伍增強(qiáng)

（陜西彬長(zhǎng)孟村礦業(yè)有限公司，陜西咸陽(yáng)713602）

定向鉆進(jìn)在礦井地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用

伍增強(qiáng)*

（陜西彬長(zhǎng)孟村礦業(yè)有限公司，陜西咸陽(yáng)713602）

通過(guò)對(duì)隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)原理介紹，闡述了定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦井下地質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域定向鉆孔的適用條件、布孔方式、成孔原理及應(yīng)用效果，并在陜西彬長(zhǎng)集團(tuán)孟村礦井DF29斷層探測(cè)工程中得到應(yīng)用。為我國(guó)煤礦，特別是彬長(zhǎng)礦區(qū)井下地質(zhì)探測(cè)工程提供了可靠的技術(shù)借鑒。

定向鉆進(jìn)；礦井地質(zhì)構(gòu)造；探測(cè)

隨著我國(guó)煤礦井下高產(chǎn)高效綜采技術(shù)的全面推廣，煤礦井下地質(zhì)構(gòu)造的超前探測(cè)對(duì)煤礦安全高效開(kāi)采影響越來(lái)越顯著。目前我國(guó)煤礦地質(zhì)構(gòu)造超前探測(cè)多采用常規(guī)地質(zhì)鉆探，這種方法一般施工深度較淺且鉆孔軌跡在鉆進(jìn)過(guò)程中很難精準(zhǔn)確定，對(duì)后期技術(shù)人員的預(yù)測(cè)帶來(lái)一定的難度，甚至?xí)?lái)負(fù)面的影響［1］。

自2003年起，國(guó)內(nèi)煤礦不斷引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和裝備，使得隨鉆測(cè)量定向技術(shù)取得了飛速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于煤礦井下長(zhǎng)距離瓦斯抽采鉆孔的施工，取得了顯著成效。根據(jù)隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)一些煤礦企業(yè)開(kāi)始嘗試將其應(yīng)用于煤礦井下地質(zhì)探測(cè)，下面以定向鉆進(jìn)技術(shù)在孟村礦井DF29斷層的超前探測(cè)應(yīng)用為例進(jìn)行說(shuō)明。

1　煤礦井下定向鉆進(jìn)裝備

煤礦井下隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)系統(tǒng)由定向鉆機(jī)、通纜鉆桿、隨鉆測(cè)量?jī)x器、泥漿泵、螺桿馬達(dá)等組成，鉆進(jìn)設(shè)備與連接如圖1所示［2］。

2　定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)及其特點(diǎn)

2.1定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)

煤礦井下定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)工作原理：結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料及鉆孔施工要求確定定向鉆孔布孔方案；通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算確定設(shè)計(jì)鉆孔軌跡各測(cè)點(diǎn)的精確參數(shù)，從而為鉆孔軌跡施工提供指導(dǎo)或參考。采用彎外管孔底螺桿馬達(dá)，利用高壓水驅(qū)動(dòng)孔底馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)；有線隨鉆測(cè)量技術(shù)傳輸孔底信息，利用孔口監(jiān)視器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆孔軌跡，并通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿馬達(dá)工具面向角，改變鉆孔傾角和方位角的變化，進(jìn)而控制鉆孔軌跡變化，實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡準(zhǔn)確鉆進(jìn)至靶點(diǎn)。

圖1　煤礦井下定向鉆進(jìn)設(shè)備與連接示意圖

2.2隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)特點(diǎn)

（1）鉆孔軌跡參數(shù)可精確測(cè)量和計(jì)算。定向鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于煤礦井下地質(zhì)超前探測(cè)的過(guò)程中，隨鉆測(cè)量系統(tǒng)每隔一段距離（一般3～6m）采集一組鉆孔數(shù)據(jù)，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(shù)為孔深、傾角和方位角，其中孔深可通過(guò)鉆具累計(jì)長(zhǎng)度計(jì)算獲得，傾角和方位角則通過(guò)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)精確測(cè)量獲得。在此基礎(chǔ)上通過(guò)式（1）、式（2）和式（3）計(jì)算出鉆孔軌跡某測(cè)點(diǎn)的水平位移、左右位移和上下位移等鉆孔軌跡在鉆孔設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下的精確坐標(biāo)，從而確定鉆孔軌跡的準(zhǔn)確空間位置。計(jì)算原理如圖2所示。

式中：ΔL——鉆進(jìn)過(guò)程中兩測(cè)量點(diǎn)間距；

αi——第i測(cè)點(diǎn)的鉆孔傾角；

θi——第i測(cè)點(diǎn)的鉆孔方位角；

θ0——鉆孔主設(shè)計(jì)方位角（即X軸方位角）；

X——第i測(cè)點(diǎn)水平位移；

Y——第i測(cè)點(diǎn)左右位移；

Z——第i測(cè)點(diǎn)上下位移。

1）顧客滿(mǎn)意度對(duì)醫(yī)藥B2C平臺(tái)顧客忠誠(chéng)度的影響值為0.77。本研究進(jìn)一步證實(shí)了在醫(yī)藥B2C購(gòu)物環(huán)境下，顧客滿(mǎn)意度仍然是實(shí)現(xiàn)顧客忠誠(chéng)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(dá)與隨鉆測(cè)量探管通過(guò)螺紋連接后可實(shí)現(xiàn)同步回轉(zhuǎn)，因此通過(guò)孔口監(jiān)視器調(diào)整工具面向角可以實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿鉆具彎頭方向的實(shí)時(shí)監(jiān)控。鉆進(jìn)過(guò)程中，借助調(diào)整螺桿鉆具彎頭方向，通過(guò)繼續(xù)鉆進(jìn)可實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡彎曲方向的人為控制。螺桿鉆具彎頭方向?qū)︺@孔彎曲參數(shù)影響如圖3所示。

圖2　鉆孔軌跡測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算原理

圖3　螺桿鉆具彎頭方向?qū)︺@孔軌跡參數(shù)的影響

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

圖4　定向鉆進(jìn)開(kāi)分支原理示意圖

基于隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)工藝上述技術(shù)特點(diǎn)，在鉆進(jìn)過(guò)程中，可通過(guò)“探頂—開(kāi)分支孔—再探頂—再分支……的鉆進(jìn)工藝方法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)鉆孔施工，同時(shí)可確定鉆孔在煤層中的準(zhǔn)確位置。

當(dāng)鉆進(jìn)至地質(zhì)異常區(qū)域時(shí)，鉆進(jìn)工藝參數(shù)如給進(jìn)壓力、鉆進(jìn)速度、泥漿泵泵壓等會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)鉆孔返水和返出巖樣也會(huì)發(fā)生變化。此時(shí)，可根據(jù)此時(shí)發(fā)生變化的孔底位置坐標(biāo)，結(jié)合地質(zhì)資料初步判定地層條件；然后退鉆開(kāi)分支繼續(xù)探測(cè)，直到準(zhǔn)確判定和探測(cè)該地質(zhì)異常區(qū)為止。因此，隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦井下地質(zhì)探測(cè)應(yīng)用中具有探測(cè)深度大、精確度高和施工靈活等優(yōu)點(diǎn)。

3　定向鉆進(jìn)技術(shù)在孟村礦井DF29斷層超前探測(cè)中的應(yīng)用

3.1DF29斷層概況介紹

DF29斷層時(shí)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(zhǎng)度約2530m），該斷層位于井田中部，對(duì)礦井中央大巷后期建設(shè)影響較大。

3.2設(shè)計(jì)思路

根據(jù)礦井建設(shè)思路，為中央一號(hào)回風(fēng)大巷將最先通過(guò)該斷層，結(jié)合物探資料及定向鉆進(jìn)技術(shù)。最終決定在距離預(yù)測(cè)斷層位置700m的地方布置1個(gè)鉆孔（含主孔1個(gè)，低分支孔3個(gè)，頂分支孔3個(gè)），其中主孔主要用于驗(yàn)證斷層是否存在，分支孔主要起到探測(cè)煤層頂?shù)装?、煤厚及斷距的作用，如圖5所示。

3.3探測(cè)過(guò)程及結(jié)果

3.3.1探測(cè)過(guò)程

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

3.3.2探測(cè)結(jié)果

（1）S1～S5分別探測(cè)到了煤層頂板，為后續(xù)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(guò)斷層的鉆孔，且探測(cè)到了斷層下盤(pán)煤層底板巖石。

（3）根據(jù)三維地震探測(cè)結(jié)果、S6遇到巖石前的頂煤厚度及鉆孔M4-3對(duì)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(yù)測(cè)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(shè)計(jì)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(jié)束語(yǔ)

本次定向超前探測(cè)，可以根據(jù)需要隨時(shí)掌握任一點(diǎn)處的煤層頂（底）板高程；在鉆進(jìn)過(guò)程中可以根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整鉆孔參數(shù)，不用退鉆即可重新開(kāi)孔，實(shí)現(xiàn)了一孔多軌跡的功效。通過(guò)該項(xiàng)目，定向鉆進(jìn)技術(shù)在礦井?dāng)鄬映疤綔y(cè)中的應(yīng)用得到了充分證明，為今后該技術(shù)在煤礦井下地質(zhì)探測(cè)中的應(yīng)用提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

［1］張杰，姚寧平，李喬喬.煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)在礦井地質(zhì)勘探中的應(yīng)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(jìn)技術(shù)在胡底煤礦地質(zhì)構(gòu)造勘探中的應(yīng)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(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用［J］.地質(zhì)裝備，2013，14（6）：32-36.

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

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1004-5716（2016）03-0086-03

2015-03-09

2015-03-14

伍增強(qiáng)（1986-），男（漢族），陜西渭南人，助理工程師，現(xiàn)從事地質(zhì)及礦井地質(zhì)工作。