Exploration method of underground geological anomaly and its application based on directional drilling
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摘要: 地质异常体是矿井灾害发生的主要隐蔽致灾因素，井下钻探工程是进行地质异常体探查、验证和治理的重要技术手段。针对常规钻孔探查距离短、精度低，且易存在探查盲区的不足，介绍了采用井下定向钻孔进行地质异常体探查的方案。总结地质异常体空间形态、岩性和钻探等识别特征，给出探查定向钻孔轨迹布设原则，得到基于定向钻孔的地质异常点和地质异常体空间计算定位方法，并从钻孔布设间距、钻孔轨迹测控精度、地层和地质异常识别精度、地质异常体发育规模等方面分析定向钻孔探查精度影响因素与解决方法。在焦作赵固二矿和宁东梅花井煤矿开展地质异常体探查试验，采用主孔与分支孔结合实现巷道条带煤层稳定性探查，探查距离达到621 m；采用定向钻孔群实现工作面充水水源区域探查，单孔最大出水量为10.2 m3/h，并对充水水源进行了疏放。试验结果表明，井下定向钻孔具有探查精度高、距离远等优点，实现地质异常体精确定位，为矿井灾害事故防治提供技术保障。Abstract: The geological anomaly is the main hidden cause of mine disasters, and underground drilling engineering is an important technical means for exploration, verification and control of geological anomaly. In view of the shortcomings such as short distance, low accuracy and blind area of conventional drilling exploration, the exploration scheme of geological anomaly by underground directional drilling was introduced, and the identification characteristics such as spatial form, lithology and drilling were summarized. The trajectory layout principle of directional borehole was given, and the spatial calculation and positioning method of geological anomaly based on directional borehole was obtained. In addition, the influencing factors and solutions for the exploration precision of directional borehole were analyzed from four aspects: borehole layout spacing, borehole trajectory measurement and control accuracy, stratum and geological anomaly recognition accuracy, and geological anomaly development scale. The tests were carried out in Zhaogu No.2 Coal Mine and Meihuajing Coal Mine, coal seam stability of roadway strip is explored by main hole and branch hole with the exploration distance over 621 m. Water filling source in working face is explored by directional drilling group, with maximum water yield of single hole of 10.2 m3/h, then the water is discharged. The tests results show that the underground directional drilling has realized the accurate positioning of geological anomaly with the advantages of high exploration accuracy, long distance and short cycle, which provides technical support for disaster and accident prevention.
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Keywords:
- geological anomaly /
- directional drilling /
- space location /
- exploration accuracy
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地质异常体是引发矿井安全事故的主要诱因，近80%的矿井重大事故均与地质异常体相关，并往往造成矿井生产建设工程变更或报废[1]。
地质异常体探查可从根本上对导致矿井灾害发生的潜在危险源进行超前排查和治理，有效避免灾害事故的发生，是矿井安全生产的重要技术保障。从探查手段上，可分为物探、钻探与化探，形成了“物探先行、钻探验证、化探跟进”的综合探查技术体系[2]。相对而言，井下钻探工程最为直接，且可进行地质异常体治理，其施工方法主要包括常规回转钻进技术、稳定组合钻具受控钻进技术和随钻测量定向钻进技术3种。
其中常规回转钻进技术利用钻机驱动钻杆柱带动钻头回转破碎煤岩层，是最常用的探查钻孔施工方法。薛洪来等[3]利用常规钻孔对石门揭煤区域煤层地质情况进行了勘查；杨艳涛等[4]进行了采空区钻探验证分析；郝志勇等[5]分析了钻杆回转速度、钻压等与煤体应力的关系，为冲击地压钻探预测提供了依据。但由于其轨迹不可控，存在探查精细度差、探查距离短等不足。
20世纪90年代开始，国内开发出了基于稳定组合钻具的定向钻进技术，初步实现了煤矿井下钻孔人为控制钻进。石智军等[6]研制形成了上仰、保直和下斜3种类型稳定组合钻具，主要应用于瓦斯抽采，并推广应用于采空区、充水水源探查等领域，取得了良好试验效果。但是稳定组合钻具仅可控制钻孔倾角，且需频繁提钻更换孔中钻具组合，适用于精度要求较低的探查定向钻孔施工，不能满足精细探查工程需要。
20世纪80年代，国外开始研究基于螺杆钻具的随钻测量定向钻进技术装备，最大成孔深度达到2 151 m，实现了从“受控钻进”到“几何导向钻进”的跨越[7-8]。我国从2005年开始进行相关研究，成功实现了装备国产化，广泛推广应用于矿井瓦斯抽采与水害防治领域，并先后4次创造了1 881、2 311、2 570、3 353 m的孔深世界纪录，目前已达到国际领先水平[9-11]。
井下定向钻孔具有轨迹可精确测控、目标地层钻遇率高、钻孔深度长、可多分支施工等优点。本文结合煤矿井下定向钻孔特点和地质异常体识别要求，研究定向钻孔探查地质异常体的原理、定位方法和精度影响因素，并开展现场试验验证，对提升矿井灾害防治能力具有重要理论意义和工程价值。
1 技术原理
采用井下定向钻孔进行地质异常体探查的技术原理如图 1所示，利用定向钻孔主孔施工技术进行远距离超前探查，确定地质异常体，利用侧钻分支技术施工多个角度的分支钻孔进行区域覆盖，采用随钻测量定向钻进技术精确测控钻孔和地质异常体空间位置，利用钻探特征和岩性特征进行地质异常体识别，结合地质异常体识别和轨迹测量，建立地质模型，实现地质异常体精确定位，并利用探查定向钻孔进行治理[12]。
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图 1 定向钻孔探查煤矿地质异常体原理Figure 1. Exploration principle of geological anomaly by directional drilling2 地质异常体识别特征及探查钻孔布设
2.1 常见地质异常体及其识别特征
断层、陷落柱、煤层稳定性、采空区、充水水源等为矿井常见的地质异常体[13-15]。各地质异常体的内涵、形成机理和致灾特点不同，均具有显著的空间形态特征、岩性特征和钻探特征，可作为定向钻孔探查要点和探查识别判据，具体识别特征见表 1 [16-19]：
类型 空间形态特征 岩性特征 钻探特征 断层 平面上呈“线”状特性，空间上呈“面”状特性，可用断距、落差、平错等参数表征 地层连续性、完整性遭到破坏，断层发育，构造复杂 返水、返渣突变；断层破碎带内钻进困难；冲洗液不同程度漏失 陷落柱 呈圆形或不规则的椭圆形柱状体，可用长轴长度、短轴长度、高度等参数表征 柱体边缘存在裂隙带、破碎带、泥化带等软弱带，内部主要由来自含煤地层或上覆其他地层的塌陷岩石碎块组成 地层突变，冲洗液漏失，孔口返水和瓦斯涌出量增大，钻进困难 煤层稳定性 煤层产状和厚度变化，局部或整体分叉 含有多个夹矸层，地层层序对称重复，岩层产状规则变化，煤层物理性质发生变化，煤层顶底板不连续且特性发生变化 煤层顶底板岩性发生变化，从煤层顶底板中穿出，钻遇夹矸，找不到煤层 采空区 空间上一般为长方体，剖面上形成垮落带、导水裂隙带和弯曲下沉带 煤层上下岩层间形成一定的孔隙，地层变得疏松、密实度降低，破坏了岩石的完整性、连续性 由易到难，冲洗液消耗量由小到大变化显著，且具有突变性 充水水源 含水地层中带状分布；地质构造中或采空区中，局部分布 主要离子或特征离子的含量不同 孔口返水量增加 2.2 探查定向钻孔布设
根据不同类型地质异常体特点，进行探查定向钻孔空间轨迹设计。
1) 断层
断层平面上呈“线”状特性，应尽量垂直断层探查延伸范围；当确定断层存在及其空间位置后，可施工平面分支孔查明延伸范围，施工垂直分支孔查明断距。
2) 陷落柱
陷落柱的典型特征是使地层局部出现缺失，并被其他地层所替代，应结合其“点”状特性，以钻孔与陷落柱的交点为基础进行探查。钻孔间距合适，避免漏掉小型陷落柱。
3) 煤层稳定性
利用定向钻孔探查煤层厚度、产状等稳定性参数时，以侧钻开分支技术为依托，采用主动探查顶板、底板的方法，获得煤层起伏情况；将煤层顶板和底板探查数据结合，即可计算出煤层厚度。
4) 采空区
采空区的空间尺度相对较大，平面上多呈长条状分布，呈“面”状特性，探查定向钻孔首先应覆盖一定的平面范围，并在垂向上具有一定的探查高度差。同时可适当预留分支点，以对采空区内可能存在的积水进行疏放。
5) 充水水源
充水水源多分布于特定的层位和导水构造中，具有相对“聚集”的特点，应尽可能使主孔在预定目标层位内延伸，同时设计上仰分支孔，使探查孔覆盖一定厚度的空间范围。
3 地质异常体空间定位
探查定向钻孔施工过程中，实时测量其空间轨迹参数，并根据地质异常体识别特征判断钻进地质异常点和地质异常体类型，由定向钻孔轨迹参数获取各地质异常点的空间坐标后，计算出地质异常体的准确空间参数。
3.1 井下定向钻孔轨迹参数测量与计算
1) 井下定向钻孔轨迹参数测量
井下探查定向钻孔的空间轨迹参数均可由孔深、倾角和方位角等3个基本参数计算得到，其中孔深采用钻杆累加的方法获得，倾角和方位角由矿用随钻测量系统在钻进过程中实时测量。
2) 井下定向钻孔轨迹参数计算
与矿井空间坐标系不同，煤矿井下建立了定向钻孔描述专用的相对坐标系，即：以开孔点为原点，X轴正方向为钻孔主设计方位线延伸方向，X轴水平顺时针旋转90°为Y轴正方向，Z轴正方向为竖直向上。
利用随钻测量系统获取的基础参数，采用均角全距法进行钻孔轨迹计算[20-21]，其公式为：
$$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{X_n} = \sum\limits_{i = 1}^n {\Delta {L_i} \times \cos \left( {\frac{{{\theta _i} + {\theta _{i - 1}}}}{2}} \right)} \times \cos \left( {\frac{{{\alpha _i} + {\alpha _{i - 1}}}}{2} - \lambda } \right)}\\ {{Y_n} = \sum\limits_{i = 1}^n {\Delta {L_i} \times \cos \left( {\frac{{{\theta _i} + {\theta _{i - 1}}}}{2}} \right)} \times \sin \left( {\frac{{{\alpha _i} + {\alpha _{i - 1}}}}{2} - \lambda } \right)}\\ {{Z_n} = \sum\limits_{i = 1}^n {\Delta {L_i} \times \sin \left( {\frac{{{\theta _i} + {\theta _{i - 1}}}}{2}} \right)} } \end{array}} \right. $$ (1) 式中：Xn、Yn、Zn分别为第n个测点的水平位移、左右位移和上下位移，m；θi、θi－1分别为第i、i–1个测点的倾角，(°)；αi、αi－1分别为第i、i–1个测点的方位角，为磁方位，(°)；λ为钻孔主设计方位角，为磁方位，(°)；ΔLi为第i段钻孔长度，即测量间距，m。
3.2 地质异常点空间坐标计算
由于井下定向钻孔描述采用专用相对坐标系，而矿井平面图和工程设计均采用高斯平面坐标系，因此，需要将钻孔测点和地质异常点在相对坐标系下的空间坐标值转换为矿井空间坐标系值，如图 2所示。
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图 2 矿井空间坐标系与井下定向钻孔相对坐标系Figure 2. The mine space coordinate system and the relative coordinate system of underground directional drilling从采掘工程平面图中获得开孔点高程D0；利用式(2)，可将探查定向钻孔不同测点和地质异常点的相对坐标值中的上下位移转换为高程。
$$ {\mathit{D}_\mathit{n}} = {\mathit{D}_0} + {\mathit{H}_\mathit{n}} $$ (2) 式中：Dn为定向钻孔第n个测点的高程，m；D0为开孔点高程，m；Hn为第n个测点的上下位移，m。
高斯平面坐标系中中央子午线为真北方向线，而相对坐标系中的钻孔主设计方位和测量得到的钻孔方位角均为磁方位，真北方向线和磁北方向线之间存在一个夹角，即磁偏角。钻孔相对坐标与矿井平面坐标转换时，需要将磁方位校正换算成真方位角，两者的转换关系见下式：
$$ {\alpha _{\rm{t}}} = {\alpha _{\rm{m}}} + \delta $$ (3) 式中：αt为以真北方向为正北方向的钻孔方位角，(°)；αm为以磁北方向为正北方向的钻孔方位角，(°)；δ为磁偏角，东磁偏角为正值，西磁偏角为负值，(°)。
根据钻孔相对坐标系的主设计方位选择方法可知，矿井高斯平面坐标系与钻孔相对坐标系的夹角β(图 3)为：
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图 3 钻孔相对坐标值与平面坐标值转换Figure 3. Conversion of relative and planar coordinate values of boreholes$$ \beta = \lambda + \delta $$ (4) 式中：β为矿井高斯平面坐标系与钻孔相对坐标系的夹角，(°)。
根据欧拉定理，矿井高斯平面坐标系与钻孔相对坐标系相当于进行了一次旋转和一次平移，矿井高斯平面坐标值与相对坐标值的转换关系如下式。
$$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{E_{\rm{n}}} = {E_0} + {Y_n}\cos \left( {\lambda + \beta } \right) + {X_n}\sin \left( {\lambda + \delta } \right)}\\ {{N_{\rm{n}}} = {N_0} + {X_n}\cos \left( {\lambda + \delta } \right) - {Y_n}\sin \left( {\lambda + \delta } \right)} \end{array}} \right. $$ (5) 式中：En为东偏值，m；Nn为北偏值，m；E0为开孔点东偏值，m；N0为开孔点北偏值，m。
从采掘工程平面图中获得开孔点东偏值E0、北偏值N0，利用探查定向钻孔相对坐标系和平面坐标系转换公式(5)，将钻孔测点和地质异常体的相对坐标值，即水平位移和左右位移，转换为平面坐标值，即东偏值和北偏值，之后即可在矿井平面图上进行绘制和显示。
3.3 地质异常体空间参数获取
1) 断层
根据探查定向钻孔轨迹和钻遇地质异常点空间数据，绘制断层和探查定向钻孔剖面图，如图 4所示，其中a、b是定向钻孔与断层线的交点，c、d、e、f是定向钻孔与煤层底板的交点，即a、b、c、d、e、f的空间坐标已知。
将断层线、断层附近煤层底板简化为直线，上盘底板与断层交点为i，下盘底板与断层交点为k，则断层落差为两盘底板与断层面交点i、k的高程差值，断层平错为上下两盘底板与断层面交点i、k的平面坐标差值。过c点向直线ef作垂线，相交于点h，ch线段长度即为地层断距。
直线ab、cd、ef的公式见式(6)，即：
$$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {Z = {k_1}X + {t_1}}\\ {Z = {k_2}X + {t_2}}\\ {Z = {k_3}X + {t_3}} \end{array}} \right. $$ (6) 将a、b、c、d、e、f的空间坐标代入式(6)，可得k1、k2、k3、t1、t2、t3的具体数值。根据3条直线的方程，可计算出i、k两点的空间坐标。
当k3=0时，则点h的坐标为式(7)。
$$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {{X_h} = {X_c}}\\ {{Z_h} = {Z_e}} \end{array}} \right. $$ (7) 式中：Xh为h点的水平位移，m；Zh为h点的上下位移，m；Xc为c点的水平位移，m；Ze为e点的上下位移，m。
当k3≠0时，则直线ch的公式为式(8)。
$$ Z = - \frac{1}{{{k_3}}}X + {t_4} $$ (8) 将c点的空间坐标代入式(6)，可得t4的具体数值。根据直线ch和直线ef的方程，可计算出h点的空间坐标。
则断层的空间参数如式(9)所示。
$$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{l_1} = \left| {{Z_i} - {Z_k}} \right|}\\ {{l_2} = \left| {{X_i} - {X_k}} \right|}\\ {{l_3} = \sqrt {{{\left( {{X_h} - {X_c}} \right)}^2}{\rm{ + }}{{\left( {{Z_h} - {Z_c}} \right)}^2}} } \end{array}} \right. $$ (9) 式中：l1为断层落差，m；l2为断层平错，m；l3为断层断距，m；Xi、Zi、Xk、Zk、Xc、Zc分别为i、k和c点的水平位移和上下位移，m。
2) 煤层稳定性
煤层稳定性主要探查煤层倾角和厚度。煤层倾角是指煤层与水平面的夹角。采用定向钻孔进行探查时，通过多个顶板探查分支孔和底板探查分支孔施工，可以得到多个见顶点和见底点的高程坐标，如图 5所示，依次连接各见顶点和见底点，形成顶板折线和底板折线。
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图 5 定向钻孔探查煤层倾角原理Figure 5. Exploration principle of coalseam dip by directional drilling将探查定向钻孔查明的见顶点空间参数代入下式，即可获得钻孔延伸方向上的煤层视倾角。
$$ {\theta _{{\rm{s}}n}} = {\rm{arctan}}(\frac{{{D_{{\rm{r}}n}} - {D_{{\rm{r}}\left( {n{\rm{1}}} \right)}}}}{{{X_{{\rm{r}}n}} - {X_{{\rm{r}}\left( {n{\rm{1}}} \right)}}}}) $$ (10) 式中：θsn为第n段煤层视倾角，(°)；Drn为第n个见顶点的高程，m；Dr(n－1)为第n–1个见顶点的高程，m；Xrn为第n个见顶点的水平位移，m；Xr(n－1)为第n–1个见顶点的水平位移，m。
如图 5所示，采用内插法可以获得任意水平位移的顶板、底板高程计算公式(11)，即顶板、底板高程折线方程：
$$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{D_{{\rm{r}}n{\rm{i}}}} = {D_{{\rm{r}}n}}\frac{{{X_{{\rm{r}}n{\rm{i}}}} - {X_{{\rm{r}}\left( {n{\rm{ - 1}}} \right)}}}}{{{X_{{\rm{r}}n}} - {X_{{\rm{r}}\left( {n{\rm{ - 1}}} \right)}}}} + {D_{{\rm{r}}\left( {n{\rm{ - 1}}} \right)}}\frac{{{X_{{\rm{r}}n}} - {X_{{\rm{r}}n{\rm{i}}}}}}{{{X_{{\rm{r}}n}} - {X_{{\rm{r}}\left( {n{\rm{ - 1}}} \right)}}}}}\\ {{D_{{\rm{f}}n{\rm{i}}}} = {D_{{\rm{f}}n}}\frac{{{X_{{\rm{f}}n{\rm{i}}}} - {X_{{\rm{f}}\left( {n{\rm{ - 1}}} \right)}}}}{{{X_{{\rm{f}}n}} - {X_{{\rm{f}}\left( {n{\rm{ - 1}}} \right)}}}} + {D_{{\rm{f}}\left( {n{\rm{ - }}1} \right)}}\frac{{{X_{{\rm{f}}n}} - {X_{{\rm{f}}n{\rm{i}}}}}}{{{X_{{\rm{f}}n}} - {X_{{\rm{f}}\left( {n{\rm{ - 1}}} \right)}}}}} \end{array}} \right. $$ (11) 式中：Drni为第n段顶板折线上任意水平位移的顶板高程，m；Dfni为第n段底板折线上任意水平位移的高程，m；Dfn为第n个见底点的高程，m；Df(n－1)为第n–1个见底点的水平位移，m；Xfn为第n个见底点的水平位移，m；Xf(n－1)为第n–1个见底点的水平位移，m；Xfni为第n段底板折线上任意一点的水平位移，m；Xrni为第n段顶板折线上任意一点的水平位移，m。
将同一位置顶板高程与底板高程相减即可得到煤层厚度，即：
$$ {h_{n{\rm{i}}}} = {D_{{\rm{r}}n{\rm{i}}}} - {D_{{\rm{f}}n{\rm{i}}}} $$ (12) 式中：hni为第n段钻孔处任意水平位移处的煤层厚度，m。
根据多个探查定向钻孔获得的煤层厚度参数，可以得到煤层厚度在平面上区域变化情况，并绘制出煤层厚度等值线图和厚度云图。
3) 陷落柱
陷落柱一般呈椭圆形或圆形，根据几何学可知，椭圆的一般方程为：
$$ A{x^2} + Bxy + C{y^2} + Dx + Ey + 1 = 0 $$ (13) 式中：A、B、C、D、E为常数。
采用定向钻孔探查陷落柱时，可以施工5个分支孔查明陷落柱边界上5个点的坐标，如图 6所示。
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图 6 定向钻孔探查陷落柱原理Figure 6. Exploration principle of collapse column by directional drilling将5个探查点的平面坐标值代入式(13)，即可得到陷落柱的方程。然后根据式(14)即可求得陷落柱的几何中心，根据式(15)可求得陷落柱长轴倾角，根据式(16)可求得长轴和短轴的长度。
$$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{X_{\rm{C}}} = \frac{{BE - 2CD}}{{4AC - {B^2}}}}\\ {{Y_{\rm{C}}} = \frac{{BD - 2AE}}{{4AC - {B^2}}}} \end{array}} \right. $$ (14) $$ \varepsilon = \frac{1}{2}{\rm{arctan}}(\frac{B}{{A - C}}) $$ (15) $$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\rho ^2} = \frac{{2\left( {A{X_{\rm{C}}}^2 + C{Y_{\rm{C}}}^2 + B{X_{\rm{C}}}{Y_{\rm{C}}} - 1} \right)}}{{A + C + \sqrt {{{\left( {A - C} \right)}^2} + {B^2}} }}}\\ {{\zeta ^2} = \frac{{2\left( {A{X_{\rm{C}}}^2 + C{Y_{\rm{C}}}^2 + B{X_{\rm{C}}}{Y_{\rm{C}}} - 1} \right)}}{{A + C - \sqrt {{{\left( {A - C} \right)}^2} + {B^2}} }}} \end{array}} \right. $$ (16) 式中：XC、YC分别为陷落柱几何中心的东偏值和北偏值，m；ε为陷落柱的长轴倾角，(°)；ρ、ζ分别为陷落柱的长轴长度和短轴长度，m。
得到陷落柱平面参数后，可在当前探查定向孔内施工分支孔，或从不同方向施工其他探查定向孔，对陷落柱边界进行验证。
4) 采空区
煤层开采工作面一般呈长方体排列，因此，采空区一般也呈长方体存在，其边界范围可采用分支孔进行探查，主要包括垂向分支孔、横向分支孔和轴向分支孔。对于特殊形状的采空区，可以直接将各地质异常点连接起来，即形成采空区边界。
采空区高度可根据垂向分支孔得到，等于最上方与最下方垂向分支孔贯通点的上下位移差值，见式(17)。
$$ l = {Z_{{\rm{up}}}}{Z_{{\rm{down}}}} $$ (17) 式中：l为采空区高度，m；Zup、Zdown分别为最上方与最下方垂向分支孔贯通点的上下位移值，m。
采空区的平面参数可根据5个边界点确定，其中2个位于采空区边界线的同一条线上，如图 7所示。
以G点为坐标原点，将各点坐标值进行归零处理，见式(18)。
$$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {X_{\rm{i}}^{'} = {X_i} - {X_G}}\\ {Y_{\rm{i}}^{'} = {Y_i} - {Y_G}} \end{array}} \right. $$ (18) 式中：XG、Xi、Xi'分别为G点、其他探查点和归零后探查点的水平位移，m；YG、Yi、Yi'分别为G点、其他探查点和归零后探查点的左右位移，m。
围绕G点旋转角度ξ，使采空区矩形平面与原坐标轴平行，根据欧拉定理，旋转后的各探查点坐标值见式(19)。
$$ \left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {X_{\rm{i}}^{''}}\\ {Y_{\rm{i}}^{''}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {X_{\rm{i}}^{'}}\\ {Y_{\rm{i}}^{'}} \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\rm{cos}}\mathit{\xi }}&{{\rm{sin}}\mathit{\xi }}\\ { - {\rm{sin}}\mathit{\xi }}&{{\rm{cos}}\mathit{\xi }} \end{array}} \right] $$ (19) 则采空区长度与宽度见式(20)：
$$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {m = X_{\rm{M}}^{''}}\\ {n = Y_{\rm{H}}^{''}Y_{\rm{N}}^{''}} \end{array}} \right. $$ (20) 式中：ξ为采空区边界线FG与真北坐标轴的夹角，(°)；Xi''为旋转后各探查点的水平位移，m；Yi''为旋转后各探查点的左右位移，m；Xm''为旋转后G点相对一侧采空区边界线上的探查点的水平位移，m；YH''、YN"为旋转后G点相邻两侧采空区边界线上的探查点的左右位移，m；
5) 充水水源
充水水源一般赋存在含水地层、地质构造或开采导致的空区或裂隙中。当探查地质构造、老空区内的充水水源时，其赋存空间参数与地质构造和老空区探查方法类似；当探查含水地层中的充水水源时，可根据探查定向钻孔出水点信息，将出水点绘制在矿井采掘平面图上，采用圆滑曲线依次连接最外侧出水点，即可得到出水区域范围平面图。充水源探查原理如图 8所示。
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图 8 定向钻孔探查充水水源范围原理Figure 8. Exploration principle of water filling source by directional drilling4 定向钻孔探查精度影响因素分析
采用井下定向钻孔对地质异常体进行探查时，地质异常体空间参数的探查精度主要受钻孔布设间距、钻孔轨迹测控精度、地层和地质异常识别精度、地质异常体发育规模等影响。
4.1 钻孔布设间距
采用定向钻孔进行探查时，虽然可以直接揭露隐蔽致灾因素，但是钻孔影响区域较小。为全面得到隐蔽致灾因素的空间参数，可从以下三方面提高探查精细度：①结合矿井生产资料、前期物探数据和矿方探查精细度要求，进行探查定向钻孔的空间姿态设计，既可提高探查准确性，又可降低工程成本；②利用分支孔施工技术，从不同方向对隐蔽致灾因素进行全空间探查，减少探查钻孔数量，提高探查效率，降低探查成本；③利用矿井瓦斯抽采、水害防治等生产钻孔施工数据，对隐蔽致灾因素进行精细探查和确认。
4.2 钻孔轨迹测控精度
隐蔽致灾因素的空间参数根据探查钻孔的轨迹确定，其探查精度受钻孔轨迹的测控精度影响。钻孔轨迹的测控精度又可分为计算精度、测量精度和轨迹控制精度3方面[22-23]。
其中钻孔轨迹的计算精度主要受测量间距、测量深度基准选取等影响，可缩短测量间隔提高测量精度，测量深度宜以探管安装位置为基准。
钻孔轨迹的测量精度包括参数的检测精度和传输稳定性两方面，应尽量采用高精度随钻测量系统，提高钻孔轨迹参数的测量精度，同时应满足参数远距离稳定传输需要。
钻孔轨迹的控制精度与钻孔轨迹预测、控制技术有关，应根据钻孔轨迹控制需要，设定实钻轨迹的最大允许偏差，然后结合定向钻具造斜能力，提前对钻孔轨迹进行预测，考虑钻进反扭矩作用，在钻孔轨迹偏斜量达到阈值之前，选择合适的造斜点，对钻孔的倾角、方位角进行调整，确保定向钻孔轨迹精确控制。
4.3 地层和地质异常识别精度
隐蔽致灾因素具有显著的岩性特征，探查过程中，目前主要根据现有的钻探特征，结合孔口返渣、钻进参数变化、钻进过程中的瓦斯喷孔异常、突水异常和卡埋钻事故异常等进行地层识别，可根据含煤地层地球物理特征，开发随钻地层识别技术，提高地层和地质异常体的识别精度。
4.4 地质异常体发育规模
地质异常体的发育规模越大，其探查特征越明晰，探查定向钻孔对其识别越准确。小规模的地质异常体需要提高探查定向钻孔的施工密度，会增加探查定向钻孔的工程成本。
5 现场试验
5.1 赵固二矿煤层稳定性探查
在焦作赵固二矿11061工作面进行了煤层稳定性探查试验，为掘进巷道设计提供依据。矿井煤层厚度6 m，共完成1个孔深621 m的探查定向钻孔，并施工顶板探查分支孔5个、底板探查分支孔7个，钻孔实钻轨迹剖面如图 9所示，钻孔轨迹参数、探查得到的顶板和底板数据见表 2。
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图 9 赵固二矿煤层稳定性探查定向钻孔实钻轨迹Figure 9. Actual drilling trajectory of seam stability exploration by directional drilling in Zhaogu No.2 Coal Mine表 2 赵固二矿探查定向钻孔轨迹参数和顶底板探查数据Table 2. Trajectory parameters of directional drilling and roof and floor exploration data in Zhaogu No.2 Coal Mine(单位: m) 孔号 孔深 上下位移 左右位移 水平位移 底板上下位移 顶板上下位移 0 0 0 0 10.00 16.00 1-1 48 10.56 8.60 46.02 10.56 16.56 1-1 133 17.69 24.83 128.90 11.69 17.69 1-5 156 13.31 25.42 152.36 13.31 19.31 1-3 165 14.25 29.90 160.71 14.25 20.25 1-6 254 26.54 28.11 249.28 20.54 26.54 1-7 324 29.13 26.67 319.21 23.13 29.13 1-10 402 28.45 26.49 397.35 28.45 34.45 1-9 441 31.46 26.53 436.24 31.46 37.46 1-12 519 38.25 27.12 513.85 32.25 38.25 1-15 567 34.79 26.55 561.74 34.79 34.79 1-14 621 37.76 25.74 615.82 37.76 43.76 5.2 梅花井煤矿充水水源探查
宁东鸳鸯湖矿区梅花井煤矿114202工作面内发育有M502向斜，其轴部及两翼赋水性相对较强，煤岩层裂隙较为发育，极易造成地下水汇聚，形成富水区；后期顶板采动裂隙成为工作面充水的主要通道，严重影响工作面回采安全。
利用定向钻孔对工作面M502向斜轴两翼范围内2号煤和4号煤之间的砂岩裂隙孔隙层间承压含水层的充水水源进行超前探查，若存在含水体，则利用探查定向钻孔进行疏放。
现场试验共完成5个主孔和2个分支孔，累计进尺2 799 m，最大钻孔深度615 m，钻孔实钻轨迹和出水情况如图 10所示，单点最大出水量为5 m3 /h，单孔最大出水量为10.2 m3/h。
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图 10 梅花井煤矿充水水源探查定向钻孔实钻轨迹和出水情况Figure 10. Actual drilling trajectory and effluent condition of water-filling source exploration by directional drilling in Meihuajing Coal Mine探查结果表明工作面内M502向斜轴西翼顶板含水层内几乎不含水，东翼靠近114202综采工作面机巷的顶板含水层弱含水，其他区域几乎不含水，整体上M502向斜轴两翼含水量均较小。利用探查定向钻孔对M502向斜轴东翼顶板充水水源进行了疏放，之后顺利完成工作面回采，回采过程中，未发生顶板突水现象。
5.3 推广应用情况
基于井下定向钻孔的地质异常体探查方法已在国内多个煤矿进行了推广应用，如在寺河煤矿、孟村煤矿进行了断层探查，在汝箕沟煤矿、白芨沟煤矿进行了采空区探查，在大阳煤矿、杜儿坪煤矿进行了陷落柱探查，在赵固一矿、红柳煤矿开展了充水水源探查，在榆家梁煤矿开展了煤层稳定性探查与透明工作面构建，与传统探查方法相比，采用井下定向钻孔探查的精度高、距离远、周期短，并可进行隐蔽致灾因素治理，取得了显著应用效果。
6 结论
a.介绍了基于煤矿井下定向钻孔的矿井地质异常体探查方法，采用主孔远距离超前探查确定地质异常体存在性，利用侧钻分支技术施工多个角度的分支钻孔进行立体化区域覆盖，结合地层识别和轨迹测量，实现了地质异常体精确定位，赵固二矿和梅花井煤矿现场试验结果验证了该方法的可行性，为矿井灾害事故防治提供了新手段。
b.选择断层、陷落柱、煤层稳定性、采空区、充水水源等作为探查对象，分析了其空间形态特征、岩性特征和钻探特征，建立了定向钻孔探查识别判据，并根据各地质异常体识别特征，制定了相应的探查定向钻孔布设方案。
c.利用钻孔轨迹参数，推导得到各地质异常点的空间坐标；根据隐蔽致灾因素的空间形态特征和地质异常点坐标，推导得到了断层、陷落柱、煤层稳定性、采空区、充水水源空间参数计算方法。
d.分析了影响地质异常体探查精度的主要影响因素，可采用与物探技术结合、施工分支孔探查和利用生产钻孔数据等，提高探查精细度；采用缩短测量间隔、优选高精度随钻测量系统、轨迹预测与超前控制等，提高探查的精度；可继续研究地质导向随钻测量系统、定向钻密闭取样技术和孔中物探技术，以提高地层探查识别距离和精度，实现精确地质导向钻进和地质异常体定位。
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图 1 定向钻孔探查煤矿地质异常体原理
Fig. 1 Exploration principle of geological anomaly by directional drilling
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图 2 矿井空间坐标系与井下定向钻孔相对坐标系
Fig. 2 The mine space coordinate system and the relative coordinate system of underground directional drilling
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图 3 钻孔相对坐标值与平面坐标值转换
Fig. 3 Conversion of relative and planar coordinate values of boreholes
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图 6 定向钻孔探查陷落柱原理
Fig. 6 Exploration principle of collapse column by directional drilling
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图 8 定向钻孔探查充水水源范围原理
Fig. 8 Exploration principle of water filling source by directional drilling
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图 9 赵固二矿煤层稳定性探查定向钻孔实钻轨迹
Fig. 9 Actual drilling trajectory of seam stability exploration by directional drilling in Zhaogu No.2 Coal Mine
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图 10 梅花井煤矿充水水源探查定向钻孔实钻轨迹和出水情况
Fig. 10 Actual drilling trajectory and effluent condition of water-filling source exploration by directional drilling in Meihuajing Coal Mine
类型 空间形态特征 岩性特征 钻探特征 断层 平面上呈“线”状特性，空间上呈“面”状特性，可用断距、落差、平错等参数表征 地层连续性、完整性遭到破坏，断层发育，构造复杂 返水、返渣突变；断层破碎带内钻进困难；冲洗液不同程度漏失 陷落柱 呈圆形或不规则的椭圆形柱状体，可用长轴长度、短轴长度、高度等参数表征 柱体边缘存在裂隙带、破碎带、泥化带等软弱带，内部主要由来自含煤地层或上覆其他地层的塌陷岩石碎块组成 地层突变，冲洗液漏失，孔口返水和瓦斯涌出量增大，钻进困难 煤层稳定性 煤层产状和厚度变化，局部或整体分叉 含有多个夹矸层，地层层序对称重复，岩层产状规则变化，煤层物理性质发生变化，煤层顶底板不连续且特性发生变化 煤层顶底板岩性发生变化，从煤层顶底板中穿出，钻遇夹矸，找不到煤层 采空区 空间上一般为长方体，剖面上形成垮落带、导水裂隙带和弯曲下沉带 煤层上下岩层间形成一定的孔隙，地层变得疏松、密实度降低，破坏了岩石的完整性、连续性 由易到难，冲洗液消耗量由小到大变化显著，且具有突变性 充水水源 含水地层中带状分布；地质构造中或采空区中，局部分布 主要离子或特征离子的含量不同 孔口返水量增加 
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表 2 赵固二矿探查定向钻孔轨迹参数和顶底板探查数据
Table 2 Trajectory parameters of directional drilling and roof and floor exploration data in Zhaogu No.2 Coal Mine
(单位: m) 孔号 孔深 上下位移 左右位移 水平位移 底板上下位移 顶板上下位移 0 0 0 0 10.00 16.00 1-1 48 10.56 8.60 46.02 10.56 16.56 1-1 133 17.69 24.83 128.90 11.69 17.69 1-5 156 13.31 25.42 152.36 13.31 19.31 1-3 165 14.25 29.90 160.71 14.25 20.25 1-6 254 26.54 28.11 249.28 20.54 26.54 1-7 324 29.13 26.67 319.21 23.13 29.13 1-10 402 28.45 26.49 397.35 28.45 34.45 1-9 441 31.46 26.53 436.24 31.46 37.46 1-12 519 38.25 27.12 513.85 32.25 38.25 1-15 567 34.79 26.55 561.74 34.79 34.79 1-14 621 37.76 25.74 615.82 37.76 43.76
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