定向鉆進技術在煤礦井下隱蔽災害探測中的應用

曹小軍

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

我國大多數(shù)煤礦開采條件比較復雜，存在斷層、陷落柱、老窯巷道和采空區(qū)等地質(zhì)異常區(qū)域[1]，這些隱蔽致災因素對煤礦安全、高效生產(chǎn)構成嚴重威脅和制約。鉆探是探測井下隱蔽災害的常規(guī)手段[2]。但是采用普通回轉進工藝存在鉆孔距離短、無效進尺多、軌跡不能精確測量計算，易造成探測盲區(qū)等技術難題[3-4]。近年來以坑道鉆探裝備開展的定向鉆進技術，具有探測距離遠、軌跡可測可控、一孔多支等眾多優(yōu)點[5-7]，在煤礦井下被廣泛使用。因此將定向鉆進技術用于煤礦井下隱蔽災害的探測具有顯著優(yōu)勢。

1 定向鉆進技術

定向鉆進技術是指利用鉆孔的自然彎曲規(guī)律或使用人工造斜鉆具，根據(jù)設計要求將鉆孔延伸至預定目標的一種鉆進方法[8]。煤礦井下定向鉆進技術是以坑道鉆探裝備進行鉆孔施工的鉆進技術，其主要造斜鉆具為螺桿馬達，通過測量系統(tǒng)對孔底軌跡測量、計算以及孔底鉆具姿態(tài)的調(diào)整，最終達到定向鉆進的目的。

1.1 鉆具造斜原理

螺桿馬達是目前井下進行定向鉆孔施工的造斜鉆具，外觀如圖1所示。螺桿馬達主要由馬達（定子、轉子）總成、萬向軸總成、傳動軸總成等部分組成[9]，它與孔內(nèi)測量儀器連接（圖2）。定向鉆進施工時鉆桿不旋轉，馬達將沖洗介質(zhì)的壓力能轉換為機械能通過萬向軸和傳動軸將轉速與扭矩傳遞給鉆頭，從而達到碎巖的目的。

圖1 螺桿馬達外觀圖

圖2 定向鉆進孔內(nèi)鉆具結構示意圖

定向鉆進時依靠隨鉆測量系統(tǒng)可以及時監(jiān)控鉆孔軌跡。通過調(diào)整螺桿馬達彎頭朝向（工具面向角）改變鉆進的方向，從而調(diào)整鉆孔傾角和方位角[10-12]，達到鉆孔軌跡控制目的。

1.2 軌跡測量與控制

1.2.1 軌跡測量

定向鉆進隨鉆測量系統(tǒng)通過孔底探管實時監(jiān)測孔底鉆具傾角、方位角、工具面向角等數(shù)據(jù)，在軌跡測量時可將探管實時測斜數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒辣嬎銠C，經(jīng)過計算可得到鉆孔軌跡。計算鉆孔軌跡空間位置的基本原理是將鉆孔軌跡軸線分成若干小段，并將每小段鉆孔軸線看作為直線或曲線，然后對每小段端點測斜數(shù)據(jù)疊加計算。煤礦井下近水平定向鉆孔軌跡計算方法采用均角全距法。該方法假設兩個測點之間的測量段的鉆孔軸線為直線段，直線段的長度為測量點之間鉆柱長度。鉆孔軌跡各測點采用均角全距法計算，公式如下：

式中：ΔLi為第i測段長度；αi為第i測點的鉆孔傾角；θi為第i測點的鉆孔方位角；θ為鉆孔主設計方位角；X為i+1測點水平位移；Y為i+1測點左右位移；Z為i+1測點上下位移。

鉆孔軌跡測量時隨鉆測量系統(tǒng)測量界面除了顯示傾角、方位角、工具面向角等基礎測斜數(shù)據(jù)外，還會顯示水平位移、左右位移、上下位移、偏差等計算測斜數(shù)據(jù)。隨鉆測量系統(tǒng)測量界面不僅有數(shù)據(jù)的顯示，還有鉆孔軌跡空間位置圖的顯示。目前礦用隨鉆測量系統(tǒng)測量界面可實現(xiàn)“水平位移-左右位移”圖與“水平投影長度-上下位移”圖的顯示。通過這些測斜數(shù)據(jù)與空間位置圖實現(xiàn)鉆孔軌跡實時測量和為鉆孔軌跡控制提供依據(jù)的目的。

1.2.2 軌跡控制

定向鉆進能夠?qū)崿F(xiàn)軌跡控制，主要是通過對工具面向角（圖3）的調(diào)整，實現(xiàn)對處于鉆進狀態(tài)中鉆具造穴傾角、方位角的控制，并采用隨鉆測量系統(tǒng)實時監(jiān)測鉆孔軌位置，從而達到軌跡控制的目的。

圖3 工具面向角區(qū)域劃分圖

在傾角控制方面，分為增大傾角、穩(wěn)定傾角和下降傾角3種情況。工具面向角范圍為：0~80°，280~360°；80~100°，260~280°；100~260°。在方位角控制中，一般出現(xiàn)2種情況：增大方位角和減小方位角，通常不使用穩(wěn)定方位角。工具面向角范圍為：30~150°；210~330°。軌跡控制過程中需考慮重力及轉速等影響下，還要在實鉆中，結合地層條件，不斷摸索、校正并總結出適合該礦區(qū)的軌跡控制經(jīng)驗。

2 定向鉆進探測工藝

定向鉆進隱蔽災害探測工藝是基于定向鉆進工藝的進一步應用，通過煤礦井下進水平定向鉆進技術應用和坑道鉆探設備使用從而達到煤礦井下隱蔽災害探測的目的，與常規(guī)鉆探探測隱蔽災害相比具有顯著優(yōu)勢。

2.1 定向鉆進施工工藝流程

定向鉆進施工要進行鉆場設計與準備、設備安裝與調(diào)試、鉆孔軌跡設計等內(nèi)容，與普通回轉鉆進工藝比較，采用螺桿鉆具進行煤礦井下定向鉆進時不僅可以主孔施工、還可實現(xiàn)側鉆開分支孔。根據(jù)施鉆地層狀況、設計要求和目的等不同[13]，施工順序可分為“前進式”和“后退式”兩類分支孔。結合側鉆分支孔工藝可進行探測煤層產(chǎn)狀、采空區(qū)、異常地質(zhì)構造等工作。

2.1.1 開鉆前施工工藝流程

定向鉆孔施工前需進行設計軌跡、鉆場準備和設備調(diào)試與安裝的工藝，在定向鉆孔施工前需依據(jù)鉆孔目的進行鉆孔軌跡空間軸線的設計。定向鉆孔軌跡設計時主要確定鉆孔軸線每個測段的方位角和傾角，將關鍵參數(shù)輸入到EXCEL設計表格中進行設計軌跡工作，最后將設計好的參數(shù)導入到隨鉆測量系統(tǒng)工作區(qū)域中。設計工作中定向鉆孔造斜曲率要考慮鉆孔長度、所允許的或可能的拐彎數(shù)、所需要的拐彎數(shù)量、打撈套管彎曲強度等。定向鉆孔應均勻造斜，避免急彎，并設計和選擇合適的造斜強度。

依據(jù)鉆機規(guī)格和鉆具尺寸施工鉆場提供大小合適的長方形硐室或空間，針對本次實驗ZDY6000LD（B）鉆機需提供最小為8.0 m×6.0 m×2.5 m規(guī)格的鉆場，還需保障打鉆作業(yè)過程的各種供應工作。待設備入場后對鉆機進行調(diào)試與安裝，保證開鉆后的正常運行。

2.1.2 鉆進時施工工藝流程

鉆進時施工工藝流程包括內(nèi)容為：（1）開孔；（2）下入定向鉆具；（3）確定工具面向角；（4）鉆孔軌跡測量與控制；（5）主孔施工；（6）側鉆分支孔施工；（7）提鉆終孔。

2.2 定向鉆進探測隱蔽災害原理

通常井下小孔徑鉆孔探測隱蔽災害，是根據(jù)鉆進時煤巖屑、返水顏色并進一步結合相鄰鉆孔、測井、物探以及臨近工作面實際揭露等地層資料，從而判斷鉆頭所處的位置，進而判斷煤層頂?shù)装迩闆r，獲取異常地質(zhì)體空間信息。

隱蔽災害定向鉆進探測是由坑道定向鉆探裝備及其附屬設備在井下開展小孔徑定向鉆孔施工，并通過對井下小直徑鉆孔軌跡實時監(jiān)測和控制，最終實現(xiàn)遠距離超前探查目的。側鉆開分支技術是定向鉆進探測隱蔽災害的優(yōu)勢突出技術。通過側鉆開分支技術進一步探測煤層頂?shù)装逡约暗刭|(zhì)異常構造體的準確位置及范圍，從而實現(xiàn)了遠距離精準探測隱蔽災害的目標。

2.3 側鉆開分支技術

側鉆開分支技術在定向鉆孔施工中廣泛應用、是定向鉆進主要關鍵技術之一，更是將定向鉆進作為鉆孔探測工藝的優(yōu)勢突出的技術。側鉆分支技術主要是利用螺桿鉆具彎頭定向和組合鉆具以及結合重力的作用，從原孔向下方鉆孔。鉆孔施工過程中，如需側鉆開分支，應在鉆孔軌跡傾角變大的位置，選擇上坡位置或鉆孔最低點作為分支點。開分支時將給進速度調(diào)慢，防止順原孔繼續(xù)滑動鉆進。確定分支點后，將工具面向角調(diào)整為170~190°之間為適宜側鉆分支工具面向角，即將螺桿馬達彎頭朝下。在實際定向鉆進隱蔽災害探測過程中，要求每鉆進一定距離預留分支點，鉆孔沿設計或原孔繼續(xù)鉆進后無法達到預期探測效果后退到合適的分支點位置開分支。

3 工程應用試驗

3.1 工程概況

山西某礦周邊區(qū)域之前存在過小窯開采，開發(fā)過程可能出現(xiàn)的隱蔽災害將嚴重影響和制約該礦在22303工作面的后續(xù)安全生產(chǎn)作業(yè)。為了查清隱蔽災害存在位置和范圍，礦方?jīng)Q定采用定向鉆進技術對22303皮帶順槽巷外側進行探測，定向鉆進作業(yè)位置如圖4所示。

圖4 定向鉆進作業(yè)位置圖

3.2 鉆具組合

鉆具組合：?98 mm鉆頭+?73 mm液動螺桿馬達+?73 mm下無磁鉆桿+?73 mm測量探管+絕緣短節(jié)+?73 mm上無磁鉆桿+?73 mm通纜鉆桿。

測量方式：有線通纜傳輸。

3.3 試驗情況

本次定向鉆進隱蔽災害探測試驗由ZDY6000LD（B）履帶式全液壓坑道鉆機及配套裝備開展，初步完成定向探測鉆孔主孔1個、分支孔1個，定向鉆孔實鉆軌跡剖面圖如圖5所示。

圖5 定向鉆孔實鉆軌跡剖面圖

1#孔孔深138～168 m為出煤孔段、168～186 m為見煤孔段，出煤后鉆孔軌跡連續(xù)向上方調(diào)整鉆進至孔深228 m均為巖段。結合現(xiàn)有地質(zhì)資料，相鄰鉆孔、物探以及工作面揭露情況等綜合分析得出：煤層在下方的可能性較大。因此，提鉆到孔深84 m處開分支。1-1#孔孔深114～132 m為出煤孔段，其他孔段均為煤孔段，鉆進至孔深240 m處遇小窯破壞區(qū)后提鉆。通過1#定向鉆孔及側鉆分支鉆孔確定了帶順槽巷外側小窯破壞區(qū)的位置，小窯破壞區(qū)范圍可通過后續(xù)施工定向鉆孔精準確定。

4 結束語

（1）運用定向鉆進側鉆開分支技術在皮帶順槽巷外側240 m處小窯破壞區(qū)的位置，為礦方對隱蔽致災因素消除以及后續(xù)安全作業(yè)提供了準確地質(zhì)資料。

（2）定向鉆進技術用于隱蔽災害探測的顯著成效對遠距離、高精度超前探測技術的發(fā)展具有重要意義。

（3）定向鉆進技術在隱蔽災害探測中的應用彌補了常規(guī)鉆孔探測的不足，還可以對其他勘探方法進一步驗證，為礦區(qū)的安全高效生產(chǎn)提供地質(zhì)保障。