上斜孔不同孔徑的定位穿層孔鉆探軌跡的探討

劉彥俊

(霍州煤電集團 技術研究院， 山西 臨汾 031400)

煤礦井下地質鉆探是確保礦井安全生產的一種常規(guī)且非常重要的勘探方法之一，是進行礦井地質構造判別，釋放采空區(qū)積水不可缺少的輔助手段。鉆探技術是勘察資料準確性的必要條件，特別是在構造破碎帶及巖溶等復雜地層，鉆探技術不過關，便不能準確揭露地層結構，也不能獲得沿途的客觀物理力學參數[1]. 此外，因為鉆孔軌跡不明確，通過鉆孔的地質信息探明的賦存形態(tài)以及煤層厚度等都存有隱蔽或者誤揭的風險隱患[2]. 現有的井下常用液壓式鉆機受本身技術限制無法實現定向鉆進，長距離鉆孔施工質量無法保證。在煤礦井下復雜工況及地質條件下，使用不同鉆機、不同直徑鉆桿及不同大小的鉆頭，鉆探成孔質量會存在很大差異，通過系統(tǒng)總結鉆探成果對今后開展長距離定向鉆進有很大指導意義[3-4].

1 工程概況

龐龐塔煤礦屬于霍州煤電旗下礦井，位于山西省河東煤田中部，井田東西長度為5 km，南北長度為20 km，井田面積為103.25 km2.礦井設計生產能力為1 000萬t/a，主采煤層包括5上、5和9號煤層，其中，5上煤層厚度為1.85～2.64 m，平均2.21 m，5號煤層厚度為2.50～7.57 m，平均4.06 m，9號煤層厚度為9.10～13.07 m，平均11.13 m. 井田整體構造簡單，屬于低瓦斯礦井。750水平系統(tǒng)軌道大巷和膠帶大巷噴漿工程為該礦井基建工程的重點驗收項目，為實現3 000 m膠帶大巷噴漿工程順利施工，需要在膠帶大巷向軌道大巷施工穿層定向輸料孔。該采區(qū)呈一單斜構造，煤層傾角為12°～19°，平均為15°. 其中，軌道大巷沿5煤頂板掘進，膠帶大巷沿9煤掘進，兩條巷道平均高差40 m，水平距離平均70 m. 5煤至9煤之間為L1、L2、L3灰?guī)r及厚度不等的砂巖。因軌道大巷日常齒軌車運行，不利于鉆機施工，因此此次施工鉆孔均為上斜孔。

2 鉆探工程施工

鉆探施工設計在9煤膠帶大巷進行，每隔200 m垂直煤幫施工一個鉆孔，共計15個鉆探點。井下現場使用鉆機為履帶式4200全液壓巷道鉆機，鉆桿規(guī)格800 mm×63 mm. 在施工過程中由于鉆孔偏移，在3#、5#鉆探點先后施工了多個鉆孔，試驗使用d75 mm、d94 mm、d108 mm和d113 mm四種不同型號鉆頭進行了鉆進，并采用YJC90/360礦用鉆孔測井分析儀對各鉆探成孔進行了軌跡測量，總結鉆孔偏移規(guī)律，適時調整鉆探參數。

YJC90/360礦用鉆孔測井分析儀通過使用連接推桿，在鉆探結束后，將內置軌跡定位器的測量器具推送至孔底，從而測量出該鉆孔的實際鉆探軌跡。該設備使用方便，測量準確率高，能夠全面準確地顯示出鉆孔的方位和傾角偏移情況。

為確保鉆探成孔質量，準確預判鉆探位置，要及時對鉆探施工點的地層進行綜合分析。結合礦井綜合柱狀圖、鉆探施工點附近地質(水文)鉆孔的柱狀圖，實地勘察記錄鉆場附近巖性特征和參數，包括巖性、顏色、硬度、巖層傾角、厚度、產狀等，繪制鉆探施工點的巖層柱狀。在鉆探過程中真實有效地記錄鉆孔進尺、巖屑變化、鉆孔傾角等相關參數，對鉆孔實際鉆探巖性進行收集整理，及時修正施工點巖層柱狀，以便指導鉆探施工。

該次鉆探施工過程實地勘察了750水平系統(tǒng)軌道大巷、膠帶大巷以及之間聯(lián)絡巷揭露的不同層位的巖層特性及產狀變化情況，通過對先期已施工的3號點的兩個鉆孔原始記錄進行綜合分析，整理出了 750大巷9#煤至5#煤之間各巖層厚度及層級關系圖,見圖1.

圖1 750大巷9#煤至5#煤鉆孔巖性分析圖

通過對3號點的兩個鉆孔進行軌跡測量，結合鉆探原始記錄及實際勘探數據進行綜合分析。兩個鉆孔穿過L1灰?guī)r15.5 m，L2灰?guī)r5 m，L3灰?guī)r6.8 m. 中間過12 m泥巖后見2 m左右6、7號煤，再經過3 m泥巖后進入砂巖綜合層，其中包括砂質泥巖和砂巖大約20 m，然后進入5號煤。綜合計算得出煤巖層綜合柱狀，見圖2. 從圖2可以看出，此次鉆探軌跡巖層軟硬交互，3層灰?guī)r中間有不同厚度的泥巖、砂巖交互層，對鉆孔成孔質量造成較大的影響。

圖2 9#煤至5#煤綜合地質柱狀圖

3 750大巷各鉆探點實測鉆孔軌跡特征

3.1 d75 mm鉆頭鉆探軌跡分析

使用75 mm鉆頭在膠帶大巷共施工兩個鉆孔，終孔80 m左右。通過軌跡測量可以發(fā)現鉆孔整體成孔質量較好，其中5-1號孔傾角25°鉆孔垂向偏移僅1 m左右(見圖3,此次鉆探施工所有鉆孔開孔鉆機均直接垂直煤壁開鉆，未對鉆孔平面角度進行測量，本文對鉆孔平面偏移不做討論)。由于沒有鉆透5#煤軌道大巷，隨后調整角度為26.5°施工5-2號孔，在78.5 m左右鉆透軌道大巷頂板(圖4). 2號孔在施工過程中鉆機漏油，對鉆機進行了檢修，且在施工至40 m左右時由于鉆頭磨損嚴重，退鉆進行了更換。鉆機在維護、退鉆等因素影響下，鉆機整體穩(wěn)定性受到了影響，因此在施工至40 m后角度偏移較大,但整體偏移量保持在4 m左右，鉆孔成孔質量相對較好。

圖3 5號孔d75 mm鉆頭鉆孔傾角25°軌跡剖面圖

圖4 5號孔d75 mm鉆頭鉆孔傾角26.5°軌跡剖面圖

3.2 d95 mm鉆頭鉆孔軌跡分析

使用d95 mm鉆頭在膠帶大巷不同位置共施工3個不同角度鉆孔，其中一個未鉆探至軌道大巷，兩個鉆孔打到了目標位置，3個鉆孔鉆探距離平均80 m左右。

通過軌跡測量可以發(fā)現，同樣使用d63 mm鉆桿，用d95 mm鉆頭進行鉆探時，鉆孔軌跡整體偏移較大。其中3#鉆場1號孔在83 m位置處垂向上偏移7.4 m， 2號孔在78 m位置處垂向上偏移6.6 m(圖5)；4#鉆場1號孔探透軌道運輸巷，但在終孔72 m處與設計鉆孔軌跡相比垂向上偏移5.3 m(圖6). 在鉆探施工過程中未發(fā)生鉆機維護、更換鉆頭、退鉆等影響鉆機穩(wěn)定性的問題。因此在排除外因影響因素情況下，通過對比鉆孔數據不難發(fā)現，3個鉆孔在80 m位置處平均偏移量均在7 m左右，特別是將3個鉆孔進行軌跡疊加，軌跡拋物線基本重合，見圖7.

圖5 3#鉆場1號、2號鉆孔剖面軌跡圖

圖6 4#鉆場d95 mm鉆頭鉆孔剖面軌跡圖

圖7 3#鉆場1號、2號孔鉆孔剖面軌跡疊加對比圖

3.3 d108 mm鉆頭鉆孔軌跡分析

使用d108 mm鉆頭在膠帶大巷共施工多個鉆孔，此次軌跡測量2個鉆孔進行分析，均為5#鉆場施工位置，但采用不同角度。

通過軌跡測量可以發(fā)現，傾角28°鉆孔施工73.68 m終孔垂向偏移量為16.79 m(圖8)，傾角30°鉆孔施工67.19 m，終孔垂向偏移量為15.8 m(圖9). 相較于d94 mm鉆頭施工鉆孔的成孔質量，終孔偏移量明顯增加。通過軌跡測量及數據對比分析，兩個鉆孔軌跡基本重合，偏移量基本一致(圖10).

圖8 5號鉆場d108鉆頭傾角28°剖面軌跡圖

圖9 5號鉆場d108鉆頭傾角30°剖面軌跡圖

圖10 d108 mm鉆頭傾角30°與28°剖面軌跡疊加對比圖

3.4 d113 mm鉆頭鉆孔軌跡分析

在工程施工過程中使用d113 mm鉆頭共施工1個鉆孔，同一臺鉆機，同樣使用d63 mm鉆桿，傾角28°，共施工74.55 m.

通過鉆孔測井數據分析，終孔74.55 m位置垂向偏移量18.7 m(圖11). 現場施工過程中為防止鉆孔偏移較大，鉆機第一根鉆桿使用了d108 mm扶正器。但通過測井數據分析,相較于d108 mm鉆頭，在同一位置，使用同一臺鉆機，同樣使用63 mm鉆桿，且加裝鉆桿扶正器后，垂向上在鉆孔深度74 m位置鉆孔偏移量依然增加了2 m.

圖11 5號鉆場d113 mm鉆頭28°軌跡平面圖

4 鉆孔軌跡偏移綜合分析

通過以上數據分析對比可以看到，使用同一臺鉆機，同一直徑鉆桿，不同型號鉆頭施工上斜穿層鉆孔時，垂向上鉆孔軌跡均有偏移，d75 mm鉆頭施工鉆孔軌跡在80 m位置偏移量約為2 m，d95 mm鉆頭鉆孔施工軌跡在80 m位置偏移量在7 m左右，d108 mm鉆頭鉆孔施工軌跡在70 m位置偏移量在16 m左右，d113 mm鉆頭鉆孔施工軌跡在加裝一節(jié)扶正鉆桿的情況下74 m位置偏移量依然在18 m左右。此次施工上斜孔穿層孔時，使用同一鉆桿，鉆頭越大，鉆孔偏移量越大，且都為向上偏移。分析主要原因，一方面鉆孔施工過程中，巖層軟硬交互，三層灰?guī)r中間有不同厚度的泥巖、砂巖交互層，對鉆孔成孔質量造成較大的影響。一方面鉆桿受自身重力影響，再通過鉆機在鉆探過程中的較大推力，使其形成自然造斜弧度，導致所有鉆孔都向上偏移，而且裸孔孔徑越大，偏移量越大。但通過對比發(fā)現，同一位置施工不同角度的鉆孔，鉆孔軌跡線可以基本重合，有明顯的規(guī)律可循。即同一位置施工不同角度的鉆孔，鉆孔軌跡線可以基本重合。調整鉆孔角度時，可根據上一個鉆孔的偏移量對鉆孔角度進行反算，達到一次成孔的目的。

5 應對措施

井下鉆探作為煤礦構造探查、采空區(qū)積水疏放、瓦斯抽放等工程的常用手段，鉆孔偏移一直是困擾成孔質量的主要問題，為減小鉆孔偏移量，可采用多種方法解決。

1) 在井下進行鉆探作業(yè)時，盡量使用與鉆桿直徑相匹配的鉆頭，如需進行擴孔，應采用塔式導向鉆頭，防止鉆孔偏移。

2) 鉆探施工時，合理利用鉆桿扶正器。不同型號和材質的鉆桿，在鉆孔中的偏移量會存在差異，可以通過鉆桿在孔中偏移率，每隔一段距離加裝一節(jié)扶正器，減少鉆桿在孔終自然造斜的可能性，降低鉆孔偏移量。

3) 在施工過程中，要做好鉆機穩(wěn)固措施，防止因鉆機抖動、卡鉆、偏斜等原因，造成鉆孔角度變化[5].

6 結 語

使用普通全液壓式鉆機進行長距離鉆進時，受鉆機穩(wěn)定性、鉆機動力大小、巖層軟硬交互及鉆頭大小等多種因素影響，鉆孔軌跡容易發(fā)生偏移，且鉆桿與孔壁間隙越大，偏移量會越大。規(guī)范鉆機操作流程，掌握各巖層巖性變化情況，科學剖析軌跡偏離原因，并尋找其規(guī)律，對提高井下超前鉆孔施工質量具有現實借鑒意義。