定向钻进技术在煤矿井下隐蔽灾害探测中的应用

曹小军

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

我国大多数煤矿开采条件比较复杂，存在断层、陷落柱、老窑巷道和采空区等地质异常区域[1]，这些隐蔽致灾因素对煤矿安全、高效生产构成严重威胁和制约。钻探是探测井下隐蔽灾害的常规手段[2]。但是采用普通回转进工艺存在钻孔距离短、无效进尺多、轨迹不能精确测量计算，易造成探测盲区等技术难题[3-4]。近年来以坑道钻探装备开展的定向钻进技术，具有探测距离远、轨迹可测可控、一孔多支等众多优点[5-7]，在煤矿井下被广泛使用。因此将定向钻进技术用于煤矿井下隐蔽灾害的探测具有显著优势。

1 定向钻进技术

定向钻进技术是指利用钻孔的自然弯曲规律或使用人工造斜钻具，根据设计要求将钻孔延伸至预定目标的一种钻进方法[8]。煤矿井下定向钻进技术是以坑道钻探装备进行钻孔施工的钻进技术，其主要造斜钻具为螺杆马达，通过测量系统对孔底轨迹测量、计算以及孔底钻具姿态的调整，最终达到定向钻进的目的。

1.1 钻具造斜原理

螺杆马达是目前井下进行定向钻孔施工的造斜钻具，外观如图1所示。螺杆马达主要由马达（定子、转子）总成、万向轴总成、传动轴总成等部分组成[9]，它与孔内测量仪器连接（图2）。定向钻进施工时钻杆不旋转，马达将冲洗介质的压力能转换为机械能通过万向轴和传动轴将转速与扭矩传递给钻头，从而达到碎岩的目的。

图1 螺杆马达外观图

图2 定向钻进孔内钻具结构示意图

定向钻进时依靠随钻测量系统可以及时监控钻孔轨迹。通过调整螺杆马达弯头朝向（工具面向角）改变钻进的方向，从而调整钻孔倾角和方位角[10-12]，达到钻孔轨迹控制目的。

1.2 轨迹测量与控制

1.2.1 轨迹测量

定向钻进随钻测量系统通过孔底探管实时监测孔底钻具倾角、方位角、工具面向角等数据，在轨迹测量时可将探管实时测斜数据传输到防爆计算机，经过计算可得到钻孔轨迹。计算钻孔轨迹空间位置的基本原理是将钻孔轨迹轴线分成若干小段，并将每小段钻孔轴线看作为直线或曲线，然后对每小段端点测斜数据叠加计算。煤矿井下近水平定向钻孔轨迹计算方法采用均角全距法。该方法假设两个测点之间的测量段的钻孔轴线为直线段，直线段的长度为测量点之间钻柱长度。钻孔轨迹各测点采用均角全距法计算，公式如下：

式中：ΔLi为第i测段长度；αi为第i测点的钻孔倾角；θi为第i测点的钻孔方位角；θ为钻孔主设计方位角；X为i+1测点水平位移；Y为i+1测点左右位移；Z为i+1测点上下位移。

钻孔轨迹测量时随钻测量系统测量界面除了显示倾角、方位角、工具面向角等基础测斜数据外，还会显示水平位移、左右位移、上下位移、偏差等计算测斜数据。随钻测量系统测量界面不仅有数据的显示，还有钻孔轨迹空间位置图的显示。目前矿用随钻测量系统测量界面可实现“水平位移-左右位移”图与“水平投影长度-上下位移”图的显示。通过这些测斜数据与空间位置图实现钻孔轨迹实时测量和为钻孔轨迹控制提供依据的目的。

1.2.2 轨迹控制

定向钻进能够实现轨迹控制，主要是通过对工具面向角（图3）的调整，实现对处于钻进状态中钻具造穴倾角、方位角的控制，并采用随钻测量系统实时监测钻孔轨位置，从而达到轨迹控制的目的。

图3 工具面向角区域划分图

在倾角控制方面，分为增大倾角、稳定倾角和下降倾角3种情况。工具面向角范围为：0~80°，280~360°；80~100°，260~280°；100~260°。在方位角控制中，一般出现2种情况：增大方位角和减小方位角，通常不使用稳定方位角。工具面向角范围为：30~150°；210~330°。轨迹控制过程中需考虑重力及转速等影响下，还要在实钻中，结合地层条件，不断摸索、校正并总结出适合该矿区的轨迹控制经验。

2 定向钻进探测工艺

定向钻进隐蔽灾害探测工艺是基于定向钻进工艺的进一步应用，通过煤矿井下进水平定向钻进技术应用和坑道钻探设备使用从而达到煤矿井下隐蔽灾害探测的目的，与常规钻探探测隐蔽灾害相比具有显著优势。

2.1 定向钻进施工工艺流程

定向钻进施工要进行钻场设计与准备、设备安装与调试、钻孔轨迹设计等内容，与普通回转钻进工艺比较，采用螺杆钻具进行煤矿井下定向钻进时不仅可以主孔施工、还可实现侧钻开分支孔。根据施钻地层状况、设计要求和目的等不同[13]，施工顺序可分为“前进式”和“后退式”两类分支孔。结合侧钻分支孔工艺可进行探测煤层产状、采空区、异常地质构造等工作。

2.1.1 开钻前施工工艺流程

定向钻孔施工前需进行设计轨迹、钻场准备和设备调试与安装的工艺，在定向钻孔施工前需依据钻孔目的进行钻孔轨迹空间轴线的设计。定向钻孔轨迹设计时主要确定钻孔轴线每个测段的方位角和倾角，将关键参数输入到EXCEL设计表格中进行设计轨迹工作，最后将设计好的参数导入到随钻测量系统工作区域中。设计工作中定向钻孔造斜曲率要考虑钻孔长度、所允许的或可能的拐弯数、所需要的拐弯数量、打捞套管弯曲强度等。定向钻孔应均匀造斜，避免急弯，并设计和选择合适的造斜强度。

依据钻机规格和钻具尺寸施工钻场提供大小合适的长方形硐室或空间，针对本次实验ZDY6000LD（B）钻机需提供最小为8.0 m×6.0 m×2.5 m规格的钻场，还需保障打钻作业过程的各种供应工作。待设备入场后对钻机进行调试与安装，保证开钻后的正常运行。

2.1.2 钻进时施工工艺流程

钻进时施工工艺流程包括内容为：（1）开孔；（2）下入定向钻具；（3）确定工具面向角；（4）钻孔轨迹测量与控制；（5）主孔施工；（6）侧钻分支孔施工；（7）提钻终孔。

2.2 定向钻进探测隐蔽灾害原理

通常井下小孔径钻孔探测隐蔽灾害，是根据钻进时煤岩屑、返水颜色并进一步结合相邻钻孔、测井、物探以及临近工作面实际揭露等地层资料，从而判断钻头所处的位置，进而判断煤层顶底板情况，获取异常地质体空间信息。

隐蔽灾害定向钻进探测是由坑道定向钻探装备及其附属设备在井下开展小孔径定向钻孔施工，并通过对井下小直径钻孔轨迹实时监测和控制，最终实现远距离超前探查目的。侧钻开分支技术是定向钻进探测隐蔽灾害的优势突出技术。通过侧钻开分支技术进一步探测煤层顶底板以及地质异常构造体的准确位置及范围，从而实现了远距离精准探测隐蔽灾害的目标。

2.3 侧钻开分支技术

侧钻开分支技术在定向钻孔施工中广泛应用、是定向钻进主要关键技术之一，更是将定向钻进作为钻孔探测工艺的优势突出的技术。侧钻分支技术主要是利用螺杆钻具弯头定向和组合钻具以及结合重力的作用，从原孔向下方钻孔。钻孔施工过程中，如需侧钻开分支，应在钻孔轨迹倾角变大的位置，选择上坡位置或钻孔最低点作为分支点。开分支时将给进速度调慢，防止顺原孔继续滑动钻进。确定分支点后，将工具面向角调整为170~190°之间为适宜侧钻分支工具面向角，即将螺杆马达弯头朝下。在实际定向钻进隐蔽灾害探测过程中，要求每钻进一定距离预留分支点，钻孔沿设计或原孔继续钻进后无法达到预期探测效果后退到合适的分支点位置开分支。

3 工程应用试验

3.1 工程概况

山西某矿周边区域之前存在过小窑开采，开发过程可能出现的隐蔽灾害将严重影响和制约该矿在22303工作面的后续安全生产作业。为了查清隐蔽灾害存在位置和范围，矿方决定采用定向钻进技术对22303皮带顺槽巷外侧进行探测，定向钻进作业位置如图4所示。

图4 定向钻进作业位置图

3.2 钻具组合

钻具组合：ϕ98 mm钻头+ϕ73 mm液动螺杆马达+ϕ73 mm下无磁钻杆+ϕ73 mm测量探管+绝缘短节+ϕ73 mm上无磁钻杆+ϕ73 mm通缆钻杆。

测量方式：有线通缆传输。

3.3 试验情况

本次定向钻进隐蔽灾害探测试验由ZDY6000LD（B）履带式全液压坑道钻机及配套装备开展，初步完成定向探测钻孔主孔1个、分支孔1个，定向钻孔实钻轨迹剖面图如图5所示。

图5 定向钻孔实钻轨迹剖面图

1#孔孔深138～168 m为出煤孔段、168～186 m为见煤孔段，出煤后钻孔轨迹连续向上方调整钻进至孔深228 m均为岩段。结合现有地质资料，相邻钻孔、物探以及工作面揭露情况等综合分析得出：煤层在下方的可能性较大。因此，提钻到孔深84 m处开分支。1-1#孔孔深114～132 m为出煤孔段，其他孔段均为煤孔段，钻进至孔深240 m处遇小窑破坏区后提钻。通过1#定向钻孔及侧钻分支钻孔确定了带顺槽巷外侧小窑破坏区的位置，小窑破坏区范围可通过后续施工定向钻孔精准确定。

4 结束语

（1）运用定向钻进侧钻开分支技术在皮带顺槽巷外侧240 m处小窑破坏区的位置，为矿方对隐蔽致灾因素消除以及后续安全作业提供了准确地质资料。

（2）定向钻进技术用于隐蔽灾害探测的显著成效对远距离、高精度超前探测技术的发展具有重要意义。

（3）定向钻进技术在隐蔽灾害探测中的应用弥补了常规钻孔探测的不足，还可以对其他勘探方法进一步验证，为矿区的安全高效生产提供地质保障。