煤矿井下定向钻进技术在矿井地质勘探中的应用

牛小龙，季 伟

（山东万祥矿业有限公司，山东 济南271104）

现阶段我国煤矿井下开采技术种类越来越多，各种新型技术也在不断应用，煤矿井下地质勘探可以确保煤矿开采时的安全性和高效性，开采技术对煤矿开采的影响也越来越深远。目前，使用频率较高的勘探技术主要有三维地震、地质雷达探测、电法等，将煤矿周围地质环境进行全面测量，但是这些测量方法不够精密，无法对钻孔轨迹进行准确测量，对煤矿掘进的安全高效性产生了一定阻碍。煤矿井下定向钻进技术可以很好地解决上述问题，现阶段的应用频率也较高，取得的效果也十分良好。

1 矿井定向钻进技术相关概述

1.1 矿井定向钻进技术工作原理

定向钻进技术主要是利用特殊的测量工具、钻孔工具、工艺设备等进行组合，该技术现阶段在地质勘探施工中的应用较为广泛。主要用到的设备包括送水器、定向钻机、孔口计算机、通信电缆、下水磁钻杆等，主要的工作原理是通过马达旋转对矿层进行切削。马达处于运动状态，钻杆柱施工保持不动状态，利用马达旋转产生的动力带动钻头钻进碎岩进行工作。

测量技术的应用主要是将孔底的信息进行有效传输，之后通过监视器对钻孔轨迹进行全面详细检测，随时掌握钻孔实际轨迹。随钻测量技术的应用主要是将信息传输到孔底，再利用马达合理控制钻孔轨迹，改变钻孔的倾角和方位角等保证钻孔轨迹可以达到预期靶点中。但是需要注意的是，实际钻孔轨迹可能会和设计的钻孔轨迹出现偏差，所以工作人员应该对钻孔情况进行时刻关注，及时调整钻孔轨迹，这样钻孔轨迹才能按照预期方向发展，向更好的方向延伸。

1.2 准确测量钻进轨迹

定向钻进技术在实际使用时应该将方位、孔深、斜倾角三个方面进行结合，建立三维坐标，这样可以有效提高定向钻进轨迹的测量准确度。主要的计算方法就是将钻孔轴线分成不同小段，结合每一段的测量数据，将钻孔轴线的数据进行叠加计算。在实际测量过程中，会出现测量误差，只要将误差控制在合理范围内即可，否则会对最终结果产生影响。根据计算结果可以看出，定向钻进轨迹测量可以满足地质勘探的要求，可以在实际中进行应用。

1.3 钻进技术的优势

定向钻进技术是现阶段煤矿井下勘验中应用最为广泛的技术，针对钻孔轨迹的合理控制，不仅可以显著提高矿井井下勘探的工作效率，还可以提高井下作业的安全性。井下定向钻进技术还包括测量技术和计算功能，对其合理利用可以达到事半功倍的效果，还可以建立精确的矿层三维坐标，为后续施工工作奠定良好的基础。除此之外，还可以设计不同的分支孔，之后计算出三维坐标。要想获得准确的三维坐标数据，就应该多次对分支进行测量，提升数据的结果准确性，之后利用各种数据进行多点连接，做好统计工作，最后将该区域的地质构造以及空间分布情况进行详细绘制，尤其是陷落柱、断层、采空区等的分布状况一定要绘制仔细，这样才能在具体施工中避开这些区域，进而提升煤矿矿井采矿施工效率。

2 定向钻进技术具体施工措施

煤矿井下定向钻进技术可以对钻孔轨迹和钻头位置进行灵活控制，对位置地质层进行地质勘探工作时，可以结合钻孔轨迹对钻孔的位置和深度进行计算。

第一，确定勘测地点的钻孔位置，利用探测仪器对地质异常区域进行识别，在矿层采掘过程中结合图纸对靶区进行确定，同时结合现有资料合理设计钻孔。

第二，对地层变化进行准确识别，在实际钻进过程中随时观察岩土性质变化，通过返渣情况来及时进行确定。

第三，区域如果出现异常，要对钻孔孔段进行适当缩短，在煤矿地质勘察过程中，通常都会遇到松散、破碎的地段，例如陷落柱、地下断层等，这对地质勘探工作会产生不同程度的影响，或者某些区域会出现地质异样带，很容易将钻头掩盖。遇到这种情况时，异常区域的孔段要及时进行缩短，将钻头拔出，移动到地质稳定的区域后再继续钻进工作，这样才能保证地质勘探的工作质量，为后续的工作提供更多依据和基础。

第四，确定定点，煤矿开采过程中，首先需要对地质进行全面详细的勘测，对地下结构进一步了解和明确，尤其是陷落柱、采空区等区域要格外注意，这些区域较为特殊，如果出现意外情况产生的影响就十分巨大，所以要避免安全事故的发生，降低企业投入的资金成本。在这一过程中，还要绘制详细的图纸，将异常以及特殊区域进行标注，借助坐标轴寻找并确定定点，将其作为坐标原定。这时就需要利用定向钻进技术对其进行准确测量，对定点进行确定，提高开采过程的合理性和规划性。

除了上述分析的因素以外，还要对煤层动态变化有全面掌握，由于自然因素或者是人为因素等影响，煤层都会发生不同程度的变化，所以在地质勘探过程中应该注意煤层的实时变化情况，对实际钻孔轨迹和预测轨迹之间的变化幅度进行分析和实时掌握，进而得出专场空间布局以及煤层结构。此外，许多钻井平台为了节省时间和投资，都采用了从一个浮动平台钻出多口定向井的技术（见图1）。

3 定向钻井技术的实际应用分析

地面钻孔技术可以对矿井井下走向、厚度、地质情况等信息进行探测和了解，地面钻孔可以对矿层信息进行探测，尤其是大面积矿层，但是这一方法也具有一定局限性，就是只能统计已经探测区域的相关信息，不能对矿层信息进行提前预测。定向钻进技术的应用可以很好地解决这一问题，对矿层地质信息进行提前探测，还可以掌握矿层构造的分布情况。定向钻进技术可以通过测量和计算功能将孔深、方位等进行探测，进而建立三维坐标，在已经探明的钻孔部位设计不同的分支孔，在利用开分技术进行计算，将三维坐标的数据进行准确化。最后将获取到的数据做出系统分析，建立出该区域的实际空间分布情况，有利于后期施工的顺利开展。

3.1 探测工作矿层走向

定向钻进技术在实际应用过程中，主要是对煤矿地质情况进行勘探，主孔位置通常会开钻多个分支孔，利用矿层地板或者底板的测量结果数据进行计算，同时将其转化为矿层的标准高度。结合标准高度的不同顺序将顶板和底板的数据进行有机连接，这样就可以计算出矿层的倾斜角度。最后根据各个方面的测量数据，归纳整理，进而得出矿层的实际走向，相关工作人员也可以对矿层走向有更进一步的掌握。探测矿层走向的方法实际上和探测矿层厚度的方法是基本相同的。

3.2 勘探陷落柱

利用定向钻进技术可以对陷落柱进行勘探，还可以针对陷落柱多发区域进行精确钻进，在设计矿层时也可以及时确定，矿层中如果出现钻速变慢、钻头卡住、钻孔出现返渣、岩粒出现破碎等现象，基本上可以确定出现陷落柱的情况，还可以确定钻头的位置。

随钻系统也具有一定的优势，可以标注陷落柱的坐标，同时将陷落柱平面图进行详细绘制，还可以指导矿井安全施工工作，提高施工的效率和质量，避免出现差错。举个例子来讲，有的矿井陷落柱分布较多，如果只是利用普通的钻进技术很难对陷落柱的具体位置进行确定，矿层顶板的位置也很难准确计算，这也导致煤矿施工进度受到不同程度的影响。应用定向钻进技术以后，施工人员对矿区有全面了解以后就可以对靶点进行准确定位，后期钻孔时也会更加方便。结合钻孔轨迹可以对破碎带、陷落柱、断层等位置进行分析和确定。钻孔施工确定以后对地质勘探资料的获取会更加容易，资料也更加宝贵，这也为矿井开采工作效率的提高起到了促进作用。

3.3 勘探采空区

对采空区进行勘探时，首先要设计钻孔靶点，合理控制间距，利用定向钻进技术对靶点进行命中，如果出现不返水、卡钻等现象时，可以确定该区域为采空区。对其进行勘探时，可以将采空区的坐标进行确定，进而绘制分布图，提高施工工作的安全性，避免出现安全事故。大部分矿井都会存在采空区，这也让矿井生产的安全性受到了影响，要想明确采空区的高度和范围，就要利用定向钻进技术对工作面进行勘探，对定向钻孔和分支孔进行定向钻探。最后，利用实际钻孔轨迹得出的数据对采空区具体位置进行计算，进而确定采空区区域，矿井区的工作也会提高高效性和安全性。

3.4 勘探矿层地质

首先对矿层顶板起伏情况进行勘探，之后对矿层地质进行勘探，利用分支孔进行重复施工。对煤矿矿层地质情况进行全面勘探，确保地质结构不会对后续煤矿采集产生影响。结合矿层顶板和底板的测量数据，将矿层厚度和倾角等进行计算，结果也会更加准确。很多矿井会出现矿层起伏较大的情况，顶板附近也容易出现破碎矿层，情况也较为复杂，使用定向钻进技术可以对顶板底板进行详细勘探，确定矿层的厚度，还可以确定起伏较大的矿层，对地质勘探工作具有积极作用。

3.5 勘探断层巷道

对断层巷道进行勘探时，可对巷道远距离开掘工作进行勘探，对顶板和底板施工时则采用长距离定向钻孔，同时对分支孔进行施工，将坐标进行具测量，将得到的数据结果，绘制成断层分布图，对巷道勘探工作也可以起到指导作用，进而实现提高矿井开采工作效率的目的。定向钻进技术在地质勘探工作中起到了指导施工的作用，对煤矿采集工作的顺利展开具有积极意义，还可以提供技术支持。

4 结束语

综上所述，煤矿井下定向钻进技术的应用可以提高地质勘探工作的效率和质量，该技术不仅可以对未知区域的矿层高度、深度、结构等进行探测，还可以将异常地质进行标注，提高矿井生产效率和工作效率。

注释：

①[美]Norman J.Hyne.石油科技知识系列读本：石油勘探与开发[M].刘云生，等，译.北京：石油工业出版社，2009.