側(cè)向電阻率視頻成像測井技術(shù)在上向穿層瓦斯抽采孔中的應(yīng)用研究15-17-11110工作面中間低抽巷穿層鉆孔為例
——以平煤股份十三礦己

桑向陽，賈建稱，賈 茜，張平卿，宣孝忠，吳 艷，董敏濤

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南平頂山 467099；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；3.中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710054)

碎軟低滲煤層是原生結(jié)構(gòu)被破壞而柔弱得使瓦斯很難通過的層狀煤體[1]。我國碎軟低滲煤層賦存層位多，分布面積占煤礦區(qū)煤儲層面積的82%，其中瓦斯資源潛力占全國煤層氣地質(zhì)資源量的72%[2]。占全國煤礦數(shù)量26.7%的高瓦斯和突出礦井中[3]，有92.3%的煤礦位于碎軟低滲煤層區(qū)，因此碎軟低滲煤層是煤與瓦斯突出不可或缺的地質(zhì)條件。為了加強防治煤與瓦斯突出工作，預(yù)防煤礦事故，保障從業(yè)人員生命安全，煤炭企業(yè)按照“一礦一策、一面一策”要求[4]，研發(fā)出本煤層瓦斯抽采、鄰近層瓦斯抽采、采空區(qū)瓦斯抽采、圍巖瓦斯抽采方法；根據(jù)煤層賦存條件、瓦斯地質(zhì)條件、巷道布置、瓦斯抽采條件，構(gòu)建了地面水平井、地面直井，井下順層鉆孔、以孔代巷長鉆孔、頂?shù)装迨釥钽@孔、穿層鉆孔、孔巷聯(lián)合等抽采技術(shù)。無疑，穿層鉆孔預(yù)抽碎軟較難抽采單一突出煤層瓦斯是區(qū)域防突措施的有效技術(shù)[5]。然而，碎軟煤層內(nèi)構(gòu)造薄弱面發(fā)育、煤質(zhì)酥松軟弱、力學(xué)強度低，穿層鉆進孔壁穩(wěn)定性差、容易發(fā)生噴孔、卡鉆、夾鉆、塌孔、埋鉆等孔內(nèi)事故，成孔率低；鉆孔軌跡難以控制，可能遺留瓦斯預(yù)抽空白區(qū)；同時留給孔中測井的時間短，也給煤層形態(tài)恢復(fù)和隱伏致災(zāi)因素精準還原帶來較大困難。如何在短時間內(nèi)精準測量上向穿層鉆孔軌跡，事關(guān)瓦斯均勻抽采和煤礦隱伏致災(zāi)因素精細探測。本文以平煤股份十三礦己15-17-11110工作面中間低抽巷為例，運用側(cè)向電阻率視頻成像測井技術(shù)，對上向穿層瓦斯預(yù)抽鉆孔進行孔中測控，以期通過研究鉆孔坍塌的時間規(guī)律，探索鉆后測井方式與測井參數(shù)選擇，以及孔中測井信息的地質(zhì)解釋方法。

1 工程地質(zhì)背景

平煤股份十三礦位于平頂山市北東17km、襄城縣西北9km處，面積53.64km2，核定生產(chǎn)能力2.1Mt/a。礦井采用立井-斜井分兩個水平混合開拓，采區(qū)上、下山開采，走向長壁采煤方法，綜采工藝，一次采全高，全部陷落法管理頂板。

井田主要含煤地層為下二疊統(tǒng)山西組，其次有下二疊統(tǒng)下石盒子組、上二疊統(tǒng)上石盒子組。其中，山西組下部己15煤層、己16-17煤層為礦井首采煤層，下石盒子組中下部戊8煤層、上石盒子組下部乙2煤層為主要可采煤層。

己15煤層和己16-17煤層下距太原組下部庚20煤層78～105m，上距戊8煤層170m左右，厚度2.12～7.76m，一般5～7m，平均5.88m，埋深175～1 000m。煤層頂板為灰白色中細粒石英砂巖夾深灰色薄層泥巖(標3)，底板為灰色中細粒石英砂巖夾深灰色(砂質(zhì))泥巖(標2)。該煤層在井田東部和西部合并，中部分叉[6]。東部煤層合并區(qū)的構(gòu)造煤呈“碎裂煤-碎粒煤+糜棱煤-碎裂煤”方式疊加，分布受褶皺控制；中西部構(gòu)造煤與脆性斷層伴生，分布不穩(wěn)定，局部順層發(fā)育[7]。煤的普氏系數(shù)0.32～0.97，以小于0.5為主；煤層瓦斯含量4.47～18.71m3/t，平均10.24 m3/t；瓦斯壓力0.2～3.6MPa，平均1.76 MPa；瓦斯放散初速度4.5～14.0mL/s，以大于10mL/s為主；煤體透氣性系數(shù)為0.004～0.024m2/MPa2.d，屬于較難抽放煤層。自礦井投產(chǎn)以來該煤層曾發(fā)生多起煤與瓦斯突出動力現(xiàn)象。因此，該礦己15煤層和己16-17煤層屬于單一碎軟低透氣性突出煤層。

己15-17-11110工作面位于井田東部己15煤層和己16-17煤層合并區(qū)，為礦井己15-17-11111工作面之西延部分，東至己15-17-11111工作面停采線，南以己15-17-11111采面機巷與己15-17-11131待采面相鄰，西抵己15-17-11111采面皮帶下山，北鄰己15-17-11092采空區(qū)，平面形態(tài)為不規(guī)則四邊形(圖1)。工作面煤層厚度1.17～9.8m，平均4.19m。煤層結(jié)構(gòu)簡單，走向118°，傾向南西，傾角17°，埋深555～600m。

11110工作面中間低抽巷位于己15-17-11110工作面中部下方8.5～16.6m，走向 104°，斷面形態(tài)為直墻半圓拱形，中心高度3 300mm，底部寬度4 800mm，剖面起伏不平，水平投影長度413m，鉆遇地層為煤層底板灰色中細粒石英砂巖夾深灰色砂質(zhì)泥巖、己15-17煤層、至煤層頂板砂質(zhì)泥巖2m以上(圖2)。上向穿層鉆孔沿中間低抽巷中部分組布置，每組設(shè)計10個鉆孔，孔徑94mm，傾角依次為1°、11°、26°、48°、74°、81°、61°、48°、39°、32°，呈扇形排列，扇面垂直于巷道走向，單孔深度16～68m，孔組間距6～6.4m。用4臺鉆機分段同時施工，裸孔無心鉆進[8]。

圖2 低抽巷鉆遇煤巖層柱狀圖Figure 2 Floor drainage road intersected coal and rock column

己15-17-11110綜采面周邊煤、巖巷道揭露斷(層)點10個(圖1，表1)。

表1 巷道實見斷層點特征Table 1 Roadway actual encountered faulted point features

圖1 己15-17-11110綜采面中間低抽巷位置與斷點分布Figure 1 Sixth15-17-11110 fully mechanized working face middle floor drainage road position and faulted points distribution

2 上向穿層鉆孔測井儀器與測井方式選擇

2.1 上向穿層鉆孔測井儀器選取

煤田測井是使用專業(yè)化儀器在鉆孔中探測煤、巖層地球物理參數(shù)，根此變化特征來劃分煤、巖層，確定它們的厚度、賦存深度、空間形態(tài)，判斷煤質(zhì)、煤層結(jié)構(gòu)、含煤巖系沉積環(huán)境，分析巖體力學(xué)強度等的可信手段，也是礦井地質(zhì)異常體探測、區(qū)域瓦斯抽采工程檢測、透明礦井構(gòu)建的主要地質(zhì)保障手段。以往的煤田測井常在直孔或下向鉆孔中依靠探頭重力比較容易地探測煤巖體的物性參數(shù)。上向鉆孔測井需要利用推桿和扶正器將探頭緩慢勻速地輸送到鉆孔中進行測試，以往測井儀器的集成度不高，多是測試一種測井參數(shù)后，取出儀器再測試另一種物性參數(shù)。碎軟煤層區(qū)鉆孔成孔到孔壁塌陷之間的時間短，不允許在一口鉆孔中多次測井。徐州瑞拓勘探技術(shù)開發(fā)有限公司研制的YZD18.5礦用側(cè)向電阻率視頻成像測井分析儀采用“一次、同步、連測”的數(shù)據(jù)快速采集方式，探頭高度集成自然伽馬測井、視電阻率測井、自然電位測井、高分辨率視頻成像、孔跡測斜、鉆孔測深等模塊，探測數(shù)據(jù)一體化同步采集，采集頻率8點/s；主機處理系統(tǒng)采用數(shù)/模光電隔離技術(shù)，雙核設(shè)計、雙真彩液晶屏顯示、隨測即顯；軟件處理與分析系統(tǒng)可實現(xiàn)孔斜自動計算、測井數(shù)據(jù)定量轉(zhuǎn)換與圖像自動生成(圖3)。因此，該儀器不僅能夠?qū)ι舷虼油咚钩椴摄@孔軌跡、終孔位置、鉆孔姿態(tài)進行復(fù)測[8]，還可同時測試煤、巖體的自然伽馬、自然電位、視電阻率、視頻成像參數(shù)，實現(xiàn)煤、巖層綜合精細解釋和精準成圖。

圖3 軟件分析與自動成圖系統(tǒng)工作流程Figure 3 Workflow diagram of software analysis and automatic mapping system

2.2 上向穿層鉆孔塌孔時間分析

碎軟煤層區(qū)上向穿層鉆進更容易發(fā)生卡鉆、塌孔等事故，留給測井的時間很短，因此研究上向穿層鉆孔完孔到自然塌孔的時間(簡稱塌孔時間，下同)是分析鉆孔可測性、確定測井方式的重要內(nèi)容。低抽巷上向穿層鉆孔孔壁穩(wěn)定性受巷道圍巖應(yīng)力分布、鉆孔二次應(yīng)力疊加狀態(tài)、煤層厚度與產(chǎn)狀、煤體結(jié)構(gòu)、煤巖力學(xué)性質(zhì)、鉆孔傾角、地應(yīng)力、鉆進擾動強度、煤體含水量、鉆探工藝等影響[9-14]，塌孔時間變化較大。統(tǒng)計己15-17-11110綜采面中間低抽巷31個測試實驗鉆孔的塌孔時間發(fā)現(xiàn)，在同樣施工技能和正常鉆進條件下，塌孔時間與煤層厚度及其變化程度、鉆孔傾角密切相關(guān)。煤層厚度大于5m的區(qū)域，或者煤層厚度突變處不僅容易發(fā)生噴孔，而且塌孔時間較短，為24～34min，裸眼測井要么測不到煤層即塌孔，要么測不到煤層頂板就塌孔；煤層厚度5m以內(nèi)區(qū)域，塌孔時間為42～79min，并且煤層厚度越小，塌孔時間就越長。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是工作面內(nèi)厚度小的煤層，煤體受有效應(yīng)力就越大，煤的堅固性系數(shù)較高，塌孔時間就越長。鉆孔傾角對塌孔時間的影響在煤層厚度大于5m且變化不大的區(qū)域比較敏感，表現(xiàn)為鉆孔傾角與煤層夾角越小，鉆遇煤層段就越長，塌孔時間越短(圖4)。原因是鉆孔傾角與煤層夾角越小，孔壁周圍煤巖體塑性區(qū)越靠近孔壁，且范圍隨之減小，煤體越易受到破壞[14]。

圖4 鉆孔傾角與塌孔時間關(guān)系Figure 4 Relationship between borehole dip angle and collapse time

2.3 測井方式選擇

11110工作面中間低抽巷上向抽采瓦斯抽采孔施工流程是打鉆成孔→沖孔→下PVC護管→聯(lián)網(wǎng)。打鉆用時3～5h/孔，沖孔率1t/m.coal，下護管11～19min，然后很快將護管集中連接到瓦斯抽采管網(wǎng)上。YZD18.5礦用側(cè)向電阻率視頻成像測井分析儀在井下孔中測井分四個階段：測試準備階段的主要工作是井下檢查與安裝調(diào)試儀器，用時8min，可在完鉆前進行；測試階段的主要工作是送探頭和進連桿測井，用時10～45min，鉆孔越淺則用時越短，鉆孔越深則用時越長；結(jié)尾階段的工作是取出探頭和連桿，用時9～11min，盡管與鉆孔深度有關(guān)，但相差無幾；結(jié)束階段的主要工作是收裝儀器和配件，用時14min。因此，一個上向孔測井用時41～78min(表2)。

表2 上向孔測井用時統(tǒng)計Table 2 Statistics of upward crossing borehole logging times

測井的測試階段與收尾階段影響下一個鉆孔施工，采取裸眼測井(沖孔或下護管之前測井)還是隔管測井(下護管之后測井)，取決于鉆孔塌陷時間和測井的測試階段與收尾階段用時。對比分析區(qū)內(nèi)8個鉆孔的裸眼測井和隔管測井參數(shù)變化發(fā)現(xiàn)，同樣是鉆后測井，裸眼測井可同時測量煤、巖層的自然伽馬、視電阻率和自然電位等參數(shù)。由于護管阻斷了含水介質(zhì)與探頭之間的聯(lián)系，隔管測井的視電阻率值和自然電位值無響應(yīng)(圖5)，而獲得煤層段的自然伽馬值與裸眼測井的完全吻合(圖6)，結(jié)合視頻成像和鉆機運動學(xué)參數(shù)(手感推進力、回轉(zhuǎn)器主軸轉(zhuǎn)速、鉆進速率)能夠?qū)γ?、巖層進行精細解釋。因此，如果成(沖)孔后塌孔時間允許裸眼測井，則裸眼測井；如果成孔后塌孔時間不允許裸眼測井，則采取隔管測井。

圖5 裸眼測井與隔管測井的視電阻率(左)和自然電位(右)曲線對比(Z5-3-4鉆孔)Figure 5 Comparison of curves from naked borehole logging and cased borehole logging apparent resistivities (left)and natural potentials (right)(borehole Z5-3-4)

圖6 裸眼測井與隔管測井的自然伽馬曲線對比(Z5-3-4孔)Figure 6 Comparison of natural gamma ray curves from naked borehole logging and cased borehole logging (borehole Z5-3-4)hole

按照“下管抽采瓦斯為主、確保儀器安全”的要求，結(jié)合前節(jié)分析，工作面內(nèi)煤層厚度5m以上的區(qū)域和煤層厚度突變地帶的鉆孔只能采取隔管測井，而煤層厚度小于5m的區(qū)域可采取裸孔測井。據(jù)此，在己15-17-11110綜采面中間低抽巷對193個瓦斯抽采鉆孔進行了測井，其中有27個鉆孔為裸孔測井，其余鉆孔采取隔管測井。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 鉆孔軌跡精準測控

鉆孔軌跡校正結(jié)果表明，中間低抽巷內(nèi)所有鉆孔的實際軌跡和深度與設(shè)計和鉆探工程控制的不盡一致：實際鉆孔軌跡向扇面中心偏差2°～6°，141個單孔的孔深比鉆探控制的平均小1.83m；實際控制的煤巷條帶寬度比設(shè)計的窄1.20m[8]。本次施工的鉆孔無串孔或大偏離孔，為瓦斯均勻抽采夯實了基礎(chǔ)。

3.2 煤層形態(tài)恢復(fù)

查明煤層厚度與賦存形態(tài)是煤炭地質(zhì)勘查工作的基本要求，也是礦井設(shè)計與安全生產(chǎn)的地質(zhì)依據(jù)。測井曲線解釋煤與非煤巖層的理論基礎(chǔ)是相同時代、相似環(huán)境下形成的煤、巖層具有各自相近的物性特征，包括曲線幅值、形態(tài)及組合特征；縱向上，不同巖層具有不同的物性。研究區(qū)己15-17-11110中間低抽巷上向穿層鉆孔為淺孔，己15-17煤層位于標2和標3之間，鉆孔涉及的煤系層序比較穩(wěn)定。統(tǒng)計測量孔的煤、巖層測井參數(shù)(表3)表明，己15-17煤層的自然伽馬為低值，曲線呈中等幅值箱狀，與圍巖呈突變接觸(圖6)；視電阻率峰值最高，變化幅度最大，曲線形態(tài)呈指狀；自然電位值變化較大，為弱的負異常，曲線形態(tài)呈指狀，總體為箱形(圖5)。

表3 己15-17-11110中間低抽巷穿層鉆孔煤巖層測井參數(shù)統(tǒng)計Table 3 Statistics of Sixth15-17-11110 working face middle floor drainage road crossing borehole coal and rock logging parameters

在單孔綜合解釋基礎(chǔ)上，對工作面內(nèi)己15-17煤層特征和層位進行孔間對比來展伸，得到煤層厚度等值線圖。經(jīng)鉆孔軌跡校正和孔中測井解釋預(yù)測的煤層厚度與回采揭露的煤層厚度等值線圖之間的面積吻合率大于94.4%(圖7)。

圖7 煤層厚度和斷層探采對比Figure 7 Comparison of coal seam thicknesses and faults from exploration and mining information

3.3 煤層脆性斷層識別

脆性斷層(簡稱斷層)是煤巖體沿破裂面兩側(cè)發(fā)生相對位移的產(chǎn)物。作為地質(zhì)體中的不連續(xù)面，斷層影響采區(qū)合理劃分和工作面高效生產(chǎn)，增加巷道掘巖率和無效進尺、造成支護和頂板管理困難，是發(fā)生冒頂、透水與瓦斯事故的基本地質(zhì)條件。因此，中小型斷層的探查歷來是煤礦地質(zhì)保障工作的重點和難點。

利用己15-17-11110中間低抽巷穿層瓦斯抽采扇形孔組地質(zhì)信息判斷煤層斷層的方法是：

1)煤層產(chǎn)狀發(fā)生顯著變化，煤、巖層層序異常部位。

2)走向或斜向逆斷層造成煤、巖層重復(fù)，同一鉆孔多次穿過同一煤層。

3)走向或斜向正斷層造成煤、巖層缺失，相鄰多個鉆孔遇不到同一煤層，或為煤層頂板巖石。

4)近距離內(nèi)同一煤層厚度或煤層底板等高線發(fā)生突變。

5)鉆遇煤層容易卡鉆、瓦斯噴出、煤與瓦斯突出、鉆孔水異常涌入。

以巷道斷點幾何特征為基礎(chǔ)，按照斷層趨勢產(chǎn)狀和煤層厚度變化特點，采用幾何作圖法在己15-17-11110工作面預(yù)測斷層3條(圖8)。其中，f2-F7斷層是低抽巷F1-F4斷層在己15-17-11110工作面的上延部分，為斜向逆斷層，穿過工作面，被F5斷層切割，是造成工作面西部己15-17煤層疊加或重復(fù)而厚度異常的主要原因。東部F9斷層是己15-17-11111工作面高抽巷F8斷層的下延段，為走向逆斷層，西部被F5斷層切割，是造成工作面東部己15-17煤層重復(fù)而厚度異常的根本原因。F5斷層位于己15-17-11110工作面中東部，為f1斷層向工作面的上延部分，東南側(cè)止于己15-17-11110綜采面機巷，向西北規(guī)模有所增大，屬于斜向正斷層，形成時間較f2-F7斷層和F9斷層稍晚。F2斷層、F6斷層為煤層斷層，局部發(fā)育，規(guī)模小。低抽巷F3逆斷層未上延至煤層。

區(qū)內(nèi)脆性斷層預(yù)測成果被工作面回采工程所證實是準確的。

4 結(jié)論與建議

1)碎軟較難抽采煤層區(qū)巖巷上向穿層鉆進很容易發(fā)生孔內(nèi)事故和軌跡偏離，應(yīng)用側(cè)向電阻率視頻成像測井技術(shù)既可以對孔中軌跡進行精準校正，同時能夠?qū)γ簬r層進行精細解釋和精準對比。

2)高瓦斯突出礦井中穿層瓦斯抽采孔測井方式有裸眼測井和隔管測井，在鉆孔塌陷時間不允許裸眼測井時，隔管測井獲取的自然伽馬值及其曲線可以作為煤、巖層精準解釋的可靠依據(jù)。

3)利用煤層厚度等高線變異、煤層缺失或重復(fù)和煤、巖巷斷點(層)趨勢產(chǎn)狀，采用幾何作圖法預(yù)測己15-17-11110工作面發(fā)育的3條斜向脆性斷層(f2-F7斷層、F9斷層、F5斷層)和2個厚煤帶被工作面回采所證實。

4)煤礦智能化開采是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，工作面地質(zhì)透明化是智能采掘系統(tǒng)和遠程監(jiān)測協(xié)調(diào)系統(tǒng)安全高效工作的前提，密集的穿層鉆孔揭示的珍貴地質(zhì)信息是構(gòu)建高精度三維地質(zhì)動態(tài)模型、為智能開采提供高清電子地質(zhì)地圖的基礎(chǔ)。因此，煤系穿層鉆孔不僅是瓦斯抽采孔，也是瓦斯勘探孔，更是探煤孔。在無心鉆進情況下，應(yīng)加大孔中測井工作力度，不斷提高瓦斯抽采孔的工程質(zhì)量和地質(zhì)精度，為綜采工作面安全智能開采提供可靠的地質(zhì)保障[15]。