定向鉆進在礦井地質構造探測中的應用

伍增強

（陜西彬長孟村礦業有限公司，陜西咸陽713602）

定向鉆進在礦井地質構造探測中的應用

伍增強*

（陜西彬長孟村礦業有限公司，陜西咸陽713602）

通過對隨鉆測量定向鉆進技術原理介紹，闡述了定向鉆進技術在煤礦井下地質探測領域定向鉆孔的適用條件、布孔方式、成孔原理及應用效果，并在陜西彬長集團孟村礦井DF29斷層探測工程中得到應用。為我國煤礦，特別是彬長礦區井下地質探測工程提供了可靠的技術借鑒。

定向鉆進；礦井地質構造；探測

隨著我國煤礦井下高產高效綜采技術的全面推廣，煤礦井下地質構造的超前探測對煤礦安全高效開采影響越來越顯著。目前我國煤礦地質構造超前探測多采用常規地質鉆探，這種方法一般施工深度較淺且鉆孔軌跡在鉆進過程中很難精準確定，對后期技術人員的預測帶來一定的難度，甚至會帶來負面的影響［1］。

自2003年起，國內煤礦不斷引進國外先進技術和裝備，使得隨鉆測量定向技術取得了飛速發展，并廣泛應用于煤礦井下長距離瓦斯抽采鉆孔的施工，取得了顯著成效。根據隨鉆測量定向鉆進技術的優點，國內一些煤礦企業開始嘗試將其應用于煤礦井下地質探測，下面以定向鉆進技術在孟村礦井DF29斷層的超前探測應用為例進行說明。

1　煤礦井下定向鉆進裝備

煤礦井下隨鉆測量定向鉆進系統由定向鉆機、通纜鉆桿、隨鉆測量儀器、泥漿泵、螺桿馬達等組成，鉆進設備與連接如圖1所示［2］。

2　定向鉆進工藝技術及其特點

2.1定向鉆進工藝技術

煤礦井下定向鉆進工藝技術工作原理：結合現場地質資料及鉆孔施工要求確定定向鉆孔布孔方案；通過設計計算確定設計鉆孔軌跡各測點的精確參數，從而為鉆孔軌跡施工提供指導或參考。采用彎外管孔底螺桿馬達，利用高壓水驅動孔底馬達帶動鉆頭回轉；有線隨鉆測量技術傳輸孔底信息，利用孔口監視器實時監測鉆孔軌跡，并通過調節螺桿馬達工具面向角，改變鉆孔傾角和方位角的變化，進而控制鉆孔軌跡變化，實現鉆孔軌跡準確鉆進至靶點。

圖1　煤礦井下定向鉆進設備與連接示意圖

2.2隨鉆測量定向鉆進工藝技術特點

（1）鉆孔軌跡參數可精確測量和計算。定向鉆進技術應用于煤礦井下地質超前探測的過程中，隨鉆測量系統每隔一段距離（一般3～6m）采集一組鉆孔數據，主要包括方位角、傾角和工具面向角。

描述鉆孔軌跡的主要參數為孔深、傾角和方位角，其中孔深可通過鉆具累計長度計算獲得，傾角和方位角則通過隨鉆測量系統精確測量獲得。在此基礎上通過式（1）、式（2）和式（3）計算出鉆孔軌跡某測點的水平位移、左右位移和上下位移等鉆孔軌跡在鉆孔設計坐標系下的精確坐標，從而確定鉆孔軌跡的準確空間位置。計算原理如圖2所示。

式中：ΔL——鉆進過程中兩測量點間距；

αi——第i測點的鉆孔傾角；

θi——第i測點的鉆孔方位角；

θ0——鉆孔主設計方位角（即X軸方位角）；

X——第i測點水平位移；

Y——第i測點左右位移；

Z——第i測點上下位移。

1）顧客滿意度對醫藥B2C平臺顧客忠誠度的影響值為0.77。本研究進一步證實了在醫藥B2C購物環境下，顧客滿意度仍然是實現顧客忠誠的必要條件。

（2）鉆孔軌跡可人為控制。由于具有一定彎度的螺桿馬達與隨鉆測量探管通過螺紋連接后可實現同步回轉，因此通過孔口監視器調整工具面向角可以實現對螺桿鉆具彎頭方向的實時監控。鉆進過程中，借助調整螺桿鉆具彎頭方向，通過繼續鉆進可實現鉆孔軌跡彎曲方向的人為控制。螺桿鉆具彎頭方向對鉆孔彎曲參數影響如圖3所示。

圖2　鉆孔軌跡測點坐標計算原理

圖3　螺桿鉆具彎頭方向對鉆孔軌跡參數的影響

（3）開分支孔。煤礦井下定向鉆進開分支孔主要采用懸空開分支法，即將螺桿鉆具彎頭調向正下（工具面角180°），通過“低速磨削法”或“快速反復磨削法”在原孔壁向下磨削出鍵槽，隨著鍵槽的加深，當鉆頭完全落入鍵槽而脫離原鉆孔時，標志分支成功。開分支孔原理如圖4所示。

圖4　定向鉆進開分支原理示意圖

基于隨鉆測量定向鉆進工藝上述技術特點，在鉆進過程中，可通過“探頂—開分支孔—再探頂—再分支……的鉆進工藝方法實現長鉆孔施工，同時可確定鉆孔在煤層中的準確位置。

當鉆進至地質異常區域時，鉆進工藝參數如給進壓力、鉆進速度、泥漿泵泵壓等會發生變化，同時鉆孔返水和返出巖樣也會發生變化。此時，可根據此時發生變化的孔底位置坐標，結合地質資料初步判定地層條件；然后退鉆開分支繼續探測，直到準確判定和探測該地質異常區為止。因此，隨鉆測量定向鉆進技術在煤礦井下地質探測應用中具有探測深度大、精確度高和施工靈活等優點。

3　定向鉆進技術在孟村礦井DF29斷層超前探測中的應用

3.1DF29斷層概況介紹

DF29斷層時孟村礦井前期物探資料顯示的一條正斷層（走向NE、傾向SE、落差0～38m，延展長度約2530m），該斷層位于井田中部，對礦井中央大巷后期建設影響較大。

3.2設計思路

根據礦井建設思路，為中央一號回風大巷將最先通過該斷層，結合物探資料及定向鉆進技術。最終決定在距離預測斷層位置700m的地方布置1個鉆孔（含主孔1個，低分支孔3個，頂分支孔3個），其中主孔主要用于驗證斷層是否存在，分支孔主要起到探測煤層頂底板、煤厚及斷距的作用，如圖5所示。

3.3探測過程及結果

3.3.1探測過程

2013年7月29日開鉆，共計施工主孔一個，探頂板分支5個（S1、S2、S3、S4、S5），過斷層鉆孔4個（S6、S6-2、S6-3、X1）。其中S6于591m開分支，鉆進至615m，返出巖屑中煤顆粒較細，含少量灰黑色泥巖.鉆進至621m處出現憋泵、塌孔和卡鉆現象，停鉆后測量出水量達到7m3/h，經多次改變鉆進參數均無法穿過，被迫終孔，后退鉆具重新開分支孔。S6-2于567m處開分支，鉆進至585m處，再次出現憋泵、塌孔和卡鉆現象，停鉆后測量出水量達到7m3/h，經多次改變鉆進參數均無法穿過，被迫終孔。S6-3于507m開分支孔，鉆孔軌跡設計在易塌孔段的煤層上部鉆進，同時增加鉆孔方位，試圖避開塌孔層段，鉆進至631m，仍然出現憋泵、塌孔和卡鉆現象，所返巖屑為粉末狀煤泥，多次嘗試無法穿過。X1于441m側鉆開下探分支，鉆進至586m時，鉆遇破碎帶，由587m至590m孔段頻繁出現憋泵、塌孔現象，孔內涌水量增加至20m3/h，鉆進過程中井口不斷返出大量坍塌煤塊。本孔段施行控時鉆進工藝，3h鉆進3m，穿過破碎帶3m，于590m處鉆進至斷層下盤煤層底板泥巖1m，，泥漿泵壓力最高達到7MPa，起拔壓力達到22MPa，塌孔持續，停止鉆進。

3.3.2探測結果

（1）S1～S5分別探測到了煤層頂板，為后續S6突變遇到巖石（判定為斷層面位置）提供了理論支撐。

（2）S6、S6-2、S6-3、X1均為過斷層的鉆孔，且探測到了斷層下盤煤層底板巖石。

（3）根據三維地震探測結果、S6遇到巖石前的頂煤厚度及鉆孔M4-3對底板巖性的描述，初步判斷出了斷距為10.51～22.57m，且位置比三維地震預測的提前30m左右。

（4）形成鉆孔軌跡水平投影圖及鉆孔軌跡垂直剖面圖，如圖6及圖7。

圖5　鉆孔設計平面圖

圖6　鉆孔軌跡水平投影圖

圖7　鉆孔軌跡垂直剖面圖

4　結束語

本次定向超前探測，可以根據需要隨時掌握任一點處的煤層頂（底）板高程；在鉆進過程中可以根據需要隨時調整鉆孔參數，不用退鉆即可重新開孔，實現了一孔多軌跡的功效。通過該項目，定向鉆進技術在礦井斷層超前探測中的應用得到了充分證明，為今后該技術在煤礦井下地質探測中的應用提供了實踐經驗。

［1］張杰，姚寧平，李喬喬.煤礦井下定向鉆進技術在礦井地質勘探中的應用［J］.煤礦安全，2013，44（10）：131-134.

［2］杜利猛，姚盼盼等.水平定向鉆進技術在胡底煤礦地質構造勘探中的應用［J］.探礦工程，2014，41（6）：38-43.

［3］石智軍，李泉新，許超.煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術及應用［J］.地質裝備，2013，14（6）：32-36.

［4］吳小建.螺桿鉆定向鉆探技術在煤層氣鉆井中的應用［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2006，（11）：48-51.

P634

B

1004-5716（2016）03-0086-03

2015-03-09

2015-03-14

伍增強（1986-），男（漢族），陜西渭南人，助理工程師，現從事地質及礦井地質工作。