煤礦地質(zhì)鉆探技術(shù)的應(yīng)用分析

＊惠磐科

（中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司 陜西 710077）

改革開放后，我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高速發(fā)展的階段，各行各業(yè)對能源的需求量呈現(xiàn)出急速增長的態(tài)勢，而煤礦目前仍然是我國能源的主要構(gòu)成。為了最大限度地發(fā)現(xiàn)煤礦、開采煤礦和利用煤礦能源，經(jīng)常采用鉆探技術(shù)對地質(zhì)進(jìn)行勘察，發(fā)現(xiàn)和開采煤礦能源。本文簡要介紹了鉆探技術(shù)和其分類，鉆探技術(shù)在煤礦地質(zhì)勘探、礦井防水、瓦斯抽放、防滅火方面的應(yīng)用，及其使用時會產(chǎn)生塌孔、偏斜等問題。

1.鉆探技術(shù)的介紹

圖1 鉆探設(shè)備安裝示意圖

鉆探技術(shù)是指利用鉆機(jī)和其他鉆探設(shè)備，在預(yù)定的位置向地下鉆鑿孔眼，取出多個巖樣樣本，分析巖樣中的礦物質(zhì)分布情況，探查礦產(chǎn)資源的形成時間及其分布規(guī)律。由于鉆探技術(shù)是將鉆具及其設(shè)備直接作用于巖石上，形成鉆孔取樣，巖石破碎則是鉆孔技術(shù)的關(guān)鍵。工程中常采用機(jī)械法來破碎巖石，是通過在巖石上施加不同大小的外力，將部分巖石從整體中剝離出來，常見的方法有回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、沖進(jìn)鉆進(jìn)和沖擊-回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)等方法。

2.鉆探技術(shù)的分類

鉆探技術(shù)根據(jù)使用的空間不同、鉆進(jìn)方法不同主要可以分為以下四類。

（1）地面鉆探技術(shù)。地面鉆探技術(shù)的施工空間在地層上部，工程空間不受限制，因此可以采用大型的車載鉆機(jī)或井架作為提升系統(tǒng)，控制鉆具的升降，落下鉆機(jī)套管，同時控制鉆機(jī)的鉆進(jìn)壓力、送鉆等工作。再把水龍頭、鉆柱和泥漿固控設(shè)備制成的循環(huán)泥漿，經(jīng)泥漿泵和高壓管線輸送到井底，利用泥漿的高壓能量進(jìn)行井底沖洗工作。

（2）井下鉆探技術(shù)。井下鉆探機(jī)技術(shù)與地面鉆探機(jī)技術(shù)的施工空間相反，主要工作空間在地層下部，施工空間受到多方面限制，因此井下鉆探技術(shù)常采用分體式的小型鉆機(jī)，是指將泵站、主機(jī)和操作臺分離開，方便在狹窄的巷道內(nèi)運(yùn)輸搬遷。隨著科技的不斷進(jìn)步，巷道掘進(jìn)技術(shù)也越來越成熟和現(xiàn)代化，大斷面巷道可以滿足整體式履帶鉆機(jī)的運(yùn)輸，其驅(qū)動扭矩教分體式鉆機(jī)有大幅度提高，因此鉆孔深度也成倍增加。

（3）常規(guī)鉆進(jìn)技術(shù)。常規(guī)鉆進(jìn)技術(shù)是利用鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)動鉆頭來破碎孔底巖石的鉆進(jìn)方法。這種方法適用于各類地層、鉆進(jìn)角度、鉆孔深度和鉆孔口徑，是工程中采用較多的方法。

（4）定向鉆進(jìn)技術(shù)。定向鉆進(jìn)技術(shù)是指利用自然造斜規(guī)律，采取人工造斜手段，或者兩者同時使用，使鉆機(jī)和鉆孔按照預(yù)定的軌道鉆進(jìn)的方法。定向鉆孔技術(shù)使用時，由于鉆具上配備了實時測量系統(tǒng)，可以時刻監(jiān)測鉆孔所在的位置，一旦發(fā)現(xiàn)鉆孔偏斜或者位置出錯，可以及時修正鉆孔的平面和空間位置，實現(xiàn)精確鉆孔。因此，鉆孔效率高、鉆孔深度大[1]是定向鉆進(jìn)技術(shù)與普通鉆進(jìn)技術(shù)相比最大的優(yōu)點(diǎn)。同時，定向鉆進(jìn)技術(shù)還可以實現(xiàn)單孔鉆進(jìn)和多孔鉆進(jìn)，現(xiàn)已被廣泛的應(yīng)用于煤礦開采的各個階段，極大地提高了煤礦開采的安全和效率。

3.煤礦鉆探技術(shù)應(yīng)用

（1）地質(zhì)勘探。由于煤礦所處的自然地理環(huán)境較為復(fù)雜，環(huán)境較為惡劣，開采時會遇到各種各樣的問題，這就給煤礦開采人員的生命健康與安全造成了極大的危險。因此在煤礦開采之前，必須對其地質(zhì)情況進(jìn)行勘探。地質(zhì)勘探的目的有兩個，一是了解和掌握煤礦所處的地層、地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況，二是通過鉆探技術(shù)詳細(xì)的了解和掌握煤礦地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地下水分布特征和煤層分布規(guī)律。通過對鉆探技術(shù)取出的巖樣樣本和水樣的檢測，為煤礦開采設(shè)計和施工提供可靠的地質(zhì)數(shù)據(jù)。

（2）礦井防水。礦井大多位于地下，地下水分布規(guī)律極其復(fù)雜，若只依靠歷史資料和工程經(jīng)驗無法準(zhǔn)確地判斷地下水源的位置，會對礦井的安全和開采造成極大的困擾。其中頂板水害、采空區(qū)積水和煤層斷裂地下水灌入是煤炭礦井經(jīng)常會發(fā)生的三種水害。工程中經(jīng)常采用地質(zhì)鉆探技術(shù)來探查礦井及周邊各地區(qū)地下水源和出水的位置，并通過鉆探孔道將不利的地下水源導(dǎo)流排出，從而防止后期開采時遇到的各種水害問題[2]。隨著科技的不斷進(jìn)步，可用于礦井防水的鉆探方法越來越多，如煤礦大口徑排水井鉆進(jìn)方法、井下定向探（疏）放水鉆進(jìn)方法、注漿封堵突水通道鉆探方法等。

鉆探工作難度大，技術(shù)要求高，需要施工人員必須熟練的掌握鉆探工具，具備過硬的專業(yè)技術(shù)，而且要充分了解礦井的地質(zhì)和水文信息，這樣才能提高鉆探防水的質(zhì)量和效率，保證開采人員的安全，煤礦開采工作的穩(wěn)步進(jìn)行。

（3）瓦斯抽放。瓦斯是煤炭形成過程中的伴隨物，是一種密度小，可燃燒的氣體。由于瓦斯釋放時會產(chǎn)生較大的壓力，若瓦斯的釋放量過大，可能會引發(fā)火災(zāi)等嚴(yán)重后果。若在煤礦開采遇到高瓦斯礦井，或煤和瓦斯礦井作業(yè)時，隨著開采深度的增加，煤層中的地應(yīng)力和瓦斯壓力也會逐漸增大，如果控制不當(dāng)將會引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，近年來，我國煤礦安全事故中大部分的傷亡是由此造成的。

在高瓦斯礦井或煤和瓦斯礦井開采前，應(yīng)先采用鉆探技術(shù)對煤層進(jìn)行鉆孔施工，根據(jù)規(guī)范要求，建立固定的瓦斯抽取系統(tǒng)，預(yù)先抽取礦井中的部分瓦斯，盡可能地降低煤層中的瓦斯含量，確保開采時瓦斯含量滿足安全規(guī)定的限額，從而實現(xiàn)安全開采的最終目的。不同特征的煤礦，瓦斯的抽取方法各不相同，如多煤層礦井，采用區(qū)域性布置網(wǎng)格預(yù)抽的方法；煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，地質(zhì)條件較好的礦井，采用順煤層長鉆孔預(yù)抽的方法。穿層鉆孔抽采瓦斯時，必須在礦井頂?shù)装逯邪凑找?guī)范要求布置專用的巷道。采用定向鉆機(jī)長距離抽取瓦斯技術(shù)，極大地提高了鉆探和掘進(jìn)效率[3]。

瓦斯是一種高效、清潔的能源，也是我國能源的重要構(gòu)成成分。在煤礦開采時，要合理的設(shè)計瓦斯開采工序，科學(xué)、高效的抽取瓦斯，提高能源的利用率。

（4）礦井防、滅火。煤炭是一種可燃性材料，在特定的環(huán)境下會自燃，如果在煤礦開采的過程中，發(fā)生煤層自燃火災(zāi)，將會給工程帶來極大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。煤礦開采時，開采作業(yè)面呈現(xiàn)出多、散和同時施工的特點(diǎn)，可能會出現(xiàn)采空區(qū)遺煤自燃的現(xiàn)象，從而引發(fā)煤礦火災(zāi)，尤其是埋藏較淺且采空區(qū)較大的地方更容易發(fā)生遺煤自燃事件[2]，除重點(diǎn)關(guān)注開采區(qū)煤層自燃問題，還要關(guān)注采空區(qū)自燃問題。這樣才能保證煤礦開采安全、有序地進(jìn)行。利用鉆探技術(shù)，將阻燃材料從地面或者井下巷道灌入到危險區(qū)域，可以有效防止煤炭自燃，從而提高礦井開采的安全性。此外，開采時可能會發(fā)生應(yīng)力集中，煤柱變形較大，導(dǎo)致煤柱體內(nèi)裂隙發(fā)育，從而造成漏風(fēng)現(xiàn)象，采用小鉆孔注漿技術(shù)可以及時堵漏、加固[3]。

4.煤礦鉆探技術(shù)的常見問題

(1)塌孔問題

煤礦開采時，工作人員大多都要深入井下采煤，如果工作時安全意識散漫、注意力不集中就有可能引發(fā)塌孔危險，塌孔一旦發(fā)生，采煤人員逃生通道被堵，在空氣稀薄、空間狹小的巷道里，對采煤人員的安全和健康造成極大的危險。據(jù)統(tǒng)計，塌孔所引起的煤礦安全事故占總體煤礦安全事故的一半左右。為了確保煤礦開采安全有序的正常進(jìn)行，一定要重視煤礦的安全教育問題。

塌孔形成的原因主要有以下三點(diǎn)：一是，煤礦勘探時沒有完全探查出巖石硬度，鉆機(jī)工作時遇到巖石層的軟硬程度不同，若壓力控制無法事實調(diào)控，在硬度較小的軟巖層鉆探時，速度會過快，會造成大量的粉塵堆積，形成塌孔。二是，煤層硬度較低，鉆孔時間長、孔道深，鉆孔產(chǎn)生的碎屑未能及時排出，導(dǎo)致鉆頭停滯，引發(fā)塌孔。三是，由于地質(zhì)構(gòu)造發(fā)生變化，鉆探時鉆頭遇到硬度較高的巖層而沒有及時調(diào)整壓力時，會破壞煤層的穩(wěn)定性，引發(fā)塌孔。因此，在開采前要盡可能詳細(xì)的勘探巖層性質(zhì)，施工時根據(jù)鉆頭所接觸的巖石性質(zhì)及時調(diào)整鉆機(jī)壓力，壓力過大或過小都可能會引起塌孔，同時還要控制鉆機(jī)速度合理。

(2)深孔問題

由于煤礦資源形成條件較為特殊，大多數(shù)煤礦都在地下較深位置處，因此煤礦鉆探中經(jīng)常用到深孔鉆探。由于煤層結(jié)構(gòu)的特殊性，鉆探時要盡可能快的通過煤層，避免因為速度過慢，在煤層中停留時間長，而對煤層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定造成較大的干擾，增加鉆孔風(fēng)險，加大施工難度。因此在深鉆孔前先應(yīng)詳細(xì)的勘探煤層地質(zhì)情況，充分了解和掌握巖層分布規(guī)律、施工周期等，依據(jù)煤層特性合理的選擇鉆孔機(jī)具，盡可能地?fù)駜?yōu)選取鉆孔設(shè)備，不能一味的節(jié)省成本而選擇劣質(zhì)鉆探設(shè)備[4]。鉆機(jī)選取時還要保證有足夠的工作空間。例如，全液壓動力頭鉆機(jī)，雖然具有較多的鉆探優(yōu)勢，但是對安全事故的處理尚未形成全方位的監(jiān)測管理體系，在很多深鉆孔工程中應(yīng)慎重使用。其次，鉆具和鉆桿應(yīng)選取強(qiáng)度和剛度較高的材料制作而成的，不容易發(fā)生彎曲和折斷，如果選擇不當(dāng)，施工中可能會出現(xiàn)滑扣等不利現(xiàn)象。

施工人員的技術(shù)水平也會對深孔鉆探造成一定的影響。因此，企業(yè)應(yīng)當(dāng)安排儀器操作熟練的施工人員來進(jìn)行鉆孔，每次作業(yè)時對施工人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，確保鉆孔工作能嚴(yán)格按照安全生產(chǎn)和技術(shù)規(guī)范開展，從而有效避免深孔問題的出現(xiàn)。

(3)鉆孔偏斜問題

由于煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜、施工人員操作技術(shù)和鉆探機(jī)具等因素的影響，會使得煤礦井下施工時產(chǎn)生鉆孔偏斜問題，從而影響地質(zhì)、水文勘探數(shù)據(jù)的有效性，給煤礦正常開采帶來較多的不確定性因素。因此，在鉆探時必須重視鉆孔偏斜問題，必須采取有效手段避免或減緩鉆孔偏斜對煤礦開采帶來的干擾。首先，開始鉆孔工作前，必須要檢查鉆機(jī)設(shè)備是否牢固、穩(wěn)定的安裝好，盡可能地避免因為儀器松動而導(dǎo)致鉆孔偏斜問題的發(fā)生。其次，利用專業(yè)測量儀器保證機(jī)具鉆孔中心與立軸中心位于同一條直線，同時還要嚴(yán)格按照技術(shù)方案中要求的鉆孔方位和傾角等開展鉆孔施工作業(yè)[3]。如果上述條件滿足后，要及時固定地錨或者壓車柱，并安排專人定期檢查地錨和壓車柱的固定情況，以防施工時由于鉆機(jī)的移動導(dǎo)致鉆孔偏斜。最后，施工時必須確保機(jī)具孔口管的牢固性，合理的控制鉆桿的長度，避免因為鉆桿長度過長而出現(xiàn)鉆桿擺動幅度過大的現(xiàn)象。對于磨損和彎曲嚴(yán)重的鉆具要及時更換，避免其對鉆孔施工造成不良影響。

在鉆孔工作時，還應(yīng)及時的調(diào)整鉆具壓力，防止鉆桿打彎造成壓力過大的情況發(fā)生，當(dāng)巖層硬度發(fā)生變化時，應(yīng)盡可能地先降低鉆具壓力，待鉆具工作一段時間后，施工人員依據(jù)鉆具鉆探情況再合理地調(diào)整壓力。同時，施工人員還要隨時做好地面檢查工作，確保鉆機(jī)是否在地面上發(fā)生位置偏移等情況，如果出現(xiàn)偏移請立即停止施工并盡快處理鉆機(jī)偏移造成的鉆孔偏斜。通過上述措施能有效地減緩和避免鉆孔偏斜對煤礦開采造成的不良影響。

5.結(jié)語

鉆探技術(shù)是實現(xiàn)安全煤礦開采地重要技術(shù)手段，在地質(zhì)勘探、水害防治、防滅火和瓦斯抽放等方面發(fā)揮著重大作用?？萍际前央p刃劍，鉆探技術(shù)應(yīng)用的同時也會出現(xiàn)鉆孔偏斜、塌孔和深孔等問題。因此，只有不斷的研究新的鉆探機(jī)技術(shù)、鉆具和鉆桿等，并結(jié)合煤礦地質(zhì)、水文情況合理的利用新技術(shù)，不斷提高施工作業(yè)人員的技術(shù)水平，規(guī)范操作，才能確保煤礦開采安全、有序的進(jìn)行。