煤矿井下定向钻进技术在矿井地质勘探中的应用

宋文鹏

（河南永锦能源有限公司云盖山煤矿二矿，河南 禹州 461000）

0 引言

社会工业技术的发展，对于煤矿行业来讲，高效的作业方式也被大多数企业所采用，随着竞争压力的逐渐增大，煤矿区的产量也愈来愈受限。对于煤矿勘探开采的技术需求也愈发强烈。传统的煤矿勘测水平无法满足现代化煤矿作业的要求，由于技术落后，勘测结果误差大，本文就煤矿井下作业中的定向钻进技术在施工中的实际应用，分析其影响因素，希望给相关人员提供一定的参考和建议。

1 煤矿作业中定向钻进技术的含义

定向钻进作业技术是一种新型的并在勘测开采领域被广泛应用的作业技术。而定向钻进作业技术在我国煤矿勘测作业中最主要的用途之一就定向钻进行防治水性钻孔施工、抽采煤矿井下瓦斯等有毒气体，为保证煤矿井下的勘测作业能够正常顺利地开展提供一个较为安全的施工和生产环境，对煤矿的开采起到一定的保障碍物作用。其主要是由井下作业工具、工艺设备和测量工具组合在一起使用，通过不断动态地调整钻孔的运作轨迹，从而使钻头沿指定的方向到达预计目标处，大大提高工作效率，降低施工成本，达到预期效果，对于后期工作的开展提供了重要指导和参考，其工作开展相对轻松且安全性大大提高。

定向钻进作业中，其分支孔的实际应用与传统常规钻探的探测技术相比较，主要有以下优势：能够实时随着钻探工作的进行计算和储存探测信息，能够误差更小地计算建立出地层结构中的三维坐标，再利用其定性分支技术测算出该点的三维坐标，通过一个个三维坐标的建立，整体的三维模型建立出来，从而完成对于该区域的地质结构勘测工作，误差与实际值非常之小，通过已施工的大量地质钻孔与实揭煤层剖面的对比，找出地质钻孔偏斜规律，分析影响因素，通过实践验证对比，确认地质钻孔偏斜规律的准确性。

2 定向钻进技术及装备工作原理

定向钻进的作业适用于岩石硬度的系数＜5及相对较稳定的煤层的硬度f＞5的地质结构中施工作业。不适用于煤层结构较软的地质中工作。定向钻进整套的设备设施主要是由定向钻机、高强度钻杆、泥浆泵、测量探管、通信电缆、马达钻头和孔口计算机等主要部件组成。

主要工作原理是由高压水进入送水器，由此通缆钻杆进入孔底的马达内，产生动能转换来驱动马达的旋转，然后更高效率地带动钻头的全方位的旋转，对于煤矿层进行切割。在定向钻进的作业过程中，钻柱保持高度不转的状态，仅使用孔底马达旋转钻头钻碎岩作业。通过预设的运行轨迹，不断动态地转变钻头方向，从而达到预期的地质层结构的目的。通过钻进作业的进行，从而更好地展示出地质层结构，根据理论与实际的偏差，需要通过调整钻头等工具的轨迹来更好地勘测。

3 定向钻进作业中各技术的解析

通过滑动孔底电机的定向钻进：由电机进行定向钻进作业过程中，通过将工具面的动态调整，泥浆泵里面加注来自孔底泵的高压冲洗液带动电机组和钻头的转动，是通过钻具给钻机的作用力，进而达到使用钻头来碎岩钻进，学名为孔底电机滑动定向钻进的技术。此技术的特点是：（1）在钻进中仅由钻头和来自孔底的转子在转动，装具其他部分保持不动，只负责轴向滑动作用；（2）在钻进中钻头回转动力只由泥浆泵来提供。

复合型定向钻进技术：在定向钻进作业中，孔底泵用泥浆泵将加压后的高压水以转化为动力来驱动钻头，由孔底钻机来转动。在这种复合式钻进作业中，通过试验可以看到，当使用1.25°的单弯螺杆型电机进行复合钻进作业时，其钻孔中可看出轨迹倾斜角在呈现出下降的趋势，而它方位角则有明显上升的趋势。而钻孔轨迹的弯曲曲率显然小于滑动定向进取，且轨迹相对较为平滑。

通过所以上两种钻进工艺的原理及优势描述，可以将其取其精华去其糟粕，可以采用两种工艺相结合的方法进行钻进作业。既达到了钻孔轨迹可视化可受人工控制的同时又能将复合钻进的轨迹平滑性所保留。其结合的工艺方法在煤矿的井下勘测中使用较多。

4 定向钻进作业中在勘测的应用

4.1 煤矿井下中瓦斯抽采作业

由于煤矿中含有大量的瓦斯有毒气体，贸然地勘测开采将造成瓦斯泄漏对环境及人员的生命安全造成损失。而定向钻进作业可以利用其对上下层结构较为稳定的岩层来进行施工，利用分支孔来穿刺到煤炭层的内部，来采抽对于松软煤层的瓦斯。如果因煤层自身的透气较低的，则需要在钻孔内增压施工，从而提高煤矿层的透气性，来达到治理煤层瓦斯有毒气体的效果。随着钻孔的技术的应用，可以更好地实现在采前、采中和采后联合的方式抽采，进而提高松软煤层中瓦斯气体的治理效果。

4.2 煤矿区采空的勘测

煤矿井下作业中定向钻入和采空的技术主要应用于勘测各个煤矿区采空的地方，其主要勘测和采空的作业方法有：在煤矿需要进行勘测的区域内设计可以进行定向钻入和采空的靶点，一般都是以每个靶点间距离为20 m左右为宜，通过使用定向钻进在采空勘测过程中能够比较精确地命中每一个靶点，需特别注意的一点，若在浇筑和施工时间内出现因为钻进的速度快而卡钻或者是钻孔后不再返水的情况，那就证明钻头所施工的位置恰好是煤矿采空的区域。若能利用随钻计算系统则能更好地测试出各采空点的坐标，从而对于数据的收集来达到对采空区的整体绘制，从而提高煤矿作业的安全性。

4.3 煤矿井下作业钻探防水作业

对于煤矿井下的作业对于水防治的过程中，使用钻孔探测法来进行放水是最常见常用的方法。而定向钻进的应用，可以使人们能够依据钻孔数量的估算方法来对井下勘探放水时所处施工场地的环境状况进行一种全方位的监测，并且采用一种定点、定向的施工模式能够更好地释放出来自煤层底板承压水。例如X煤矿运用了定向钻进技术来进行水防治，在选择了3121的工作面上施工孔做8个，总的进尺为2 983 m，而其最大单孔中的放水量达到120 m3/h，通过试验数据可以显著地看到钻进作业技术的实际应用效果是非常好的。

5 结语

通过本文以上对于定向钻进技术的内涵、工作原理、装备工具及在煤矿中的实际应用，例如瓦斯气体的抽采、采空区域的探测和钻探放水作业等讲述，可以看出定向钻进技术在煤矿的井下作业中是非常实用的，不仅可以给我们的煤矿区地质结构的勘探工作更为方便快捷，也能够使人们对于所不熟悉的陌生地质结构进行有效的开发治理工作，大大地提高了煤矿作业生产工作的安全性，从而减少事故也就是降本增效。未来的煤矿井下作业中，会不断地开发出高度智能化、高度精确化、高度质量化的科技钻进系统，对于勘测模型及勘测数据能够更智能化地分析，从而匹配出更合适的探录软件，绘制出更完整的、更精准、可靠性高的地质结构图。总而言之，定向钻进技术在煤矿领域的发展是不可或缺的，是煤矿作业中重要的组成部分。其技术的应用不仅能够使得煤矿区的地质勘探更准确、便捷，也使得煤矿工作开展更安全。同时其技术原理可同样适用于其他行业的发展，其发展空间、发展前景巨大。