摘 要：本文介绍了定向钻进技术的工作原理，阐述了在矿井地质构造探测领域中应用定向钻进技术的应用条件、工作方式和原理以及应用该技术取得的效益，并成功应用在了某矿井的断层勘探测量实际工作中，为我国煤矿井下以及地下隧道工程等需要地质探测的工程领域提供了宝贵的实践经验和技术参考。

关键词：定向钻进;地质构造;探测

0 引言

随着采矿领域科学技术的快速发展，我国高产高效现代化矿井越来越多，高水平的综采技术也日益得到越来越全面的推广应用，那些高产高效矿井对地下地质构造的超前探测的需求也越来越迫切，也意味着超前探测对煤矿企业安全高效生产的影响也越来越大。目前常规地质钻探是我国在探测地质构造过程中常用的勘探方法，但是常规地质钻探存在几个主要缺陷，就是在钻探过程中钻头的位置和前进轨迹定位误差比较大，而且常规地质钻探钻井深度不大，无法勘察更深层的岩层性质和地质构造，往往对后期工作开展带来一定困难，比如技术人员很难精准预测深部岩层地质条件等。

自本世纪初开始，随着国外先进技术和装备不断在国内落地，我国的勘测和采矿技术和装备水平取得了长足的进步，随钻测量定向钻进技术也得到突飞猛进的发展，并在一些煤矿首次应用了井下长距离瓦斯抽采钻孔技术和装备，取得了良好的应用效果和推广效果。随后，国内一些煤矿企业开始创新性的根据定向钻进技术的特点，在矿井地质探测过程中将其该技术进行了实践应用。本文以某矿为研究背景，举例说明定向钻进在超前探测地质断层方面的应用特点和成效。

1 矿井下定向钻进设备

矿井下定向钻进装备主要由以下几个部分组成：定向钻机和钻杆、随钻测量仪器、泥浆泵车以及螺旋马达等。孔底马达前端连接钻头，通过输出动力和改变角度，控制着钻头的前进和转向。孔底马达后部通过无磁钻杆与井下钻车相连，钻车上面配备各种精密测量仪器。再往后就是泥浆泵车，泥浆泵车通过通缆钻杆和高压送水胶管连接到井下钻车上，泥浆泵车与井下钻车中间配备孔口监视器，方便实时观察监测前方钻头的钻进情况和钻孔运移轨迹。泥浆泵车主要利用高压水为井下钻车和前方钻头提供前进动力。整个定向钻进装备结构复杂，各工作系统紧密联系配合，共同完成定向钻进工作。

2 定向钻进工艺技术和特点

2.1 定向钻进工艺技术

井下定向钻进工作原理简单概述为：根据目标工作地点的有关地质资料制定孔眼布置方案，要求方案符合施工技术要求;提前设计出钻头前进轨迹，计算出各测点的准确参数，确定钻进过程中必须的其他技术参数，为下一步开展钻孔施工奠定技术基础。然后根据定向钻进设备的按照指南对施工设备进行连接和按照，使其能够正常运转工作。在定向钻进过程中，操作人员要操作规范，时刻通过孔口监视器观察前方钻进情况，监测钻孔运移轨迹，利用测量仪器采集有关数据，以便进行后期处理。

2.2 随钻测量定向钻进工艺技术特点

轨迹参数实现了测算的精确性。在对井下地质构造进行超前探测的过程中，定向钻进技术的成功应用，可以实现对钻孔轨迹的有关参数的测量和计算，提高了数据的精确性。随钻测量系统可以记录到的钻孔数据一般包括钻孔的方位角、倾角等数据。

通过计量钻杆的累计长度和利用随钻测量采集仪器等方法，可以较为准确的获得一些钻孔轨迹的主要参数，如孔深和角度等，为后期工作提供了技术支撑。在此基础上可以利用一些理论知识和公式等方法得到钻孔轨迹的准确坐标，进而可以对钻孔轨迹的准确位置进行确定。

钻孔轨迹实现了人为控制的方式。由于螺杆马达和随钻测量探管的结构特征和连接特点，可以使得马达和探管一同回转，而孔口监视器的作用就是实时监控回转的方向等，进而实现对钻孔轨迹的人为控制。

开分支孔。悬空开分支法是定向钻进技术中采用的主要开分支方法。将钻具弯头的工具面角向下旋转180度，通过磨削的方式磨削出向下的键槽，通过不断磨削，键槽深度不断增加，直到钻头完全脱离原来的孔洞而落入键槽，此时意味着分支成功。

根据该钻进工艺上述技术特点，为了实现长钻孔作业，可以通过利用反复探顶和开分支孔的方法，同时又准确定位了煤岩体中的钻孔。在定向钻进作业过程中，时不时遇见一些地质异常的情况，这时钻进压力、速度等工艺参数都会发生改变。此时可根据钻孔定位，结合有关地质资料对地质概括做一个初步判定;然后利用开分支钻进方法继续钻探，直到地质条件恢复正常为止。因此，综上所述，钻探深、定位精确以及可以灵活施工等特点，使得随钻测量定向钻进技术在地质探测领域得到了较为广泛的推广和应用。

3 定向钻进技术在某矿断层超前探测中的应用

3.1 断层概况

根据某矿前期物探资料，某矿井田中部区域存在一条延展长度2500多米、最大落差可达40m的较大断层，严重影响了矿井后期的生产和建设。

3.2 设计思路

按照矿井巷道设计规划方案，最先通过该断层的巷道为中央1#回风大巷，结合矿井前期勘探的地质资料和定向钻进工艺特点，最终决定了一个定向钻进技术方案。该方案中指出，在距离目标断层约690m处分别布置一个主孔，三个顶底分支孔。主孔的主要作用是验证断层的存在，分支孔的主要作用则是探测煤厚、顶底板岩性等。

3.3 探测过程及结果

在钻探施工过程中，过断层钻孔返出的岩屑中出现了细粒煤样，且含有少许泥岩，继续钻进则出现了塌孔卡钻等现象，此时停钻，调整钻进参数之后，钻孔始终无法前进，经过分析和研究，最终采用开分支孔的方法进行钻进。在继续钻进过程中频繁遇到卡钻塌孔憋泵现象，也多次调整参数，最终一个过断层钻孔钻进至断层下盘的煤层底板中，此时泥浆泵压力较大，造成持续塌孔，钻进工作停止。

通过探测工作，得到以下探测结果：探测顶板的分支钻孔钻进了煤层顶板里，为后期判定断层面位置提供技术参考;过断层钻孔钻进了断层下盘煤层底板里;根据有关探测结果和资料，初步判定断层断距范围为10-20m之间。探测结果为后期矿井生产工作提供了可靠地质资料。

4 结束语

通过对定向钻进工艺的装备和技术特点的介绍，并将定向钻进技术成功应用于某矿断层的超前探测工作中，为我国煤矿井下以及地下隧道工程等需要地质探测的工程领域提供了寶贵的实践经验和技术参考。

参考文献：

[1]石智军，许超，李泉新，张杰.随钻测量定向钻进技术在煤矿井下地质勘探中的应用[J].煤矿安全，2014，45（12）：137-140.

作者简介：

刘道洲（1982- ），男，湖北南漳人，地质工程师，主要研究方向为矿井防治水。