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摘 要：IDS-1000千米定向钻机在原有煤矿井下钻机的基础上进行了优化的设计和加装了AMT公司生产的导向系统，实现了钻机的定向钻进，性能更加优良，运行更加稳定，尤其在瓦斯抽放利用方面效果显著。本文就围绕其在平朔矿区的应用展开了具体的论述。
关键词：IDS-1000千米定向钻机；瓦斯抽放钻孔；矿井地质勘探；平朔矿区
一、引言
2011年，为了解决平朔煤炭工业公司井工矿的井下水、构造、采空区等问题，平朔煤炭工业公司决定采购一台井下千米定向钻机，钻机由澳大利亚工创万德公司生产，型号为IDS-1000井下定向千米钻机，其在原有煤矿井下钻机的基础上进行了优化的设计和加装了AMT公司生产的导向系统，实现了钻机的定向钻进，同时也使得IME UDS1000定向钻机性能更加优良，运行更加稳定，尤其在瓦斯抽放利用方面效果显著。
二、矿区概况
平朔矿区地处山西省宁武煤田北端，井田面积157.5平方公里，探明地质资源储量52亿吨，。矿井（田）主要含煤层为石炭二叠系，厚度130米左右，主要可采煤层有3层，总厚度31米，分别是4号煤、9号煤和11号煤，煤种为长焰煤及气煤，煤层瓦斯含量低，易自然，煤尘具有爆炸危险性。煤层顶板以砂岩、炭泥岩及砂质泥岩为主，属II类不易冒落型顶板，但靠近露头区及沟谷地段由于风氧化作用，顶板岩体完整性差-中等。区内地层产状比较平缓，一般在10°以下，边缘地区倾角较大，一般在20°-30°左右，地质构造简单，主要可采煤层厚度大而稳定，煤质单一，埋藏浅。为了可以多回收露天不采区及边帮所占压煤炭资源，矿区生产采用露井联合开采方式，区内有4个矿井和3个露天矿，分别为井工一矿、井工二矿、井工三矿、井东矿、安太堡露天矿、安家岭露天矿及东露天矿。矿区内小窑遍布，50年代开始开采，历史悠久。据调查，地方小煤矿多为斜井，坡度20-30?，采煤方法为房柱式，采全高，畜力或绞车提升运输，机械化排水和通风，各生产矿瓦斯含量少，属于低沼气矿井。井下水文地质条件简单，水量不大，顶板易管理，回采率不高。
三、钻机工作原理及用途
1 工作原理
深孔定向钻进技术在诸如美国、澳大利亚等主要产煤国家里，已经成为一项很成熟的钻进技术广泛应用于煤矿瓦斯抽放、地质探测等领域，该技术的关键部位在于孔内马达驱动装置和配套的测量技术。
图1.钻机工作原理图
高压水（水压350psi-900psi）通过钻杆输送至孔内马达（螺杆马达，马达有5/4和8/7两种），孔内马达内部的转子在高压水的冲击作用下转动，通过前端轴承带孔钻头旋转，达到破煤的目的。在钻进过程中，钻杆本身不旋转，主要是推进作用，孔底马达钻头旋转运动，从而有效地降低了钻机的负载。孔内马达的弯接头是一个关键的部件，它和钻杆之间有一定的夹角，由于弯接头的作用，钻孔的轨迹将不再是钻机打直线，所形成的略带抛物一条偏向接头方向的空间曲线。通过选择不同规格（通常为0.75°、1°、1.25°、1.5°、2°，这个度数指的是钻杆每前进6m所能变化的最小值）的弯接头可以改变钻孔曲率半径（即改变拐弯的快慢），并且在适当的位置还可以作为分支钻孔钻进。
2. 用途
定向钻机主要用于煤矿瓦斯抽放钻孔，包括本层瓦斯抽放、穿层瓦斯抽放、上隅角及采空区瓦斯抽放等；煤矿边界勘探（隔离带）；采空区探放水；矿井地质勘探（断层、陷落柱等）。由于平朔矿区瓦斯含量较低，因此深孔定向钻机主要应用于采空区探测和矿井地质勘探等。[1]
三、千米定向钻机在平朔矿区的应用
1 井工一矿14113探巷工程
14113探巷工程设计总长度3000m，包含1个主孔（设计深度1000米）和4个分支孔，于距离14113探巷工作面迎头200米避车硐室内开孔，沿4-1号煤底板向西钻进，勘探主要目的是探测井工一矿C3、C4两个异常区和党新煤矿越界开采情况，验证掘进工作面前方的断层情况。在实际勘探过程中，由于钻探至DF5断层区域是，由于DF5断层断距较大，钻孔下行剧烈，致使主孔施工至690米时，超出了钻机的正常施工能力（下行30米），造成钻孔返水返渣不通畅，系统压力大无法继续向前钻进。故退钻到360米的煤层中开分支孔，探C3富水层。
14113探巷工程，验证了DF2、DF5和F14三条断层的存在，在钻进过程中未发现党新煤矿有越界开采情况，C3富水区未发现有积水。因在施工过程中超出了钻机正常施工能力，致使主孔施工至690米终孔。
2 井工三矿6·13工程
井工三矿6·13工程主孔设计总长度1000米，预计开4个分支孔，开孔地点为井工三矿4#煤东翼辅运大巷，沿4#煤层走向钻进，施工的主要目的是探测东日升矿越界开采情况，探明井工三矿掘进工作面前方煤层赋存情况、煤层顶底板情况，尽可能探明施工钻孔北部区域地方地质、采空区情况（图2）。实际施工主孔终孔深度807米，仅开一个分支孔，探顶2次，探底2次 ，累计进尺1054米。未达设计孔深的主要原因为，786米到807米的煤层中夹矸较多，在钻进过程中返渣不正常，容易造成卡钻和抱钻等事故，无法继续施工，至807米终孔。
图2 施工钻场位置图3钻探轨迹平面图
通过6·13工程，基本探明了施工区域4#煤层赋存情况：4#煤厚度约10.37米，顶板多为砂岩，底板为砂质泥岩。开孔点至北400米，煤层呈缓上坡趋势，坡度约3.5°，413米左右煤层断开陡降，呈不连续状态，413米后煤层平缓基本无起伏（图3）。初步勘探出有不导水正断层一条，断距约12米，走向为NWW或NNE（图4）。
图4：钻探轨迹剖面图
（备注：红色线代表设计钻孔轨迹，黑色虚线代表设计煤层顶底板；棕色、青色线代表实际钻探轨迹，蓝色实线代表实际施工确认的煤层顶底板；黑色直虚线代表推测正断层）
四、结论及建议
1.IDS-1000井下定向千米钻机在平朔矿区主要应用于探查煤层赋存情况、煤层顶底板情况、采空区情况、相邻煤矿越界开采情况及开采巷道掘进工作面前方地质情况，能有效定义煤层厚度和煤层的位置，验证断层、采空区，探测异常区。
2.定向千米钻机在地质条件良好的情况下，煤层中最大钻深可达1000米，但由于设计钻孔时秉承“一孔多用”原则，即施工一个钻孔探测及验证多种地质信息，因此在钻进过程中所穿地层多较为复杂情况下，钻探终孔深度可达800左右，完全可以满足井工矿超前探的需要。[2]
3.定向钻机的轨迹是一条抛物线，钻孔设计和施工时要遵循钻杆的弯曲律，不能拐每6米大于3度以上的急弯，也就是不能在某6米之间角度变化超过3度。建议在最大转弯角度1.5°参数下施工时，连续转弯不能超过200米。
4.钻孔在短距离内下行剧烈，会超出了钻机的正常施工能力，造成钻孔返水返渣不通畅，系统压力大无法继续向前钻进。建议设计钻孔时要充分考虑钻杆的曲率和钻机的能力，在钻孔的倾角是负15度以上时，设计钻孔深度不能超过300米。
参考文献
[1] 姜铁明，苗惠东.千米钻机在晋煤集团应用前景展望[J].煤矿开采，2003（3）
[2] 郝世俊.煤矿井下水平定向钻机技术的发展[J].煤田地质与勘探，2004（2）
作者简介
李卫红，男，1970年5月生，山西运城人，现任中煤平朔集团有限公司煤质地测部主任助理，研究方向为煤田地质。
关键词：IDS-1000千米定向钻机；瓦斯抽放钻孔；矿井地质勘探；平朔矿区
一、引言
2011年，为了解决平朔煤炭工业公司井工矿的井下水、构造、采空区等问题，平朔煤炭工业公司决定采购一台井下千米定向钻机，钻机由澳大利亚工创万德公司生产，型号为IDS-1000井下定向千米钻机，其在原有煤矿井下钻机的基础上进行了优化的设计和加装了AMT公司生产的导向系统，实现了钻机的定向钻进，同时也使得IME UDS1000定向钻机性能更加优良，运行更加稳定，尤其在瓦斯抽放利用方面效果显著。
二、矿区概况
平朔矿区地处山西省宁武煤田北端，井田面积157.5平方公里，探明地质资源储量52亿吨，。矿井（田）主要含煤层为石炭二叠系，厚度130米左右，主要可采煤层有3层，总厚度31米，分别是4号煤、9号煤和11号煤，煤种为长焰煤及气煤，煤层瓦斯含量低，易自然，煤尘具有爆炸危险性。煤层顶板以砂岩、炭泥岩及砂质泥岩为主，属II类不易冒落型顶板，但靠近露头区及沟谷地段由于风氧化作用，顶板岩体完整性差-中等。区内地层产状比较平缓，一般在10°以下，边缘地区倾角较大，一般在20°-30°左右，地质构造简单，主要可采煤层厚度大而稳定，煤质单一，埋藏浅。为了可以多回收露天不采区及边帮所占压煤炭资源，矿区生产采用露井联合开采方式，区内有4个矿井和3个露天矿，分别为井工一矿、井工二矿、井工三矿、井东矿、安太堡露天矿、安家岭露天矿及东露天矿。矿区内小窑遍布，50年代开始开采，历史悠久。据调查，地方小煤矿多为斜井，坡度20-30?，采煤方法为房柱式，采全高，畜力或绞车提升运输，机械化排水和通风，各生产矿瓦斯含量少，属于低沼气矿井。井下水文地质条件简单，水量不大，顶板易管理，回采率不高。
三、钻机工作原理及用途
1 工作原理
深孔定向钻进技术在诸如美国、澳大利亚等主要产煤国家里，已经成为一项很成熟的钻进技术广泛应用于煤矿瓦斯抽放、地质探测等领域，该技术的关键部位在于孔内马达驱动装置和配套的测量技术。
图1.钻机工作原理图
高压水（水压350psi-900psi）通过钻杆输送至孔内马达（螺杆马达，马达有5/4和8/7两种），孔内马达内部的转子在高压水的冲击作用下转动，通过前端轴承带孔钻头旋转，达到破煤的目的。在钻进过程中，钻杆本身不旋转，主要是推进作用，孔底马达钻头旋转运动，从而有效地降低了钻机的负载。孔内马达的弯接头是一个关键的部件，它和钻杆之间有一定的夹角，由于弯接头的作用，钻孔的轨迹将不再是钻机打直线，所形成的略带抛物一条偏向接头方向的空间曲线。通过选择不同规格（通常为0.75°、1°、1.25°、1.5°、2°，这个度数指的是钻杆每前进6m所能变化的最小值）的弯接头可以改变钻孔曲率半径（即改变拐弯的快慢），并且在适当的位置还可以作为分支钻孔钻进。
2. 用途
定向钻机主要用于煤矿瓦斯抽放钻孔，包括本层瓦斯抽放、穿层瓦斯抽放、上隅角及采空区瓦斯抽放等；煤矿边界勘探（隔离带）；采空区探放水；矿井地质勘探（断层、陷落柱等）。由于平朔矿区瓦斯含量较低，因此深孔定向钻机主要应用于采空区探测和矿井地质勘探等。[1]
三、千米定向钻机在平朔矿区的应用
1 井工一矿14113探巷工程
14113探巷工程设计总长度3000m，包含1个主孔（设计深度1000米）和4个分支孔，于距离14113探巷工作面迎头200米避车硐室内开孔，沿4-1号煤底板向西钻进，勘探主要目的是探测井工一矿C3、C4两个异常区和党新煤矿越界开采情况，验证掘进工作面前方的断层情况。在实际勘探过程中，由于钻探至DF5断层区域是，由于DF5断层断距较大，钻孔下行剧烈，致使主孔施工至690米时，超出了钻机的正常施工能力（下行30米），造成钻孔返水返渣不通畅，系统压力大无法继续向前钻进。故退钻到360米的煤层中开分支孔，探C3富水层。
14113探巷工程，验证了DF2、DF5和F14三条断层的存在，在钻进过程中未发现党新煤矿有越界开采情况，C3富水区未发现有积水。因在施工过程中超出了钻机正常施工能力，致使主孔施工至690米终孔。
2 井工三矿6·13工程
井工三矿6·13工程主孔设计总长度1000米，预计开4个分支孔，开孔地点为井工三矿4#煤东翼辅运大巷，沿4#煤层走向钻进，施工的主要目的是探测东日升矿越界开采情况，探明井工三矿掘进工作面前方煤层赋存情况、煤层顶底板情况，尽可能探明施工钻孔北部区域地方地质、采空区情况（图2）。实际施工主孔终孔深度807米，仅开一个分支孔，探顶2次，探底2次 ，累计进尺1054米。未达设计孔深的主要原因为，786米到807米的煤层中夹矸较多，在钻进过程中返渣不正常，容易造成卡钻和抱钻等事故，无法继续施工，至807米终孔。
图2 施工钻场位置图3钻探轨迹平面图
通过6·13工程，基本探明了施工区域4#煤层赋存情况：4#煤厚度约10.37米，顶板多为砂岩，底板为砂质泥岩。开孔点至北400米，煤层呈缓上坡趋势，坡度约3.5°，413米左右煤层断开陡降，呈不连续状态，413米后煤层平缓基本无起伏（图3）。初步勘探出有不导水正断层一条，断距约12米，走向为NWW或NNE（图4）。
图4：钻探轨迹剖面图
（备注：红色线代表设计钻孔轨迹，黑色虚线代表设计煤层顶底板；棕色、青色线代表实际钻探轨迹，蓝色实线代表实际施工确认的煤层顶底板；黑色直虚线代表推测正断层）
四、结论及建议
1.IDS-1000井下定向千米钻机在平朔矿区主要应用于探查煤层赋存情况、煤层顶底板情况、采空区情况、相邻煤矿越界开采情况及开采巷道掘进工作面前方地质情况，能有效定义煤层厚度和煤层的位置，验证断层、采空区，探测异常区。
2.定向千米钻机在地质条件良好的情况下，煤层中最大钻深可达1000米，但由于设计钻孔时秉承“一孔多用”原则，即施工一个钻孔探测及验证多种地质信息，因此在钻进过程中所穿地层多较为复杂情况下，钻探终孔深度可达800左右，完全可以满足井工矿超前探的需要。[2]
3.定向钻机的轨迹是一条抛物线，钻孔设计和施工时要遵循钻杆的弯曲律，不能拐每6米大于3度以上的急弯，也就是不能在某6米之间角度变化超过3度。建议在最大转弯角度1.5°参数下施工时，连续转弯不能超过200米。
4.钻孔在短距离内下行剧烈，会超出了钻机的正常施工能力，造成钻孔返水返渣不通畅，系统压力大无法继续向前钻进。建议设计钻孔时要充分考虑钻杆的曲率和钻机的能力，在钻孔的倾角是负15度以上时，设计钻孔深度不能超过300米。
参考文献
[1] 姜铁明，苗惠东.千米钻机在晋煤集团应用前景展望[J].煤矿开采，2003（3）
[2] 郝世俊.煤矿井下水平定向钻机技术的发展[J].煤田地质与勘探，2004（2）
作者简介
李卫红，男，1970年5月生，山西运城人，现任中煤平朔集团有限公司煤质地测部主任助理，研究方向为煤田地质。