城郊煤礦底板改造鉆孔偏斜規(guī)律研究

王傳永

(河南能源化工集團(tuán) 永煤公司城郊煤礦，河南 永城 476600)

鉆探工程是揭露深部礦體的最主要手段，隨著煤礦鉆孔施工越來(lái)越多，以往在施工淺部鉆孔中容易被忽視的鉆孔偏斜問(wèn)題日顯突出。在施工過(guò)程中鉆孔的實(shí)際空間位置偏離設(shè)計(jì)空間位置，即偏離設(shè)計(jì)軸線稱之為鉆孔偏斜[1-5]。礦產(chǎn)勘查中經(jīng)常出現(xiàn)鉆孔有規(guī)律的偏斜現(xiàn)象，由于地層巖石力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造的客觀影響，通過(guò)研究特定地層對(duì)孔斜的影響，利用地層本身的造斜性能進(jìn)行增斜或降斜，控制鉆孔偏斜在可接受的范圍內(nèi)，是控制鉆孔偏斜的基本途徑之一[6-9]。鉆孔偏斜是一個(gè)多參量、多變化的復(fù)雜過(guò)程，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了大量研究并取得了一定成果，但由于地層的巖石力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造是客觀存在的，采用針對(duì)性的方法通過(guò)研究特定地層對(duì)孔斜的影響，利用地層本身性質(zhì)控制鉆孔偏斜在可接受的范圍內(nèi)，是控制鉆孔偏斜的基本途徑之一[10-12]。

處理好鉆孔偏斜問(wèn)題是礦區(qū)勘查設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的重要問(wèn)題。根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求，在水文地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜區(qū)域，凡出水量小于10 m3/h的鉆孔必須進(jìn)行測(cè)斜，查明鉆孔終孔位置，鉆孔偏斜超過(guò)15 m時(shí)必須重新補(bǔ)加鉆孔[13]。

本文通過(guò)對(duì)城郊煤礦鉆孔實(shí)施過(guò)程中的測(cè)斜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，結(jié)合測(cè)斜原理對(duì)鉆孔偏斜的原因進(jìn)行分析，對(duì)鉆孔偏斜的規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，并制定了相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 地質(zhì)概況

城郊煤礦位于河南省永城市境內(nèi)，覆蓋城關(guān)鄉(xiāng)、城廂鄉(xiāng)的全部及侯嶺、雙橋、十八里、將口鄉(xiāng)的一部分。井田南北長(zhǎng)約12 km，東西寬約11 km，勘探面積約103 km2。礦井地層基本與區(qū)域地層一致，根據(jù)鉆孔揭露自下而上可分為：中奧陶統(tǒng)(O2)，中、上石炭統(tǒng)(C2、C3)，二疊系(P)和新生界(KZ)。井田內(nèi)褶皺構(gòu)造除柏窯背斜與蔣閣向斜比較緊密外，其余均屬褶幅不大的隆起和凹陷。礦區(qū)內(nèi)從西北往東南劃分為5個(gè)斷層構(gòu)造帶。據(jù)含水層巖性組合特征、埋藏條件等自上而下分為4個(gè)含水組，井田隔水層主要為新生界底部隔水層和山西組底部隔水層。

2 鉆孔偏斜特征

2.1 鉆孔測(cè)斜方法

鉆孔發(fā)生偏斜的根本原因是鉆具在孔內(nèi)傾斜，其軸線偏離設(shè)計(jì)軸線。此次鉆孔測(cè)斜采用YHX7.2礦用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)測(cè)斜儀進(jìn)行施工測(cè)量，該測(cè)斜儀主要適用于煤礦地質(zhì)勘探孔、瓦斯抽放孔等鉆孔軌跡的跟蹤監(jiān)測(cè)，可完成對(duì)垂直孔、水平孔、俯角孔與分支孔的隨鉆。測(cè)斜儀測(cè)量鉆孔上下、左右偏斜感應(yīng)原理不同，左右偏斜感應(yīng)原理與方位儀一致，為磁北原理，上下偏斜感應(yīng)原理為重力原理[14-18]。

測(cè)斜儀測(cè)量系統(tǒng)是由測(cè)量探管、主機(jī)和上位機(jī)軟件3部分組成。測(cè)量探管的外保護(hù)筒由鈹青銅合金管材加工而成，合縫處采用能防水、防塵的橡膠密封圈密封。主機(jī)由不銹鋼材加工而成，合縫處采用能防水、防塵的橡膠密封條密封。鉆孔測(cè)斜時(shí)將隨鉆測(cè)量探管安裝在無(wú)磁鉆桿內(nèi)，在鉆進(jìn)過(guò)程中，隨鉆測(cè)量探管采集鉆孔傾角、方位角、工具面向角等數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在Flash芯片中，與此同時(shí)，主機(jī)接收操作人員的按鍵操作，進(jìn)行有效測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)。經(jīng)過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)探管和主機(jī)數(shù)據(jù)的分析處理，繪制鉆孔的空間軌跡曲線。

主機(jī)與測(cè)量探管如圖1所示。

圖1 主機(jī)與測(cè)量探管示意Fig.1 Schematic diagram of main engine and measuring probe pipe

2.2 鉆孔測(cè)斜數(shù)據(jù)特征

鉆孔偏斜數(shù)據(jù)由技術(shù)人員進(jìn)行測(cè)量，測(cè)斜鉆孔主要集中在二水平南翼21106工作面。在21106工作面累計(jì)測(cè)斜7次，測(cè)量鉆孔7個(gè)。以S1-4號(hào)孔為例，該鉆孔終孔深度128 m，測(cè)斜深度120 m，右偏10.62 m，偏斜角度5.1°，下偏-17.19 m，偏斜角度-8.2°(圖2)。7個(gè)鉆孔具體測(cè)斜數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和圖3。

圖2 S1-4號(hào)鉆孔測(cè)斜特征Fig.2 Inclinometer characteristics of borehole S1-4

表1 21106工作面鉆孔測(cè)斜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical of borehole inclinometer data in 21106 working face

圖3 鉆孔偏斜幅度分析Fig.3 Analysis of borehole deviation amplitude

對(duì)21106工作面的7個(gè)鉆孔進(jìn)行左右偏斜和上下偏斜幅度分析，由表1可知，鉆孔左右偏斜幅度較小，最大偏斜距離為19.38 m，而鉆孔上下偏斜幅度較大，最大偏斜距離達(dá)到-66.79 m。結(jié)果表明鉆孔實(shí)施中對(duì)上下偏斜影響較大，對(duì)左右偏斜影響較小。

2.3 鉆孔測(cè)斜影響因素分析

(1)環(huán)境因素。根據(jù)鉆孔測(cè)斜數(shù)據(jù)，結(jié)合鉆孔設(shè)計(jì)角度、孔口管埋設(shè)長(zhǎng)度進(jìn)行比對(duì)分析，發(fā)現(xiàn)鉆孔在孔口管內(nèi)左右偏斜軌跡波動(dòng)幅度較大，呈不規(guī)則曲線分布，遠(yuǎn)大于孔口管彎曲半徑，與實(shí)際不符，上下偏斜軌跡呈平緩曲線分布，測(cè)斜儀出孔口管后，偏斜曲線趨于平穩(wěn)。鉆孔測(cè)斜環(huán)境影響分析如圖4所示。

圖4 鉆孔測(cè)斜環(huán)境影響分析Fig.4 Environmental impact analysis of borehole inclinometer

(2)系統(tǒng)誤差?？紤]系統(tǒng)誤差影響，對(duì)P1-6號(hào)孔進(jìn)行2次測(cè)斜。其中，一次測(cè)斜深度194 m，左偏-8.63 m，偏斜角度-2.5°，下偏-78.21 m，偏斜角度-33.9°；二次測(cè)斜深度191 m，右偏3.20 m，偏斜角度1.0°，下偏-75.36 m，偏斜角度-33.8°(表2)。這2次測(cè)量左右偏斜方向不一致，偏斜誤差較大，上下偏斜方向一致，角度、曲線基本一致。

表2 系統(tǒng)誤差影響分析Tab.2 Analysis of influence of system error

3 鉆孔偏斜規(guī)律分析

3.1 鉆孔左右偏斜規(guī)律

(1)鉆進(jìn)方向巖層傾向影響因素。巖層傾向?qū)︺@孔偏斜有一定的影響，21106工作面S1-4號(hào)、檢S2-4號(hào)、S3-2號(hào)、X4-3號(hào)、X5-2號(hào)孔偏斜方向與鉆進(jìn)方向巖層傾向一致，一致率達(dá)到71.4%，說(shuō)明鉆孔偏斜方向與巖層傾向呈正相關(guān)性。

(2)鉆具自轉(zhuǎn)方向影響因素。鉆具自轉(zhuǎn)對(duì)鉆孔偏斜也有一定的影響。鉆機(jī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)期間，鉆具旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針旋轉(zhuǎn)，斜孔俯角鉆進(jìn)時(shí)，鉆具下端首先與巖層面接觸，因鉆具旋轉(zhuǎn)特殊的“車(chē)輪效應(yīng)”，導(dǎo)致鉆孔向鉆頭自轉(zhuǎn)方向移動(dòng)，鉆具向右滾動(dòng)，鉆孔右偏概率大。經(jīng)分析鉆孔左偏概率為22.2%，平均偏斜幅度-1.62 m；鉆孔右偏概率達(dá)到77.8%，平均偏斜幅度8.95 m。

綜合上述數(shù)據(jù)分析，鉆孔左右偏斜受鉆進(jìn)方向巖層傾向、鉆具自轉(zhuǎn)方向影響較大，為鉆進(jìn)方向巖層傾向、鉆具自轉(zhuǎn)方向雙重因素影響的結(jié)果。鉆進(jìn)方向巖層右傾鉆孔右偏概率達(dá)到91.7%，鉆進(jìn)方向巖層左傾的鉆孔同樣存在右偏現(xiàn)象，且右偏鉆孔偏斜幅度較左偏鉆孔偏斜幅度大，可總結(jié)為“鉆進(jìn)方向巖層右傾鉆孔右偏，巖層左傾鉆孔努力右偏”。

3.2 鉆孔上下偏斜規(guī)律

(1)鉆孔與巖層夾角影響因素。巖層夾角與鉆孔偏斜存在一定的影響關(guān)系。根據(jù)工作面煤層底板等高線圖，結(jié)合鉆孔設(shè)計(jì)角度計(jì)算，各鉆孔俯角、鉆進(jìn)方向巖層傾角、鉆孔與巖層夾角見(jiàn)表3。由表3可知，S1-4號(hào)孔鉆孔俯角-43.5°，鉆孔與巖層夾角42.6°；檢S2-4號(hào)鉆孔俯角-36.0°，鉆孔與巖層夾角34°；X4-3號(hào)鉆孔俯角-34.0°，鉆孔與巖層夾角36.1°；X5-2號(hào)鉆孔俯角-39.0°，鉆孔與巖層夾角41.2°；均為下偏鉆孔，下偏鉆孔與巖層夾角平均為34.47°。

表3 鉆孔與巖層夾角影響偏斜統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistical of deviation influenced by angle between borehole and rock stratum

(2)煤層底板巖性變化影響因素。分析煤層底板巖性變化因素對(duì)鉆孔上下偏斜的影響，選取P1號(hào)鉆場(chǎng)P1-1號(hào)、P1-2號(hào)、P1-4號(hào)、P1-12號(hào)、P1-13號(hào)孔測(cè)斜數(shù)據(jù)與工作面綜合地質(zhì)柱狀圖進(jìn)行比對(duì)分析，同一鉆場(chǎng)區(qū)域煤層底板巖石賦存具有普遍性規(guī)律，有利于分析鉆孔偏斜與煤層底板巖性變化的關(guān)系。鉆孔上下偏斜位置孔深及垂深見(jiàn)表4 。

表4 鉆孔上下偏斜位置孔深及垂深統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistical of hole depth and vertical depth at upper and lower deflection positions

根據(jù)鉆孔上下偏斜位置，結(jié)合工作面綜合地質(zhì)柱狀圖分析，認(rèn)為P1-1號(hào)、P1-2號(hào)、P1-4號(hào)、P1-12號(hào)孔在深度38 m前未出現(xiàn)較大偏斜，鉆孔偏斜位置均接近綜合地質(zhì)柱狀圖中細(xì)粒砂巖與泥巖變層位置，P1-13號(hào)孔偏斜位置接近細(xì)粒砂巖與砂質(zhì)泥巖變層位置。據(jù)此可推斷鉆孔在煤層底板巖石硬度變化較小區(qū)段施工時(shí)，偏斜概率較小，在接近巖性變化區(qū)域時(shí)，尤其是硬巖、軟巖變化區(qū)段，易發(fā)生較大幅度偏斜。

(3)鉆桿自重影響因素。根據(jù)測(cè)斜結(jié)果，S1-4號(hào)、檢S2-4號(hào)、S3-2號(hào)、XW3-1號(hào)、X4-3號(hào)、X5-2號(hào)鉆孔下偏比率為77.8%，平均偏斜幅度19.64 m；鉆孔上偏比率為22.2%，平均偏斜幅度7.22 m。

綜合上述數(shù)據(jù)分析，鉆孔上下偏斜受鉆孔角度、鉆進(jìn)方向巖層角度、煤層底板巖性變化及鉆桿自重因素影響，尤其是鉆桿自重，使得多數(shù)鉆孔下偏，鉆孔角度較小，鉆孔與巖層夾角較小，鉆孔上偏概率越大，鉆孔角度越大，鉆孔與巖層夾角越大，鉆孔下偏概率越大，下偏鉆孔偏斜曲率與鉆孔深度正相關(guān)，鉆孔越深，偏斜曲率越大，鉆孔在巖石硬度變化較小區(qū)段施工時(shí)，偏斜概率較小，在接近煤層底板巖性變化區(qū)域時(shí)，尤其是硬巖、軟巖變化區(qū)段，易發(fā)生較大幅度偏斜。

4 預(yù)防措施

根據(jù)鉆孔偏斜規(guī)律，在滿足鉆探施工及漿液擴(kuò)散半徑的基礎(chǔ)上，為消弱鉆孔偏斜對(duì)底板改造效果的影響，需在鉆孔設(shè)計(jì)、鉆探施工等環(huán)節(jié)，重點(diǎn)做好如下工作。

(1)提高鉆桿、扶正器、鉆頭三徑匹配度，正常鉆進(jìn)采用φ75 mm鉆桿、φ89 mm扶正器配合φ92 mm鉆頭施工，減小鉆具與孔壁間隙，降低鉆桿在孔內(nèi)擺動(dòng)幅度。

(2)加強(qiáng)卡盤(pán)、夾持器檢修，卡瓦磨損嚴(yán)重及時(shí)更換，避免頻繁移動(dòng)鉆機(jī)，減少鉆探設(shè)備機(jī)械誤差。

(3)根據(jù)鉆桿使用年限，結(jié)合生產(chǎn)廠家、材質(zhì)、屈服系數(shù)等因素，科學(xué)制定鉆桿使用、淘汰機(jī)制，最大限度降低鉆桿絲扣磨損、重力因素等造成的鉆桿機(jī)械偏斜。

(4)鉆孔設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)煤層底板等高線圖、結(jié)合鉆孔偏斜規(guī)律，充分考慮地質(zhì)條件，為減少鉆孔上下偏斜幅度，鉆孔盡可能與煤層底板斜交，盡可能沿煤層上山施工，斜交角度盡可能大，為減少鉆孔左右偏斜幅度，鉆孔應(yīng)避開(kāi)背斜、向斜一翼施工。

(5)鉆孔施工期間，應(yīng)控制給進(jìn)壓力及鉆進(jìn)速度，孔內(nèi)巖性變化時(shí)，減緩鉆進(jìn)速度，輕壓慢進(jìn)，防止給進(jìn)壓力忽大忽小造成鉆孔鉆具振動(dòng)，在巖性變化時(shí)發(fā)生偏斜。

(6)鉆孔施工期間，及時(shí)根據(jù)鉆孔測(cè)斜數(shù)據(jù)繪制圖形，分析鉆孔平均偏斜幅度，必要時(shí)可適當(dāng)調(diào)整鉆孔方位、俯角，改變鉆孔落點(diǎn)，并針對(duì)鉆孔偏斜后造成的空白區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)孔加固。

5 結(jié)論

在鉆孔鉆進(jìn)的過(guò)程中，影響鉆孔偏斜的因素是多方面的，導(dǎo)致實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)鉆孔之間存在一定的誤差。運(yùn)用YHX7.2礦用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)測(cè)斜儀，通過(guò)對(duì)21106工作面鉆孔測(cè)斜數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，在對(duì)測(cè)斜數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，獲得了巖層傾向、巖層夾角、巖性變化以及鉆具因素對(duì)鉆孔偏斜的影響規(guī)律，得出鉆孔左右偏斜為鉆進(jìn)方向巖層傾向、鉆具自轉(zhuǎn)方向雙重因素影響的結(jié)果。鉆孔上下偏斜受鉆孔角度、鉆進(jìn)方向巖層角度、煤層底板巖性變化及鉆桿自重因素影響。通過(guò)提出相應(yīng)的預(yù)防措施，可減輕鉆孔偏斜程度，實(shí)現(xiàn)鉆孔施工的精準(zhǔn)控制，使鉆探施工做到有章可循，提高鉆探施工效果。