溝煤礦、白芨溝煤礦進行了采空區探查，在大陽煤礦、杜兒坪煤礦進行了陷落柱探查，在趙固一礦、紅柳煤礦開展了充水水源探查，在榆家梁煤礦開展了煤層穩定性探查與透明工作面構建，與傳統探查方法相比，采用井下定向鉆孔探查的精度高、距離遠、周期短，并可進行隱蔽致災因素治理，取得了顯著應用效果。

6 結論

a. 介紹了基于煤礦井下定向鉆孔的礦井地質異常體探查方法，采用主孔遠距離超前探查確定地質異常體存在性，利用側鉆分支技術施工多個角度的分支鉆孔進行立體化區域覆蓋，結合地層識別和軌跡測量，實現了地質異常體精確定位，趙固二礦和梅花井煤礦現場試驗結果驗證了該方法的可行性，為礦井災害事故防治提供了新手段。

b. 選擇斷層、陷落柱、煤層穩定性、采空區、充水水源等作為探查對象，分析了其空間形態特征、巖性特征和鉆探特征，建立了定向鉆孔探查識別判據，并根據各地質異常體識別特征，制定了相應的探查定向鉆孔布設方案。

c. 利用鉆孔軌跡參數，推導得到各地質異常點的空間坐標；根據隱蔽致災因素的空間形態特征和地質異常點坐標，推導得到了斷層、陷落柱、煤層穩定性、采空區、充水水源空間參數計算方法。

d. 分析了影響地質異常體探查精度的主要影響因素，可采用與物探技術結合、施工分支孔探查和利用生產鉆孔數據等，提高探查精細度；采用縮短測量間隔、優選高精度隨鉆測量系統、軌跡預測與超前控制等，提高探查的精度；可繼續研究地質導向隨鉆測量系統、定向鉆密閉取樣技術和孔中物探技術，以提高地層探查識別距離和精度，實現精確地質導向鉆進和地質異常體定位。

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Exploration method of underground geological anomaly and its application based on directional drilling

FANG Jun

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

The geological anomaly is the main hidden cause of mine disasters, and underground drilling engineering is an important technical means for exploration, verification and control of geological anomaly. In view of the shortcomings such as short distance, low accuracy and blind area of conventional drilling exploration, the exploration scheme of geological anomaly by underground directional drilling was introduced, and the identification characteristics such as spatial form, lithology and drilling were summarized. The trajectory layout principle of directional borehole was given, and the spatial calculation and positioning method of geological anomaly based on directional borehole was obtained. In addition, the influencing factors and solutions for the exploration precision of directional borehole were analyzed from four aspects: borehole layout spacing, borehole trajectory measurement and control accuracy, stratum and geological anomaly recognition accuracy, and geological anomaly development scale. The tests were carried out in Zhaogu No.2 Coal Mine and Meihuajing Coal Mine, coal seam stability of roadway strip is explored by main hole and branch hole with the exploration distance over 621 m. Water filling source in working face is explored by directional drilling group, with maximum water yield of single hole of 10.2 m3/h, then the water is discharged. The tests results show that the underground directional drilling has realized the accurate positioning of geological anomaly with the advantages of high exploration accuracy, long distance and short cycle, which provides technical support for disaster and accident prevention.

geological anomaly; directional drilling; space location; exploration accuracy

TD712

A

1001-1986(2021)04-0269-09

2021-04-19；

2021-05-25

國家科技重大專項任務(2016ZX05045-003-001)；2014年陜西省科技統籌創新工程計劃項目(2014KTCL03-14)

方俊，1985年生，男，湖北谷城人，博士，副研究員，從事煤礦區鉆探技術與儀器研究與推廣應用工作. E-mail：fangjun@cctegxian.com

方俊. 基于井下定向鉆孔的礦井地質異常體探查方法與應用[J]. 煤田地質與勘探，2021，49(4)：269–277. doi: 10. 3969/j.issn.1001-1986.2021.04.032

FANG Jun. Exploration method of underground geological anomaly and its application based on directional drilling[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(4)：269–277. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.04.032

(責任編輯 聶愛蘭)