定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦井下隱蔽災(zāi)害探測中的應(yīng)用

曹小軍

（中煤科工集團(tuán)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(fù)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(zāi)因素對煤礦安全、高效生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅和制約。鉆探是探測井下隱蔽災(zāi)害的常規(guī)手段[2]。但是采用普通回轉(zhuǎn)進(jìn)工藝存在鉆孔距離短、無效進(jìn)尺多、軌跡不能精確測量計(jì)算，易造成探測盲區(qū)等技術(shù)難題[3-4]。近年來以坑道鉆探裝備開展的定向鉆進(jìn)技術(shù)，具有探測距離遠(yuǎn)、軌跡可測可控、一孔多支等眾多優(yōu)點(diǎn)[5-7]，在煤礦井下被廣泛使用。因此將定向鉆進(jìn)技術(shù)用于煤礦井下隱蔽災(zāi)害的探測具有顯著優(yōu)勢。

1 定向鉆進(jìn)技術(shù)

定向鉆進(jìn)技術(shù)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(shè)計(jì)要求將鉆孔延伸至預(yù)定目標(biāo)的一種鉆進(jìn)方法[8]。煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)是以坑道鉆探裝備進(jìn)行鉆孔施工的鉆進(jìn)技術(shù)，其主要造斜鉆具為螺桿馬達(dá)，通過測量系統(tǒng)對孔底軌跡測量、計(jì)算以及孔底鉆具姿態(tài)的調(diào)整，最終達(dá)到定向鉆進(jìn)的目的。

1.1 鉆具造斜原理

螺桿馬達(dá)是目前井下進(jìn)行定向鉆孔施工的造斜鉆具，外觀如圖1所示。螺桿馬達(dá)主要由馬達(dá)（定子、轉(zhuǎn)子）總成、萬向軸總成、傳動(dòng)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(jìn)施工時(shí)鉆桿不旋轉(zhuǎn)，馬達(dá)將沖洗介質(zhì)的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能通過萬向軸和傳動(dòng)軸將轉(zhuǎn)速與扭矩傳遞給鉆頭，從而達(dá)到碎巖的目的。

圖1 螺桿馬達(dá)外觀圖

圖2 定向鉆進(jìn)孔內(nèi)鉆具結(jié)構(gòu)示意圖

定向鉆進(jìn)時(shí)依靠隨鉆測量系統(tǒng)可以及時(shí)監(jiān)控鉆孔軌跡。通過調(diào)整螺桿馬達(dá)彎頭朝向（工具面向角）改變鉆進(jìn)的方向，從而調(diào)整鉆孔傾角和方位角[10-12]，達(dá)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(jìn)隨鉆測量系統(tǒng)通過孔底探管實(shí)時(shí)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(shí)可將探管實(shí)時(shí)測斜數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒辣?jì)算機(jī)，經(jīng)過計(jì)算可得到鉆孔軌跡。計(jì)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(diǎn)測斜數(shù)據(jù)疊加計(jì)算。煤礦井下近水平定向鉆孔軌跡計(jì)算方法采用均角全距法。該方法假設(shè)兩個(gè)測點(diǎn)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(diǎn)之間鉆柱長度。鉆孔軌跡各測點(diǎn)采用均角全距法計(jì)算，公式如下：

式中：ΔLi為第i測段長度；αi為第i測點(diǎn)的鉆孔傾角；θi為第i測點(diǎn)的鉆孔方位角；θ為鉆孔主設(shè)計(jì)方位角；X為i+1測點(diǎn)水平位移；Y為i+1測點(diǎn)左右位移；Z為i+1測點(diǎn)上下位移。

鉆孔軌跡測量時(shí)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(chǔ)測斜數(shù)據(jù)外，還會(huì)顯示水平位移、左右位移、上下位移、偏差等計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡實(shí)時(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)對處于鉆進(jìn)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(shí)時(shí)監(jiān)測鉆孔軌位置，從而達(dá)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(zhuǎn)速等影響下，還要在實(shí)鉆中，結(jié)合地層條件，不斷摸索、校正并總結(jié)出適合該礦區(qū)的軌跡控制經(jīng)驗(yàn)。

2 定向鉆進(jìn)探測工藝

定向鉆進(jìn)隱蔽災(zāi)害探測工藝是基于定向鉆進(jìn)工藝的進(jìn)一步應(yīng)用，通過煤礦井下進(jìn)水平定向鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用和坑道鉆探設(shè)備使用從而達(dá)到煤礦井下隱蔽災(zāi)害探測的目的，與常規(guī)鉆探探測隱蔽災(zāi)害相比具有顯著優(yōu)勢。

2.1 定向鉆進(jìn)施工工藝流程

定向鉆進(jìn)施工要進(jìn)行鉆場設(shè)計(jì)與準(zhǔn)備、設(shè)備安裝與調(diào)試、鉆孔軌跡設(shè)計(jì)等內(nèi)容，與普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝比較，采用螺桿鉆具進(jìn)行煤礦井下定向鉆進(jìn)時(shí)不僅可以主孔施工、還可實(shí)現(xiàn)側(cè)鉆開分支孔。根據(jù)施鉆地層狀況、設(shè)計(jì)要求和目的等不同[13]，施工順序可分為“前進(jìn)式”和“后退式”兩類分支孔。結(jié)合側(cè)鉆分支孔工藝可進(jìn)行探測煤層產(chǎn)狀、采空區(qū)、異常地質(zhì)構(gòu)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(jìn)行設(shè)計(jì)軌跡、鉆場準(zhǔn)備和設(shè)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(jìn)行鉆孔軌跡空間軸線的設(shè)計(jì)。定向鉆孔軌跡設(shè)計(jì)時(shí)主要確定鉆孔軸線每個(gè)測段的方位角和傾角，將關(guān)鍵參數(shù)輸入到EXCEL設(shè)計(jì)表格中進(jìn)行設(shè)計(jì)軌跡工作，最后將設(shè)計(jì)好的參數(shù)導(dǎo)入到隨鉆測量系統(tǒng)工作區(qū)域中。設(shè)計(jì)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(qiáng)度等。定向鉆孔應(yīng)均勻造斜，避免急彎，并設(shè)計(jì)和選擇合適的造斜強(qiáng)度。

依據(jù)鉆機(jī)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(shí)驗(yàn)ZDY6000LD（B）鉆機(jī)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(yīng)工作。待設(shè)備入場后對鉆機(jī)進(jìn)行調(diào)試與安裝，保證開鉆后的正常運(yùn)行。

2.1.2 鉆進(jìn)時(shí)施工工藝流程

鉆進(jìn)時(shí)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(cè)鉆分支孔施工；（7）提鉆終孔。

2.2 定向鉆進(jìn)探測隱蔽災(zāi)害原理

通常井下小孔徑鉆孔探測隱蔽災(zāi)害，是根據(jù)鉆進(jìn)時(shí)煤巖屑、返水顏色并進(jìn)一步結(jié)合相鄰鉆孔、測井、物探以及臨近工作面實(shí)際揭露等地層資料，從而判斷鉆頭所處的位置，進(jìn)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(zāi)害定向鉆進(jìn)探測是由坑道定向鉆探裝備及其附屬設(shè)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(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離超前探查目的。側(cè)鉆開分支技術(shù)是定向鉆進(jìn)探測隱蔽災(zāi)害的優(yōu)勢突出技術(shù)。通過側(cè)鉆開分支技術(shù)進(jìn)一步探測煤層頂?shù)装逡约暗刭|(zhì)異常構(gòu)造體的準(zhǔn)確位置及范圍，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離精準(zhǔn)探測隱蔽災(zāi)害的目標(biāo)。

2.3 側(cè)鉆開分支技術(shù)

側(cè)鉆開分支技術(shù)在定向鉆孔施工中廣泛應(yīng)用、是定向鉆進(jìn)主要關(guān)鍵技術(shù)之一，更是將定向鉆進(jìn)作為鉆孔探測工藝的優(yōu)勢突出的技術(shù)。側(cè)鉆分支技術(shù)主要是利用螺桿鉆具彎頭定向和組合鉆具以及結(jié)合重力的作用，從原孔向下方鉆孔。鉆孔施工過程中，如需側(cè)鉆開分支，應(yīng)在鉆孔軌跡傾角變大的位置，選擇上坡位置或鉆孔最低點(diǎn)作為分支點(diǎn)。開分支時(shí)將給進(jìn)速度調(diào)慢，防止順原孔繼續(xù)滑動(dòng)鉆進(jìn)。確定分支點(diǎn)后，將工具面向角調(diào)整為170~190°之間為適宜側(cè)鉆分支工具面向角，即將螺桿馬達(dá)彎頭朝下。在實(shí)際定向鉆進(jìn)隱蔽災(zāi)害探測過程中，要求每鉆進(jìn)一定距離預(yù)留分支點(diǎn)，鉆孔沿設(shè)計(jì)或原孔繼續(xù)鉆進(jìn)后無法達(dá)到預(yù)期探測效果后退到合適的分支點(diǎn)位置開分支。

3 工程應(yīng)用試驗(yàn)

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(zāi)害將嚴(yán)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(zāi)害存在位置和范圍，礦方?jīng)Q定采用定向鉆進(jìn)技術(shù)對22303皮帶順槽巷外側(cè)進(jìn)行探測，定向鉆進(jìn)作業(yè)位置如圖4所示。

圖4 定向鉆進(jìn)作業(yè)位置圖

3.2 鉆具組合

鉆具組合：?98 mm鉆頭+?73 mm液動(dòng)螺桿馬達(dá)+?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(yàn)情況

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

圖5 定向鉆孔實(shí)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(jìn)至孔深228 m均為巖段。結(jié)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(jìn)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(cè)鉆分支鉆孔確定了帶順槽巷外側(cè)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(zhǔn)確定。

4 結(jié)束語

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

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

（3）定向鉆進(jìn)技術(shù)在隱蔽災(zāi)害探測中的應(yīng)用彌補(bǔ)了常規(guī)鉆孔探測的不足，還可以對其他勘探方法進(jìn)一步驗(yàn)證，為礦區(qū)的安全高效生產(chǎn)提供地質(zhì)保障。