煤矿井下定向钻进工艺技术的应用探析

煤矿井下定向钻进工艺技术的应用探析

邱进仓

伊犁庆华能源开发有限公司

摘要：在社会经济和科技飞速进步的背景下，煤矿的开采和钻进技术也有了一定提升，煤矿的主要开发区域向更深的地层发展。定向钻工艺是目前煤矿的钻进开采中使用最广泛的技术手段之一，能够较好地管控煤矿的地质结构问题和钻进透水事故。定向钻技术的发展已有近五十年的时间，从最早的石油井钻进到煤矿井钻进，都有着较为突出的表现。因此，本文系统性地介绍了煤矿井下定向钻进技术的原理、分类和优势和不足，并详细讨论该技术的重要应用。

关键词：煤矿井；定向钻进；工艺技术

引言：

我国地广物博，蕴藏着丰富的矿产资源，其中的煤炭储量和开采量都位于世界前列，人均探测储量可达到上百吨。在对煤矿的长期研究中，矿井的钻进和测量技术也在不断进步，定向钻是目前应用较为广泛的一种钻进技术。该技术能够较好地改善无法实现深孔钻进的难题，借助复合的打孔方式可以有效预防煤矿作业过程中存在的安全隐患，钻进效率更高。使用定向钻进打出的矿井内壁更为光滑，不会出现倾斜和碎石，能够有效保障作业人员的安全。

1. 煤矿井下定向钻进的概述

1. 钻进技术原理

早在上世纪七十年代时，油田开采就已经开始使用定向钻进技术，由于其钻头具有特殊形制，能够应对不同的复杂地质条件，研究人员也逐渐开始在煤矿的开采和探测中应用这项技术。随着对表层煤矿的不断开发，煤炭企业逐渐将目光投向更深层的地质结构中，但是复杂的地理环境和山体压力给开采工程带来了一定的困难。

定向钻技术的主要特点集中在钻头位置，其不回转的特点能够在钻进过程中更好地排粉，避免有碎石和灰尘飞入机械设备内，对于作业人员而言更加安全。定向钻中内置了一块马达，能够通过电机旋转带动钻头快速运动，保持作业效率。定向钻的钻头呈一定的倾角，需要工作人员提前设计好钻孔的路径，在与MWD系统的配合之下，电机改变钻头的倾斜程度，能够实现钻进路径的改变。MWD系统中有精确的定位和靶向技术，对定向钻的路径实现智能化的调节，保证钻进的深度。

2. 钻进技术分类

定向钻技术根据工作时钻头的受力不同可以分为两类。首先，电机钻进顾名思义是指在钻进的过程中使用电机作为带动钻头转动的动力源，在整个钻进的过程中，其他部分都保持静态，这样在钻机的轴向上就可以保持受力稳定，在电机钻进的过程中其方向只能够顺着轴向前进，有利于保持钻进的定向性。其次，复合钻进是指钻头部分不仅通过高速旋转来实现推进，其后端的动力位置还有向前的压力，能够提升钻头的作业效率。复合钻进技术目前在煤矿井的开采勘探中应用更为广泛，其打孔的路径呈现出平滑的弧度，且孔壁呈现出光滑的状态，是较为理想的钻进工艺。

3. 钻进技术优势

和传统的矿井开挖技术，即机械钻进法，进行对比能够更加清楚地掌握定向钻技术的优势。首先，定向钻的操作更加简便，钻头在电机的带动之下能够高速旋转，且由于钻头特殊的制样，不会受到钻进过程中粉尘和碎石的干扰，工作效率明显提示。根据数据对比显示，在同等地质条件下，复合钻进的开挖效率是传统机械方式的2-3倍。其次，在井下作业的过程中如果出现开裂或渗漏有很大的安全隐患。定向钻可以在钻进的过程中及时排灰，保持了设备运作的稳定性。在定向钻的影响之下，井内部受到的轴向压力和钻进的速率较为恒定，有效减少了岩体开裂的情况。定向钻也可以和计算机系统相结合，将路径规划和只能掘进联系在一起，更好地实现人工控制。

2. 机械钻进技术的不足

传统的煤矿井钻进技术主要是机械化的方式，只适用于一些浅表层的煤矿开采。目前的矿井深入到更深层的地质结构内，如果采取机械化的方式钻进，耗时过长、投入成本巨大，并不能为煤矿企业带来较好的经济效益。定向钻技术可以在下钻之前进行路径设计，保持稳定的前进方向，实现煤矿井的下钻作业。另外，机械化的钻进工艺更加粗糙，会外层的岩石结构和地质环境会造成较大的破坏，不利于对煤矿展开保护工作。机械化的钻进方式打出的矿井壁粗糙，碎石和灰尘很容易积聚在钻头中，造成机械设备的卡钻，给作业人员的安全造成一定威胁。

3. 钻进技术的重要应用

1. 定向钻孔放水

在煤矿井的钻进过程中如果遇到地下水系会有一定的安全隐患，如果使用定向钻进能够在一些薄层区域实现小范围的疏水，有效避免透水事故的发生。首先，定向钻进的靶向性很明确，钻进的深度大、范围小，一般不容易出现水分渗漏的情况。在一些空旷区域如果有地表积水，可以借助定向钻开孔进行精准排放，按照钻孔轨迹为疏水工作设计合理路径，缓解矿层内的积水压力，避免在开采时出现安全事故。其次，在一些积聚在煤矿底部的水流，如果不进行疏导直接进行开采，很容易引发矿井坍塌的问题，给作业人员的生命健康带来严重威胁。通过合理计算坡度，将地层的积水分别排向不同位置，可以减缓水压，并有效防止作业过程中的瓦斯气体溶解在水流中出现裂层现象。

2. 矿井瓦斯抽采

在矿井的开采中不仅有煤矿，还有相当体量的瓦斯气体可供开采，也是煤矿企业重要经济来源之一。其原理是将开采管道直接深入到煤层内部，抽采出的气体即时进行压缩。但是这种方式具有一定的危险性，对于一些透气性较差或深度较深的瓦斯气体储层，长期抽采会导致内部的压力骤降，外层岩石结构承受的积压力会增加，出现矿井坍塌的危险。借助定向钻进技术能够在煤矿的内部打出一些连通结构，保持了煤层内部压力的连通性，有效避免在抽采过程中的安全隐患。这种瓦斯抽采的原理还可以应用到煤层底部的排水工作，即当水流顺着定向钻道流出后，矿井内部的压力减小，外层的承重会相应增加，定向钻道的疏压十分重要，可以保障作业人员在矿井内施工时的安全性。

3. 地质构造探查

在煤矿开采和勘探之前，清楚地了解地质构造能够提升储量数据的准确性，帮助工作人员制定科学合理的开采方案。利用定向钻技术能够提取地质样本，对一些结构断层和延伸都能实现较好的探查。在煤矿井中可以借助定向钻实现超前探测，深度可达500-600m。原有的探测技术和巷道施工是交替推进的，这样的作业效率更低，且会给原有的地质结构造成一定的破坏，对作业人员的安全性不能实现保障。一些煤矿的分布属于越层分布，必须要实现精准的探测才可以开采。借助定向钻进技术可以从一个主孔向不同方向延伸，即分支钻井，大大延伸对盲区的探测范围，同时显著提升了探查的效率。在一些空间范围较小的地层环境中也能够实现精准探查，保障后期开采工作能够安全进行。

4. 煤矿采空探测

煤矿采空探测是一种利用定向钻技术实现精准定位的过程。从起始点出现，分别以20m的间隔进行定向钻孔，并保证钻进的精确性，一般设计5个直线路径即可，若矿井的范围较大也可以适当增加。作业人员需要在钻进的过程中对钻孔的状态和钻头的工作进行查看，如果钻头能够快速掘进且钻孔中没有水分的渗漏，则说明目标区域中为一片采空区。重复利用该种方式就可以探测到煤矿范围内不同的采空区，对后期的开采方案设计有重要帮助。在计算机技术的帮助之下，还可以将探测到的结果录入其中，将煤矿中的底层结构绘制出来，构成立体的模型结构，便于工作人员进行智能化设计。

4. 结束语

总之，使用定向钻进技术可以较好地实现煤矿井下的钻进作业，是目前煤矿开采和勘测中一项重要的工艺技术。由于定向钻的钻头形制得到了改善，作业过程中不会发生滑动，有利于对钻进展开更好的控制。定向钻的钻头转速更快，作业效率更高，能够为煤炭企业创造更好的经济效益。使用定向钻技术时对地质结构没有限制和要求，浅层区域和深层区域都有较好的表现。通过钻机的压力控制，有效防止了钻孔过程中塌陷和透水事故的发生，安全性有更好的保障。

作者简介：邱进仓，男，1985年03月16日，籍贯（具体到县）：甘肃省武威市民勤县，单位：伊犁庆华能源开发有限公司，职称：初级，职务：调度值班长，学历：本科，研究方向：煤炭开采技术，从事工作：煤炭开采。