CN106567739B - 一种基于定向钻进技术的矿井火源异常区探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿井下防灭火技术领域，涉及一种基于定向钻进技术的矿井火源异常区探测方法。其可以实现实时随钻测量钻进，通过人为控制钻孔轨迹，完成对老巷采空绕避，以及采用定向钻进开分支工艺，扩大探测范围，并在定向钻孔中利用钻具下入测量导线及传感器，完成火源异常区的探测。本发明采用的步骤为根据资料推测异常区小窑、老巷及采空区的相对位置，选择距离疑似火源异常区较近位置开拓探测钻场，实施开孔钻进，完成火源异常区探测工作。
Description
技术领域
本发明属于煤矿井下防灭火技术领域，涉及一种基于定向钻进技术的矿井火源异常区探测方法。
背景技术
我国是世界上煤炭火灾最严重的国家之一，煤炭自燃影响社会经济，损失煤炭资源，破坏生态环境，给人类生存、安全带来一系列问题。且随着煤矿开采规模、开采强度及深度的不断加大，矿井火灾治理中隐蔽火源异常区的探测成为最为棘手的技术难题。
煤炭发火区域探测的主要手段是煤炭发火温度测量。在探测手段上一般采用打通探测通道，即施工测温钻孔，将测温仪表与测温传感器布设于测温钻孔内来测定热流量或煤体温度。
现阶段随着矿井整合及开采条件的复杂多样，发火区域多集中于老空巷采空区以及兼并整合的小窑矿井，探测难度不断加大。因此，常规钻孔探测技术应用较差，主要存在以下问题：
（1）常规钻探采用普通回转钻进，开孔参数一定，成孔为直孔，如目标靶区与开孔点间有老巷、小窑及采空区，则无法穿越，导致钻探失败。
（2）常规钻孔轨迹不可控制，即使能到达设计孔深，实际钻孔终孔位置与设计靶区仍有较大误差。
（3）当钻遇火源异常区时，因无法计算钻孔轨迹坐标，无法确定火源区的位置，严重影响防灭火工作。
鉴于以上缺陷，实有必要提出一种基于定向钻进技术的矿井火源异常区探测方法，以克服上述技术问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种基于定向钻进技术的矿井火源异常区探测方法，可以实现实时随钻测量钻进，通过人为控制钻孔轨迹，完成对老巷采空绕避，以及采用定向钻进开分支工艺，扩大探测范围，并在定向钻孔中利用钻具下入测量导线及传感器，完成火源异常区的探测。
为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种基于定向钻进技术的矿井火源异常区探测方法，其特征在于：所述的方法步骤为：
1）根据矿井资料推测疑似火源异常区，小窑、老巷及采空区的相对位置，选择距离疑似火源异常区较近位置开拓探测钻场；
2）实施开孔，开孔方位指向疑似火源异常区，倾角根据钻进矿井资料选择-5°~-15°开孔，钻孔下降深度以能绕避小窑、老巷及采空区为原则，实现绕避小窑、老巷及采空区的最佳角度；
3）开孔钻进时，开孔段采用回转保直钻进，随后提钻进行扩孔钻进，完成后下入封孔管及闸阀，并注入封孔材料封孔，待其凝固后，采取定向钻进设备与机具，进行定向钻进；
4）进行定向钻进时，利用测量探管，每3m对孔底进行一次参数测量，采用均角全距法进行钻孔空间轴线坐标计算，各测点以弦代弧从而得出完整钻孔轨迹，并根据设计通过调整螺杆马达弯角朝向（工具面角）调整钻进方向，使钻孔按照设计轨迹延伸，即形成先在地层中下降，当确定绕过小窑、老巷及采空区时，随后钻孔轨迹上仰的凹型定向钻孔，再利用螺杆马达调整钻进方向，使钻孔轨迹在目标区延伸达到探查目的；
5）当凹型定向钻孔轨迹接近疑似火源异常区时，利用分支孔，扩大探查范围，并随时注意钻进设备参数及孔内返水情况，当出现压力大幅下降，孔内返水浑浊时，即表明已探查到火源异常区；
6）因凹型定向钻孔轨迹中有分支孔存在，会造成测温传感器下偏或者进入其他无用分支孔，不能进入已探查到疑似火源异常区的主孔，为保证准确下入传感器该定向钻孔只可用于探查目的，测温时利用已探明矿井资料另完成一个轨迹相近的没有分支孔的探测定向钻孔，保证传感器的正确下入；
7）待探测定向钻孔钻进完成，即也出现压力下降，返水浑浊现象，表明已探查到疑似火源异常区，在钻具内布设传感器及测温线缆，通过钻具相连将传感器及测温线缆送入钻孔孔底，进行测温工作，完成火源异常区探测工作；
采用定向钻孔在完成火源异常区探测目的后，钻孔还可作为防灭火注浆通道进行注浆灭火，实现一孔多用。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明采用了定向钻进技术实现了矿井特别是复杂条件矿井火源异常区探查、测温；
本发明利用凹型定向钻孔，通过人为控制钻孔轨迹，有目的的使其沿凹型设计延伸，从而实现对老窑采空避让，完成探测目的；
本发明采用定向钻进分支孔技术，增加探查范围，实现一孔多覆盖，提高探测效率，节约钻孔工作量。
本发明所采用定向钻孔在完成火源异常区探测目的后，还可作为防灭火注浆通道进行注浆灭火，实现一孔多用，保障矿井安全生产。
附图说明
图1为矿井火源异常区探测定向钻孔平面示意图；
图2为矿井火源异常区探测有分支定向钻孔垂直剖面示意图；
图3为矿井火源异常区探测无分支定向钻孔垂直剖面示意图；
图4为定向钻进设备机具系统示意图。
附图说明：1—探测钻场；2—凹型定向钻孔；3—疑似火源异常区；4—煤层；5—小窑、老巷及采空区；6—分支孔；7—主孔；8—相近轨迹探测定向钻孔；9—高压水管；10—泥浆泵；11—无磁钻杆；12—定向钻头；13—螺杆马达；14—测量探管； 15—通缆钻杆；16—定向钻机；17—孔口监视器；18—通讯电缆；19—可通讯送水器。
具体实施方式
下面结合附图对本设计做详细描述：
参见图1—图4：一种基于定向钻进技术的矿井火源异常区探测方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：
包括下述步骤：
步骤一：根据矿井资料推测疑似火源异常区，小窑、老巷及采空区的相对位置，选择距离疑似火源异常区较近位置掘进定向钻场，根据提供资料推测定向钻孔轨迹前方复杂矿井条件，首先完成一个凹型定向钻孔的初步设计，并对施工做出指导，如钻进前方无采空冒落区、陷落柱复杂条件，也可采用凸型定向钻孔设计。
步骤二：依据设计，在煤层中开孔以ɸ 94/98mm孔径开孔，方位指向疑似火源异常区，倾角根据钻进矿井资料选择-5°~-15°开孔，即钻进方向为下降方向，下降深度以能实现绕避小窑、老巷及采空区障碍为原则，但不可下降垂深太大，以免超出定向控制范围，最终不能上仰至目的层。
步骤三：开孔段采用“ɸ94/98mmPDC钻头+保直扶正器+满眼钻具”进行保直钻进，进尺不小于15m，随后更换ɸ94/153mmPDC钻头进行扩孔钻进至不小于15m，下入ɸ127mm地质封孔管及闸阀，注入封孔材料封孔，待其凝固后开始定向钻进。
步骤四：开始定向钻进，严格遵循设计轨迹钻进，每3m对孔底进行一次参数测量，利用计算方法各测点以弦代弧从而得出完整钻孔轨迹，通过调整工具面角调整钻进方向，使钻孔按照设计轨迹延伸，即形成先在地层中下降，当确定绕过小窑、老巷及采空区时，随后钻孔轨迹上仰的凹型定向钻孔，再利用螺杆马达调整钻进方向，使钻孔轨迹在目标区延伸达到探查目的。
步骤五：当凹型定向钻孔轨迹接近疑似火源异常区时，利用分支孔，扩大探查范围，并随时注意钻进设备参数及孔内返水情况，当出现压力大幅下降，孔内返水浑浊时，即表明已探查到火源异常区。
步骤六：因凹型定向钻孔轨迹中有分支孔存在，因测温时不能保证传感器进入主孔，为保证准确测量该定向钻孔只可用于探查目的，测温时利用已探明地质资料另完成一个相近轨迹探测定向钻孔，因复杂区域探查存在未知性和突发性以及测温传感器的布设需要，定向钻孔轨迹要求平滑无台阶，也为应急钻孔事故处理提供条件；
步骤七：待探测定向钻孔钻进完成后，在钻具内布设传感器及测温线缆，通过钻具相连将传感器及测温线缆送入钻孔孔底，进行测温工作，完成火源异常区探测工作；
步骤八：采用定向钻孔在完成火源异常区探测目的后，钻孔还可作为防灭火注浆通道进行注浆灭火，实现一孔多用。
上述步骤中定向钻孔轨迹要求平滑无台阶，也为应急钻孔事故处理提供条件。
上述步骤中定向钻孔轨迹设计为凹型定向钻孔轨迹，因钻进前方存在采空冒落区，如无冒落区、陷落柱等复杂条件，也可选用凸型定向钻孔轨迹。
上述步骤中当定向钻孔轨迹接近疑似火源异常区时，利用分支孔技术，扩大探查范围，但分支孔数应不大于3个。
上述步骤中当定向钻孔轨迹中有存在分支孔，进行测温时会导致重入钻孔难以下入主孔，所以需在探明地质资料基础上另完成一个相近轨迹探测定向钻孔进行测温工作。
上述步骤中定向钻进设备及机具包括定向钻机、泥浆泵10、高压水管9、通缆钻杆15、无磁钻杆11、测量探管14、螺杆马达13、定向钻头12、可通讯送水器19、通讯电缆18、孔口监视器17，所述的通缆钻杆15、测量探管14、螺杆马达13依次连接，所述的通缆钻杆15测量探管14之间连接有无磁钻杆11，测量探管14、螺杆马达13之间连接无磁钻杆11，所述的螺杆马达13另一端连接有定向钻头12，所述的通缆钻杆15上连接有定向钻机16，通缆钻杆15的另一端连接有可通讯送水器19，可通讯送水器19通过通讯电缆18与孔口监视器17连接，可通讯送水器19还通过高压水管9与泥浆泵10连接。
应用实例：
某煤矿为整合矿井，周边矿井及小窑较多，井下已探明老空巷道错综复杂，未知异常区与老空巷交错，小窑、采空区内多次发生煤炭发火、CO浓度严重超标事故，严重影响矿井安全生产。常规钻进方法多次尝试探测，均以失败告终。为解决该难题，采用本发明的技术方法对火源异常区进行探测，指导后续防灭火工作，保障矿井的安全生产，实施过程如下：
步骤一：依据已知及推测地质资料，确定火源异常区，小窑、老巷及采空区的相对位置，将探测定向钻场开拓于中央变电所南侧。完成1-1凹形定向钻孔设计，设计定向钻孔开孔标高665.2m，孔深230m，开孔方位171°，开孔倾角-7°，终孔方位167°，终孔倾角20°。
步骤二：开孔段采用“ɸ98mmPDC钻头+ ɸ98mm保直扶正器+满眼钻具”进行保直钻进，钻进15m，随后更换ɸ94/153mmPDC钻头进行扩孔钻进，下入ɸ127mm地质封孔管及闸阀，注入封孔材料封孔，待其凝固后开始定向钻进。
步骤三：开始定向钻进，严格遵循设计轨迹钻进，每3m对近钻头点轨迹进行测量，通过调整工具面角调整钻进方向，使钻孔按照预定轨迹延伸，形成凹型定向钻孔，即形成先在地层中下降，当确定绕过小窑、老巷及采空区时，随后钻孔轨迹上仰的凹型定向钻孔，再利用螺杆马达调整钻进方向，使钻孔轨迹在目标区延伸达到探查目的。
步骤四：凹型定向钻孔轨迹接近疑似火源异常区时利用分支孔1、分支孔2扩大探查范围，并随时注意钻进设备参数及孔内返水情况，当孔深236m时，出现压力大幅下降，孔内返水浑浊情况，即表明完成火源异常区探查，终孔累计孔深303m，终孔方位169.1°，终孔倾角8.4°。
步骤五：完成步骤三1-1探查定向钻孔后，因1-1定向钻孔存在分支孔，所以在探明地质资料基础上另完成相近轨迹1-2探测定向钻孔，终孔孔深228m，在钻具内随钻杆插接传感器及测温线缆，通过钻具相连将传感器及测温线缆送入孔底，进行测温工作，得出测点温度152℃，完成探测工作，并指导后续防灭火工作。通过累计灌注约50000m³黄泥浆，出水温度由110℃逐步下降至18℃，CO涌出量也同步下降至正常值，从而保障了矿井的安全生产。
Claims (2)
1.一种基于定向钻进技术的矿井火源异常区探测方法，其特征在于：所述的方法步骤为：
1）根据矿井资料推测疑似火源异常区（3），小窑、老巷及采空区（5）的相对位置，选择距离疑似火源异常区（3）较近位置开拓探测钻场（1）；
2）实施开孔，开孔方位指向疑似火源异常区（3），倾角根据钻进矿井资料选择-5°~-15°开孔，钻孔下降深度以能绕避小窑、老巷及采空区（5）为原则，实现绕避小窑、老巷及采空区（5）的最佳角度；
3）开孔钻进时，开孔段采用回转保直钻进，随后提钻进行扩孔钻进，完成后下入封孔管及闸阀，并注入封孔材料封孔，待其凝固后，采取定向钻进设备与机具，进行定向钻进；
4）进行定向钻进时，利用测量探管（14），每3m对孔底进行一次参数测量，采用均角全距法进行钻孔空间轴线坐标计算，各测点以弦代弧从而得出完整钻孔轨迹，并根据设计通过调整螺杆马达（13）弯角朝向调整钻进方向，使钻孔按照设计轨迹延伸，即形成先在地层中下降，当确定绕过小窑、老巷及采空区（5）时，随后钻孔轨迹上仰的凹型定向钻孔（2），再利用螺杆马达（13）调整钻进方向，使钻孔轨迹在目标区延伸达到探查目的；
5）当凹型定向钻孔（2）轨迹接近疑似火源异常区（3）时，利用分支孔（6），扩大探查范围，并随时注意钻进设备参数及孔内返水情况，当出现压力大幅下降，孔内返水浑浊时，即表明已探查到火源异常区（3）；
6）因凹型定向钻孔（2）轨迹中有分支孔（6）存在，会造成测温传感器下偏或者进入其他无用分支孔，不能进入已探查到疑似火源异常区的主孔（7），为保证准确下入传感器该定向钻孔只可用于探查目的，测温时利用已探明矿井资料另完成一个轨迹相近的没有分支孔的探测定向钻孔（8），保证传感器的正确下入；
7）待探测定向钻孔（8）钻进完成，即也出现压力下降，返水浑浊现象，表明已探查到疑似火源异常区（3），在钻具内布设传感器及测温线缆，通过钻具相连将传感器及测温线缆送入钻孔（8）孔底，进行测温工作，完成火源异常区（3）探测工作。
2.根据权利要求1所述的一种基于定向钻进技术的矿井火源异常区探测方法，其特征在于：采用定向钻孔在完成火源异常区探测目的后，钻孔还作为防灭火注浆通道进行注浆灭火，实现一孔多用。
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