定向鉆進(jìn)在礦井地質(zhì)構(gòu)造探測中的應(yīng)用

摘 要：本文介紹了定向鉆進(jìn)技術(shù)的工作原理，闡述了在礦井地質(zhì)構(gòu)造探測領(lǐng)域中應(yīng)用定向鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用條件、工作方式和原理以及應(yīng)用該技術(shù)取得的效益，并成功應(yīng)用在了某礦井的斷層勘探測量實(shí)際工作中，為我國煤礦井下以及地下隧道工程等需要地質(zhì)探測的工程領(lǐng)域提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：定向鉆進(jìn);地質(zhì)構(gòu)造;探測

0 引言

隨著采礦領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我國高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井越來越多，高水平的綜采技術(shù)也日益得到越來越全面的推廣應(yīng)用，那些高產(chǎn)高效礦井對(duì)地下地質(zhì)構(gòu)造的超前探測的需求也越來越迫切，也意味著超前探測對(duì)煤礦企業(yè)安全高效生產(chǎn)的影響也越來越大。目前常規(guī)地質(zhì)鉆探是我國在探測地質(zhì)構(gòu)造過程中常用的勘探方法，但是常規(guī)地質(zhì)鉆探存在幾個(gè)主要缺陷，就是在鉆探過程中鉆頭的位置和前進(jìn)軌跡定位誤差比較大，而且常規(guī)地質(zhì)鉆探鉆井深度不大，無法勘察更深層的巖層性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造，往往對(duì)后期工作開展帶來一定困難，比如技術(shù)人員很難精準(zhǔn)預(yù)測深部巖層地質(zhì)條件等。

自本世紀(jì)初開始，隨著國外先進(jìn)技術(shù)和裝備不斷在國內(nèi)落地，我國的勘測和采礦技術(shù)和裝備水平取得了長足的進(jìn)步，隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)也得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并在一些煤礦首次應(yīng)用了井下長距離瓦斯抽采鉆孔技術(shù)和裝備，取得了良好的應(yīng)用效果和推廣效果。隨后，國內(nèi)一些煤礦企業(yè)開始創(chuàng)新性的根據(jù)定向鉆進(jìn)技術(shù)的特點(diǎn)，在礦井地質(zhì)探測過程中將其該技術(shù)進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用。本文以某礦為研究背景，舉例說明定向鉆進(jìn)在超前探測地質(zhì)斷層方面的應(yīng)用特點(diǎn)和成效。

1 礦井下定向鉆進(jìn)設(shè)備

礦井下定向鉆進(jìn)裝備主要由以下幾個(gè)部分組成：定向鉆機(jī)和鉆桿、隨鉆測量儀器、泥漿泵車以及螺旋馬達(dá)等。孔底馬達(dá)前端連接鉆頭，通過輸出動(dòng)力和改變角度，控制著鉆頭的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向?？椎遵R達(dá)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(jiān)視器，方便實(shí)時(shí)觀察監(jiān)測前方鉆頭的鉆進(jìn)情況和鉆孔運(yùn)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(jìn)動(dòng)力。整個(gè)定向鉆進(jìn)裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各工作系統(tǒng)緊密聯(lián)系配合，共同完成定向鉆進(jìn)工作。

2 定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)和特點(diǎn)

2.1 定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)

井下定向鉆進(jìn)工作原理簡單概述為：根據(jù)目標(biāo)工作地點(diǎn)的有關(guān)地質(zhì)資料制定孔眼布置方案，要求方案符合施工技術(shù)要求;提前設(shè)計(jì)出鉆頭前進(jìn)軌跡，計(jì)算出各測點(diǎn)的準(zhǔn)確參數(shù)，確定鉆進(jìn)過程中必須的其他技術(shù)參數(shù)，為下一步開展鉆孔施工奠定技術(shù)基礎(chǔ)。然后根據(jù)定向鉆進(jìn)設(shè)備的按照指南對(duì)施工設(shè)備進(jìn)行連接和按照，使其能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)工作。在定向鉆進(jìn)過程中，操作人員要操作規(guī)范，時(shí)刻通過孔口監(jiān)視器觀察前方鉆進(jìn)情況，監(jiān)測鉆孔運(yùn)移軌跡，利用測量儀器采集有關(guān)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行后期處理。

2.2 隨鉆測量定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)特點(diǎn)

軌跡參數(shù)實(shí)現(xiàn)了測算的精確性。在對(duì)井下地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行超前探測的過程中，定向鉆進(jìn)技術(shù)的成功應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔軌跡的有關(guān)參數(shù)的測量和計(jì)算，提高了數(shù)據(jù)的精確性。隨鉆測量系統(tǒng)可以記錄到的鉆孔數(shù)據(jù)一般包括鉆孔的方位角、傾角等數(shù)據(jù)。

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

鉆孔軌跡實(shí)現(xiàn)了人為控制的方式。由于螺桿馬達(dá)和隨鉆測量探管的結(jié)構(gòu)特征和連接特點(diǎn)，可以使得馬達(dá)和探管一同回轉(zhuǎn)，而孔口監(jiān)視器的作用就是實(shí)時(shí)監(jiān)控回轉(zhuǎn)的方向等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔軌跡的人為控制。

開分支孔。懸空開分支法是定向鉆進(jìn)技術(shù)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(zhuǎn)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(shí)意味著分支成功。

根據(jù)該鉆進(jìn)工藝上述技術(shù)特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)長鉆孔作業(yè)，可以通過利用反復(fù)探頂和開分支孔的方法，同時(shí)又準(zhǔn)確定位了煤巖體中的鉆孔。在定向鉆進(jìn)作業(yè)過程中，時(shí)不時(shí)遇見一些地質(zhì)異常的情況，這時(shí)鉆進(jìn)壓力、速度等工藝參數(shù)都會(huì)發(fā)生改變。此時(shí)可根據(jù)鉆孔定位，結(jié)合有關(guān)地質(zhì)資料對(duì)地質(zhì)概括做一個(gè)初步判定;然后利用開分支鉆進(jìn)方法繼續(xù)鉆探，直到地質(zhì)條件恢復(fù)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(diǎn)，使得隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)在地質(zhì)探測領(lǐng)域得到了較為廣泛的推廣和應(yīng)用。

3 定向鉆進(jìn)技術(shù)在某礦斷層超前探測中的應(yīng)用

3.1 斷層概況

根據(jù)某礦前期物探資料，某礦井田中部區(qū)域存在一條延展長度2500多米、最大落差可達(dá)40m的較大斷層，嚴(yán)重影響了礦井后期的生產(chǎn)和建設(shè)。

3.2 設(shè)計(jì)思路

按照礦井巷道設(shè)計(jì)規(guī)劃方案，最先通過該斷層的巷道為中央1#回風(fēng)大巷，結(jié)合礦井前期勘探的地質(zhì)資料和定向鉆進(jìn)工藝特點(diǎn)，最終決定了一個(gè)定向鉆進(jìn)技術(shù)方案。該方案中指出，在距離目標(biāo)斷層約690m處分別布置一個(gè)主孔，三個(gè)頂?shù)追种Э?。主孔的主要作用是?yàn)證斷層的存在，分支孔的主要作用則是探測煤厚、頂?shù)装鍘r性等。

3.3 探測過程及結(jié)果

在鉆探施工過程中，過斷層鉆孔返出的巖屑中出現(xiàn)了細(xì)粒煤樣，且含有少許泥巖，繼續(xù)鉆進(jìn)則出現(xiàn)了塌孔卡鉆等現(xiàn)象，此時(shí)停鉆，調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)之后，鉆孔始終無法前進(jìn)，經(jīng)過分析和研究，最終采用開分支孔的方法進(jìn)行鉆進(jìn)。在繼續(xù)鉆進(jìn)過程中頻繁遇到卡鉆塌孔憋泵現(xiàn)象，也多次調(diào)整參數(shù)，最終一個(gè)過斷層鉆孔鉆進(jìn)至斷層下盤的煤層底板中，此時(shí)泥漿泵壓力較大，造成持續(xù)塌孔，鉆進(jìn)工作停止。

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

4 結(jié)束語

通過對(duì)定向鉆進(jìn)工藝的裝備和技術(shù)特點(diǎn)的介紹，并將定向鉆進(jìn)技術(shù)成功應(yīng)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(zhì)探測的工程領(lǐng)域提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]石智軍，許超，李泉新，張杰.隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦井下地質(zhì)勘探中的應(yīng)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(zhì)工程師，主要研究方向?yàn)榈V井防治水。