煤礦井下鉆孔過破碎帶等復(fù)雜地層研究

姬乃強

摘要：煤礦井下鉆孔施工過程中經(jīng)常遇到斷層破碎帶，鉆進(jìn)過程中鉆具在孔內(nèi)回轉(zhuǎn)、沖洗介質(zhì)沖刷擾動，經(jīng)常導(dǎo)致埋鉆、卡鉆等孔內(nèi)事故。本文總結(jié)了煤礦井下鉆進(jìn)常見復(fù)雜問題，分析了造成復(fù)雜問題的主要因素，提出了煤礦井下鉆孔過復(fù)雜地層技術(shù)方案，為煤礦井下研究鉆孔過破碎帶等復(fù)雜地層鉆進(jìn)技術(shù)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：煤礦井下；破碎帶；復(fù)雜地層；鉆進(jìn)

中圖分類號：TD166 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

煤礦井下鉆探施工過程中必將鉆遇各種地層，由于受地質(zhì)構(gòu)造運動、外界環(huán)境的物理化學(xué)作用以及水文地質(zhì)條件的影響，再加上鉆進(jìn)時鉆具在孔內(nèi)的回轉(zhuǎn)和碰撞，沖洗液的沖刷和浸泡，會導(dǎo)致不同程度的孔內(nèi)坍塌、縮頸、噴孔現(xiàn)象。鉆遇復(fù)雜地層時，若處理不當(dāng)，會造成鉆進(jìn)困難，引起各種孔內(nèi)事故，甚至導(dǎo)致鉆孔報廢，由此帶來了鉆孔質(zhì)量差、鉆進(jìn)效率低、成本高。因此，解決復(fù)雜地層鉆進(jìn)如斷層、破碎帶和水敏性地層鉆進(jìn)勢在必行。

1井下復(fù)雜地層鉆進(jìn)問題

煤礦井下復(fù)雜地層主要指松軟、破碎煤層、含水煤層，軟巖、水敏性巖層、斷層破碎帶、構(gòu)造應(yīng)力帶等瓦斯抽采鉆孔施工中常見地層。在松軟、破碎煤層鉆進(jìn)過程中，常見噴孔、塌孔和埋鉆現(xiàn)象，這些問題嚴(yán)重影響了鉆進(jìn)效率、成孔率及瓦斯的抽采率。

含水煤層鉆進(jìn)時，鉆孔環(huán)空間隙壓力低于煤層孔隙壓力，煤層賦存的水在鉆開地層時會滲入孔內(nèi)，導(dǎo)致鉆屑粘性團(tuán)聚，排渣困難，含水的鉆屑還會造成鉆頭包泥、鉆孔縮徑，造成鉆進(jìn)困難。

鉆遇裂隙和斷層時，沖洗液經(jīng)常漏失不能返水?dāng)y巖，大的裂隙和斷層還可能導(dǎo)致鉆具折斷。鉆遇斷層破碎帶，特別是斷層松散填充物帶，或者幾組斷層交叉的集中破碎帶時，常常伴隨塌孔、不返水，無法正常鉆進(jìn)，嚴(yán)重時造成卡埋鉆事故【1】。

2造成復(fù)雜地層情況的主要因素

鉆進(jìn)過程是鉆孔不斷加深的過程，地層被鉆穿后造成孔內(nèi)失去了原來的穩(wěn)定與平衡，加之鉆進(jìn)工藝條件的變化和影響，將會導(dǎo)致孔內(nèi)各種復(fù)雜情況的出現(xiàn)，造成不同程度的塌、噴以及鉆進(jìn)中發(fā)生卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故。煤礦井下近水平鉆孔鉆進(jìn)屬于欠平衡鉆進(jìn)，沒有靜液柱壓力護(hù)孔，各種流體會在鉆進(jìn)的同時涌入孔內(nèi)，造成孔壁穩(wěn)定性差，更易發(fā)生孔內(nèi)事故。造成鉆進(jìn)中復(fù)雜情況的因素很多，主要是地質(zhì)因素和技術(shù)工藝因素。

2.1地質(zhì)因素

地層是由各種造巖礦物組成，礦物的化學(xué)成分和性質(zhì)，直接影響著巖石的性質(zhì)和地下水的化學(xué)成分，也決定著各種類型的巖層的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，如巖石的強度、硬度、彈性、塑性、脆性、水溶性、水化性等。鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)的各種復(fù)雜情況與巖石性質(zhì)密切相關(guān)，如均質(zhì)的堅硬巖石，不會出現(xiàn)孔壁不穩(wěn)定情況，而水溶，水化膨脹的巖石，往往出現(xiàn)鉆孔的坍塌、孔壁不穩(wěn)定情況。這是由于內(nèi)動力地質(zhì)作用和外動力地質(zhì)作用使地層中存在著各種孔隙、裂隙和溶隙，并且在這些地層中，一般都存在流體和某些松軟的固體堆積物或化學(xué)沉積物充填其中，當(dāng)鉆開地層時，就出現(xiàn)了上述的復(fù)雜情況。因此，應(yīng)對鉆進(jìn)中的各種復(fù)雜情況，首先要了解復(fù)雜地層的巖層性質(zhì)、地質(zhì)成因以及賦存條件對鉆進(jìn)的影響。

（1）巖石的性質(zhì)

鉆進(jìn)過程中，經(jīng)常遇到松軟地層，如粘土層，頁巖層，鹽巖層，石膏層等，這些巖層很容易分散溶解于水或泥漿中，當(dāng)遇水以后會使孔壁溶蝕成不規(guī)則形狀，孔壁垮塌等復(fù)雜情況，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的孔內(nèi)埋鉆、卡鉆事故等。

某些巖石遇水后，易產(chǎn)生吸水膨脹、分散、崩解、剝落等現(xiàn)象。這類地層對水很敏感，稱為“水敏性地層”，大部分含粘土礦物的巖石屬此類。在此類中還包括有某些水溶性礦物膠結(jié)充填的地層，這類地層之所以有不同的水敏性，主要在于所含粘土礦物本身的類型、性質(zhì)和含量多少，如含大量鈉或鈣蒙脫石礦物的松軟地層，水敏性最強；如所含礦物以高嶺石、伊利石為主的硬粘土巖，則水敏性較弱。

（2）地質(zhì)構(gòu)造

由于地質(zhì)構(gòu)造運動產(chǎn)生的壓力、張力和剪力等作用，使巖層產(chǎn)生節(jié)理、裂隙、褶皺、斷層和破碎帶。鉆遇此類地質(zhì)構(gòu)造帶時，會造成不同情況的復(fù)雜現(xiàn)象。若遇有節(jié)理存在，可成為地質(zhì)體水流的通道，可能造成鉆孔較輕微的漏失，不返渣；對于破碎帶，由于破碎帶內(nèi)巖石破碎松散，整體強度差，鉆進(jìn)時由于鉆具的振動碰撞和沖洗液的沖刷作用，造成嚴(yán)重塌孔。鉆遇褶皺時，鉆孔常常偏斜，進(jìn)入不了目的層，使鉆孔報廢。鉆遇斷層，特別是幾組斷層交叉處破碎且?guī)r層傾角過大，則鉆進(jìn)時易造成嚴(yán)重漏失外，還伴隨著發(fā)生嚴(yán)重的塌孔、掉塊現(xiàn)象，從而造成嚴(yán)重孔內(nèi)事故。

（3）地層含水、含壓力瓦斯

空氣鉆進(jìn)是一種有效的施工松軟突出煤層順層瓦斯抽采鉆孔的方法，在煤礦井下瓦斯抽采鉆孔施工中得到了廣泛應(yīng)用。但在含水煤層鉆進(jìn)時，煤層內(nèi)賦存的水會滲入孔內(nèi)，使鉆屑團(tuán)聚，導(dǎo)致排渣困難，煤層中賦存水制約著空氣鉆進(jìn)技術(shù)在局部含水煤層的應(yīng)用。當(dāng)鉆開高壓力瓦斯地層時，瓦斯壓力瞬間釋放，導(dǎo)致嚴(yán)重的塌孔、噴孔，處理不及時就會出現(xiàn)埋鉆事故[2]。

2.2技術(shù)因素

鉆進(jìn)時孔內(nèi)出現(xiàn)復(fù)雜情況，地質(zhì)因素是主要的，是內(nèi)因。但鉆進(jìn)工藝技術(shù)因素對孔內(nèi)出現(xiàn)復(fù)雜情況也會產(chǎn)生重要影響，若技術(shù)措施合理，可防止和消除復(fù)雜情況的產(chǎn)生，若工藝技術(shù)處理不當(dāng)，將會使鉆孔復(fù)雜情況發(fā)生。因此，應(yīng)當(dāng)重視技術(shù)因素的作用。

（1）鉆孔直徑、深度、傾角及裸眼時間

隨著鉆孔直徑的增大，孔壁的不穩(wěn)定性也會增加，對于松散破碎的地層，孔壁的穩(wěn)定性更差。一般來說，小口徑鉆孔比大口徑鉆孔孔壁穩(wěn)定得多，大口徑鉆進(jìn)容易帶來孔內(nèi)巖層不穩(wěn)定而造成孔內(nèi)復(fù)雜情況。因此，對于煤礦井下近水平鉆孔，在滿足瓦斯抽放要求的條件下，從提高孔壁穩(wěn)定性和鉆進(jìn)效率方面考慮，應(yīng)盡量選擇小口徑鉆進(jìn)。從鉆孔深度來說，孔越深，孔壁不穩(wěn)定因素越多，以致易發(fā)生塌孔或塑性變形。同時，孔越深，排渣阻力越大，孔內(nèi)凈化就越困難，易發(fā)埋鉆事故。因此，在滿足瓦斯抽采要求的情況下，宜設(shè)計較淺的抽采鉆孔，以減少孔內(nèi)事故和提高鉆進(jìn)效率。從鉆孔傾角來說，上斜孔有利于排渣，孔內(nèi)事故少，施工效率高，因此，瓦斯抽采鉆孔應(yīng)盡量多設(shè)計上斜鉆孔。

鉆孔的裸眼時間直接影響孔壁的穩(wěn)定性，特別對于水敏性和松散破碎巖層更為突出。水敏性巖層不穩(wěn)定有一個變化過程，裸眼浸泡時間越長，越易出現(xiàn)縮徑卡鉆事故。松散破碎巖層由于裸眼浸泡時間長會造成松散巖層垮塌的埋鉆事故。因此，對不穩(wěn)定的巖層，不論是力學(xué)的不穩(wěn)定或遇水不穩(wěn)定，都應(yīng)盡量提高鉆速，快速通過復(fù)雜層段成孔，并盡可能下入護(hù)孔管護(hù)孔，保持瓦斯抽采通道暢通。

（2）鉆進(jìn)工藝

鉆進(jìn)規(guī)程采用不當(dāng)會導(dǎo)致孔內(nèi)復(fù)雜情況的發(fā)生。鉆進(jìn)時若泵量過大，尤其是清水鉆進(jìn)，沖洗介質(zhì)就會沖刷孔壁，造成塌孔、掉塊。給進(jìn)壓力過大，鉆速過高，可能帶來排渣不及時，孔內(nèi)凈化差，發(fā)生埋鉆事故。松軟破碎地層、水敏性地層宜選用系統(tǒng)風(fēng)或者空壓機壓風(fēng)做鉆進(jìn)沖洗介質(zhì)，較完整地層、較硬煤層鉆進(jìn)可選用靜壓水或泥漿泵壓力水做沖洗介質(zhì)。另外，煤礦井下這種短鉆具、頻繁加桿的鉆進(jìn)方式對排渣是不利的，特別是下斜孔鉆進(jìn)，因此，任何鉆進(jìn)和提鉆操作都要以孔內(nèi)凈化完全為前提，以減少孔內(nèi)事故的發(fā)生。

3鉆孔過斷層破碎帶等復(fù)雜地層技術(shù)

3.1巖土工程領(lǐng)域斷層破碎帶等復(fù)雜地層鉆掘技術(shù)

破碎帶、斷層和水敏性等復(fù)雜地層鉆進(jìn)與取樣問題一直是地礦勘探、工程勘察和工程施工中的主要技術(shù)難題。目前，巖土鉆掘工程領(lǐng)域處理斷層破碎帶等復(fù)雜地層的主要方法有：注漿法、冷凍法和潛孔錘跟管鉆進(jìn)、套管鉆進(jìn)等方法。

（1）注漿法

注漿法是鉆遇斷層破碎帶時，利用液壓、氣壓或其他動力，將具有流動性、凝膠性并在凝膠后具有抗?jié)B透性及一定強度的液體狀材料（注漿材料或漿液）均勻地壓注到注漿介質(zhì)內(nèi)，巖土鉆掘工程通常用一定配比的水泥漿注入充填斷層破碎帶，水泥凝固膠結(jié)松散充填物，從而改善注漿介質(zhì)的物理力學(xué)性能，提高其整體強度和穩(wěn)定性，再次下鉆鉆穿膠結(jié)凝固體直至成孔。注漿法是處理鉆孔過斷層破碎帶的有效方法。

（2）冷凍法

冷凍法是通過鉆孔將低溫介質(zhì)注入到松散地層，使地層低溫固結(jié)，然后進(jìn)行鉆孔或者開挖，常用于隧道施工。此方法首先需要在準(zhǔn)備凍結(jié)的地層中鉆孔鋪管，安裝凍結(jié)器和鹽水循環(huán)系統(tǒng)，然后利用人工制冷手段，以氨或氟里昂或其它物質(zhì)作為制冷工質(zhì)，經(jīng)過制冷壓縮機對制冷工質(zhì)進(jìn)行壓縮，反復(fù)循環(huán)做功，將鹽水（氯化鈣溶液）降至負(fù)溫（鹽水的結(jié)冰點可以低至-38.6 ℃，故一般情況下都是使用鹽水作為冷量傳媒），通過低溫鹽水在冷凍孔內(nèi)循環(huán)，完成地層的熱交換，帶走地層熱量，使地溫逐漸下降并達(dá)到冰點，隨著制冷的延續(xù)，結(jié)冰區(qū)逐漸發(fā)展，從而達(dá)到凍結(jié)局部巖土的目的，目前國內(nèi)的冷凍法施工多用這種方法。

（3）潛孔錘跟管鉆進(jìn)

潛孔錘跟管鉆進(jìn)是采用空氣或液動潛孔錘鉆進(jìn)成孔，同時套管隨鉆頭跟入孔內(nèi)。跟進(jìn)的套管具有穩(wěn)定孔壁和保護(hù)孔口的作用，而且鉆進(jìn)、排渣和護(hù)壁同時進(jìn)行，可以很好地解決復(fù)雜地層鉆進(jìn)中護(hù)壁難的問題。

雙回轉(zhuǎn)跟管鉆進(jìn)是近十幾年發(fā)展起來新技術(shù)，其基本方法是鉆具和套管同時回轉(zhuǎn)，同步跟進(jìn)，使用低轉(zhuǎn)速、大扭矩的套管驅(qū)動器來推進(jìn)套管以切割地層，動力頭同步地驅(qū)動帶有潛孔錘或牙輪鉆頭或刮刀鉆頭的鉆具。鉆進(jìn)時由兩個動力頭分別驅(qū)動鉆桿和護(hù)壁套管回轉(zhuǎn)，但彼此方向相反。

國內(nèi)潛孔錘跟管鉆進(jìn)技術(shù)的研究始于上世紀(jì)70年代，主要有成都探礦工藝所的QG型跟管擴孔鉆具，原長春地質(zhì)學(xué)院探礦工程研究所的偏心擴孔跟管鉆具等。80年代末期，中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所最先開展?jié)摽族N跟管鉆進(jìn)技術(shù)的研究，90年代開始推廣應(yīng)用，在國內(nèi)基礎(chǔ)處理工程中得到了廣泛應(yīng)用，目前開發(fā)的產(chǎn)品有單偏心跟管、同心跟管、帶導(dǎo)向的偏心跟管等鉆具，在錨固孔、注漿孔等工程施工中被廣泛使用。

3.2煤礦井下鉆孔過斷層破碎帶等復(fù)雜地層技術(shù)

目前，由于煤礦井下環(huán)境和坑道鉆機設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀等因素影響，很多在巖土鉆掘工程中過斷層、破碎帶和水敏性等復(fù)雜地層，成熟有效的成孔工藝技術(shù)和設(shè)備需要改進(jìn)才能應(yīng)用到煤礦井下。

注漿法鉆孔過斷層、破碎帶，鉆進(jìn)配套設(shè)備復(fù)雜，注漿后必須侯凝，導(dǎo)致成孔周期長、效率低，不適應(yīng)目前煤礦安全高效施工要求，在煤礦井下應(yīng)用有一定限制。潛孔錘跟管鉆速高，成孔率高，由于鉆進(jìn)工藝、鉆孔設(shè)計和力學(xué)系統(tǒng)和地面垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)的差異，目前實現(xiàn)煤礦井下潛孔錘跟管鉆進(jìn)有一定難度。

根據(jù)煤礦井下設(shè)備和鉆探技術(shù)現(xiàn)狀，對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，配合套管鉆進(jìn)技術(shù)過斷層、破碎帶具有現(xiàn)實意義。井下套管鉆進(jìn)就是用取心鉆頭加巖心管套管鉆進(jìn)，鉆進(jìn)阻力增大時停鉆，從套管中間下入小一級鉆具破芯鉆進(jìn)，兩者相互交替鉆進(jìn)直至成孔，成孔后套管留在孔內(nèi)護(hù)壁。

4. 結(jié)語

隨著生產(chǎn)規(guī)模擴大和開采深度不斷增加，井下瓦斯抽采鉆孔的鉆探工程地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，打鉆難成為復(fù)雜地層條件下瓦斯抽采的技術(shù)瓶頸。松軟煤層、破碎煤層、斷層和破碎帶等地質(zhì)異常帶鉆進(jìn)時，排渣困難，孔眼凈化差，造成卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故多，施工難度大，成孔率低，導(dǎo)致瓦斯抽采效率低，嚴(yán)重影響煤礦安全高效生產(chǎn)。因此，研究鉆孔過破碎帶等復(fù)雜地層技術(shù)與裝備重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]徐勇.鉆探施工技術(shù)在復(fù)雜地層中的應(yīng)用[J].世界有色金屬，2018（14）：214-215.

[2]李平，童碧，許超.頂板復(fù)雜地層高位定向鉆孔成孔工藝研究[J].煤田地質(zhì)與勘探，2018，46（04）：197-201.

（作者單位：中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司）