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(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入高速發(fā)展的階段，各行各業(yè)對(duì)能源的需求量呈現(xiàn)出急速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，而煤礦目前仍然是我國(guó)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(duì)地質(zhì)進(jìn)行勘察，發(fā)現(xiàn)和開采煤礦能源。本文簡(jiǎn)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(shí)會(huì)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(gè)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(shí)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(shí)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(tái)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(shí)，由于鉆具上配備了實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，可以時(shí)刻監(jiān)測(cè)鉆孔所在的位置，一旦發(fā)現(xiàn)鉆孔偏斜或者位置出錯(cuò)，可以及時(shí)修正鉆孔的平面和空間位置，實(shí)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(shí)，定向鉆進(jìn)技術(shù)還可以實(shí)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(gè)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(shí)會(huì)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(xiǎn)。因此在煤礦開采之前，必須對(duì)其地質(zhì)情況進(jìn)行勘探。地質(zhì)勘探的目的有兩個(gè)，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(duì)鉆探技術(shù)取出的巖樣樣本和水樣的檢測(cè)，為煤礦開采設(shè)計(jì)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(yàn)無法準(zhǔn)確地判斷地下水源的位置，會(huì)對(duì)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(huì)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(shí)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(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的壓力，若瓦斯的釋放量過大，可能會(huì)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(shí)，隨著開采深度的增加，煤層中的地應(yīng)力和瓦斯壓力也會(huì)逐漸增大，如果控制不當(dāng)將會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，近年來，我國(guó)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(duì)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(shí)瓦斯含量滿足安全規(guī)定的限額，從而實(shí)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(zhǎng)鉆孔預(yù)抽的方法。穿層鉆孔抽采瓦斯時(shí)，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(zhǎng)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(guó)能源的重要構(gòu)成成分。在煤礦開采時(shí)，要合理的設(shè)計(jì)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(huì)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(huì)給工程帶來極大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。煤礦開采時(shí)，開采作業(yè)面呈現(xiàn)出多、散和同時(shí)施工的特點(diǎn)，可能會(huì)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(xiǎn)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(shí)可能會(huì)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(shí)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(shí)，工作人員大多都要深入井下采煤，如果工作時(shí)安全意識(shí)散漫、注意力不集中就有可能引發(fā)塌孔危險(xiǎn)，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(duì)采煤人員的安全和健康造成極大的危險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(shí)沒有完全探查出巖石硬度，鉆機(jī)工作時(shí)遇到巖石層的軟硬程度不同，若壓力控制無法事實(shí)調(diào)控，在硬度較小的軟巖層鉆探時(shí)，速度會(huì)過快，會(huì)造成大量的粉塵堆積，形成塌孔。二是，煤層硬度較低，鉆孔時(shí)間長(zhǎng)、孔道深，鉆孔產(chǎn)生的碎屑未能及時(shí)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(shí)鉆頭遇到硬度較高的巖層而沒有及時(shí)調(diào)整壓力時(shí)，會(huì)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(shí)根據(jù)鉆頭所接觸的巖石性質(zhì)及時(shí)調(diào)整鉆機(jī)壓力，壓力過大或過小都可能會(huì)引起塌孔，同時(shí)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(shí)要盡可能快的通過煤層，避免因?yàn)樗俣冗^慢，在煤層中停留時(shí)間長(zhǎng)，而對(duì)煤層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定造成較大的干擾，增加鉆孔風(fēng)險(xiǎn)，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(shí)還要保證有足夠的工作空間。例如，全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)，雖然具有較多的鉆探優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)安全事故的處理尚未形成全方位的監(jiān)測(cè)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(huì)出現(xiàn)滑扣等不利現(xiàn)象。

施工人員的技術(shù)水平也會(huì)對(duì)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(shí)對(duì)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(huì)使得煤礦井下施工時(shí)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(shí)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(duì)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?yàn)閮x器松動(dòng)而導(dǎo)致鉆孔偏斜問題的發(fā)生。其次，利用專業(yè)測(cè)量?jī)x器保證機(jī)具鉆孔中心與立軸中心位于同一條直線，同時(shí)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(shí)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(shí)由于鉆機(jī)的移動(dòng)導(dǎo)致鉆孔偏斜。最后，施工時(shí)必須確保機(jī)具孔口管的牢固性，合理的控制鉆桿的長(zhǎng)度，避免因?yàn)殂@桿長(zhǎng)度過長(zhǎng)而出現(xiàn)鉆桿擺動(dòng)幅度過大的現(xiàn)象。對(duì)于磨損和彎曲嚴(yán)重的鉆具要及時(shí)更換，避免其對(duì)鉆孔施工造成不良影響。

在鉆孔工作時(shí)，還應(yīng)及時(shí)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(shí)，應(yīng)盡可能地先降低鉆具壓力，待鉆具工作一段時(shí)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(shí)，施工人員還要隨時(shí)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(qǐng)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(duì)煤礦開采造成的不良影響。

5.結(jié)語

鉆探技術(shù)是實(shí)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。科技是把雙刃劍，鉆探技術(shù)應(yīng)用的同時(shí)也會(huì)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。