軟硬互層煤巖體傳統(tǒng)鉆進工藝鉆孔偏斜規(guī)律研究

程志恒，高浩斌，侯建軍，王 恩，陳 亮

(1.華北科技學院 礦山安全學院，北京 東燕郊 065201；2.華北科技學院 安全工程學院，北京 東燕郊 065201；3.新鄭煤電有限責任公司，河南 新鄭 451150)

0 引言

國內(nèi)外學者目前通過研究已經(jīng)建立了鉆穴理論和氣固耦合兩相流理論等，并且考慮復雜的地層地質(zhì)情況，以及施工工藝、鉆入角度等建立了一系列的偏斜規(guī)律[1-4]。并且在滲透改造、技術(shù)與裝備方面投入了較多時間，開展了大量研究研發(fā)工作，研制了履帶式坑坑道鉆機、全液壓定向鉆機、跨皮帶履帶鉆機等多種鉆進裝備。開發(fā)了復合定向鉆進、空氣套管鉆進和水力排渣鉆進技術(shù)等多種鉆進工藝技術(shù)。左永江[5]學者將EXCEL和ACAD相結(jié)合，對鉆孔偏斜數(shù)據(jù)進行匯總處理并繪制出鉆孔軌跡圖，從而代替原始的手工計算。該方法操作簡單快捷，自動處理數(shù)據(jù)，極大縮短工作時間以及消除傳統(tǒng)軟件功能單一的弊端。彭橋梁，李天虎，劉瑞[6]等發(fā)現(xiàn)鉆孔的偏斜距離與鉆孔直徑、巖石劈理化發(fā)育程度、鉆孔孔深和鉆進工藝等因素密切相關(guān)，提出了沿勘探線移動孔位法、立軸扭轉(zhuǎn)安裝法、改變鉆孔傾角法和選用適當?shù)你@進工藝與合理的參數(shù)控制等措施，防止和糾正鉆孔偏斜，提高效率，保證工程質(zhì)量。付帥，呂平洋，王嘉鑒[7]等根據(jù)偏孔位置將鉆孔分為四大類，分別為上偏、有效、下偏軌跡鉆孔和偏向采空區(qū)鉆孔。通過對比分析各類鉆孔的瓦斯抽采效果，發(fā)現(xiàn)高位鉆孔偏斜嚴重，采動影響所形成的裂隙為造成高位鉆孔偏斜的主要因素。許彥鵬，樊陽洋，禹建功[8]對瓦斯抽采順層鉆孔的偏斜規(guī)律進行了研究，采用現(xiàn)場測試的方法，利用全方位鉆孔測斜儀進行數(shù)據(jù)的采集與處理，采用均腳全距法計算偏移量，結(jié)合實際情況，分析得出順層鉆孔大多數(shù)發(fā)生偏斜，呈現(xiàn)出明顯的向上偏斜趨勢。李泉新[9]提出了采用復合定向與排渣鉆進技術(shù)進行鉆孔施工的方法，開發(fā)了泥漿脈沖隨鉆測量定向鉆進技術(shù)，并結(jié)合定向鉆機、泥漿泵、螺旋螺桿馬達、異形鉆桿、無磁鉆桿、過濾鉆桿、定向鉆頭、泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)等設備進行現(xiàn)場試驗，為碎軟煤層區(qū)域瓦斯抽采提供了新的技術(shù)手段。王依磊，郭志軍[10]依據(jù)“三帶”理論以及“O”形圈理論，優(yōu)化高位定向鉆孔工藝。劉春[11]建立了基于孔隙流體滲流的鉆孔坍塌失效的線彈性模型，得出了松軟煤層坍塌壓力隨瓦斯?jié)B流的衰減規(guī)律，分析了煤層基本力學參數(shù)、流體滲流和鉆孔軌跡的空間方位等因素對鉆孔坍塌失效的影響，為松軟巖層以及在煤層中鉆孔偏斜提供理論支撐。張文輝，趙曉，張宜虎[12]等研究深度45～105 m的水平鉆孔偏斜控制技術(shù)，建立了一套完整的能夠控制鉆孔偏斜的方法。通過選擇穩(wěn)定性好、有利于導向的鉆孔機械，合理配置鉆具，測斜緊跟鉆進，及時掌握鉆孔偏斜狀況，做好鉆機固定及鉆孔傾角、方位角的定向，根據(jù)巖層條件變化適時調(diào)整鉆進工藝參數(shù)等技術(shù)要點控制偏斜。雖然以上研究對鉆孔偏斜控制提出了有效方法措施，但是總結(jié)得到的偏斜規(guī)律過于模糊，并未能對其偏斜規(guī)律做出定性定量的分析，在實際施工過程中依然只能依靠經(jīng)驗操作，無法大規(guī)模應用，由此還需要深入研究，盡量得到一個確切的規(guī)律，可以定性定量的反應出來，提高其實際應用效果，為此類礦井提供參考研究經(jīng)驗。

本文擬采用相似模擬的方法從實驗室尺度上對鉆孔的偏斜規(guī)律進行研究。根據(jù)具體的鉆孔施工地質(zhì)條件，在實驗室搭建三維相似地質(zhì)模型，針對不同影響因素(巖性、巖層傾角等)進行鉆孔偏斜規(guī)律的相似模擬實驗，研究鉆孔在不同巖性巖層、不同鉆進速度、不同傾角巖層中的偏斜特征和鉆孔軌跡，研究不同鉆進速度、不同應力等條件下的鉆孔偏斜規(guī)律。

1 軟硬互層條件下瓦斯抽采鉆孔偏斜相似模擬實驗研究

1.1 軟硬互層

當鉆孔以小于90°的角度從軟巖穿過硬巖時，二者抵抗破碎阻力的大小不同，就會使鉆孔的軌跡向巖層層面的法線方向彎曲。當從鉆孔從硬巖穿過軟巖時，鉆具的軸線會逐步遠離巖層層面的垂直方向，但是，硬巖的孔壁較硬又會限制鉆孔內(nèi)鉆具的偏移，因此鉆孔的軌跡并不會有大的變化，仍會沿著原本的方向前進；當鉆孔在軟硬互層中不斷往返時，特別是由硬到軟再到硬，鉆孔軌跡仍然會沿著硬巖層面的垂直方向偏移。定向鉆進時，鉆孔軸線的切線和地層層面的垂直投影之間的夾角有一個臨界值，當大于臨界值的時候，出現(xiàn)頂層進現(xiàn)象；夾角小于臨界值的時候，鉆孔會表現(xiàn)為順層跑，即鉆孔軌跡會順著硬巖層面滑下。鉆頭的類型和巖性會影響臨界值，一般為20°～30°。

鉆頭以銳角穿過硬巖層面時有如下的力學關(guān)系(如圖1所示)。

圖1 平底鉆頭底唇阻力分布及傾倒力矩計算圖

不同巖性的巖層對鉆頭的反作用力也存在一定差異。由于不同的巖石對鉆頭切削齒的反作用不同，鉆具便會發(fā)生偏移，進而使傾倒力矩不同。此傾倒力矩可用力矩元微分方程求出：

dMc=σB·x·dF-σA·x·dF

=(σB-σA)·x·dF

(5)

式中，Mc為作用于平底鉆頭底唇上的傾倒力矩，Nm；σB為硬巖抗壓入阻力，N/m2；σA為軟巖抗壓入阻力，N/m2；x為從坐標原點到面積元的距離，m；dF為面積元，m2。

將式(5)進行定積分，并考慮到σB-σA=constant，得到：

(6)

由此可得：

(7)

式中，R為平底鉆頭半徑，m；ξ為孔底軟、硬巖層接觸面的x坐標，m。

式(7)表明，傾倒力矩越大則軟、硬巖層的阻力差越大，二者成正比。當ξ=0時，軟、硬巖層的界面正好通過鉆頭的中央，則傾倒力矩最大。

1.2 實驗原型

(1) 煤層情況

新鄭煤電有限責任公司位于鄭州市南約40 km，京廣鐵路線西側(cè)的新鄭市西部，行政隸屬新鄭市的城關(guān)鎮(zhèn)、辛店鎮(zhèn)和新密市的大隗鎮(zhèn)。煤質(zhì)太軟，難以成孔，易導致鉆孔偏斜。

(2) 試驗工作面概況

試驗以新鄭煤電有限責任公司14205工作面為平面試驗原型，14205工作面主采山西組底部二1煤層，硫份含量小于1%，水分含量0.96%，發(fā)熱量29.3～30.27 MJ/kg。

現(xiàn)場施工鉆機為ZDY-4000LQ履帶式鉆機，選用刻槽式鉆桿，直徑為94 mm，轉(zhuǎn)速為130～160 r/min，給進壓力合理范圍為60～80 kN，鉆進速度與軟硬巖相關(guān)。

該工作面附近外分別有‘3-1、3-補11、403、401、5-補16’五個鉆孔穿過二1煤，見煤點厚度分別為1.56 m、1.84 m、4.85 m、14.19 m、14.96 m，結(jié)合14205底抽巷探測資料，共選用68個探煤點，煤厚0.5～12 m，平均厚度4.6 m，煤層自東向西呈厚-薄-厚趨勢，下切口附近煤層最薄，煤厚0.5 m；煤層整體產(chǎn)狀:207°～ 254°∠0°～ 11°。地面標高為+134.9～+137.2 m，工作面標高為-152.0～-193.0 m，工作面傾斜長為187 m，走向推進長度為668 m，煤層傾角為0°～11°，煤厚為0.5～12 m，底抽巷距煤層12～15 m。模型幾何尺寸為2.4 m×0.5 m×2.7 m，模型線比為1：20，模擬采深為190 m，采用液壓加載的方法來模擬巖層質(zhì)量。

表1 各巖層物理力學參數(shù)

1.3 相似條件確定

本文中，C表示原型(P)和模型(M)之間相同的物理參數(shù)之間的比值，并將其稱為相似比率。長度為L，位移為δ，應力為σ，應變?yōu)棣牛箟簭姸葹棣襝，泊松比為μ，彈性模量為E。

相似比包括幾何、應力、變形相似等。采用應力相似時，實際生產(chǎn)中，應力大約在15～25 MPa，實驗中應力3～5 MPa，相似比為5，故相似比Cσ=5，即彈性模量相似比CE與抗壓強度相似比Cσc相等都為5。

本次試驗采用參數(shù)：

(1) 幾何相似

(8)

式中，αL為原型與模型的幾何相似比；Lp為原型的廣義長度；Lm為模型的廣義長度；此次試驗，取αL=20。

(2) 容重比

(9)

式中，αγ為原型與模型的容重比；γp為原型巖層的平均密度，取2.5 g/cm3；γp為模型材料的平均密度，一般在1.5～1.8 g/cm3較合適，密度過大則擊實困難，過小則模型容易松散不成型，影響效果。本模型中取γm=1.5 g/cm3。

此次試驗，取αγ=1.67

(3) 模型上方需要加載的載荷應為按下式進行計算：

αz=γh

(10)

式中，αz為原型自重應力，MPa；γ為巖石容重，N/m3；h為巷道埋深，m；設埋深為190 m，則可算出實際現(xiàn)場所受的載荷為：

αz=γh=2.5×103×9.8×(190-30)=3.92 MPa

則相似模擬的試驗模型需要補償?shù)妮d荷為：

則模擬巖層的上方應該施加的力為：

F=σmS=0.118×106×0.5×2.4=141.6 kN

由于設備的限制，3個液壓千斤頂，因此每個千斤頂所需要加載的壓力為：47.2 kN。

1.4 相似模型試驗

1.4.1 相似模型試驗平臺的搭建

試驗以新鄭煤電有限責任公司14205工作面為平面試驗原型，地面標高為+134.9～+137.2 m，工作面標高為-152.0～-193.0 m，工作面傾斜長為187 m，走向推進長度為668 m，煤層傾角為0°～11°，煤厚為0.5～12 m，底抽巷距煤層12～15 m。模型幾何尺寸為2.4 m×0.5 m×2.7 m，模型線比為1：20，模擬采深為190 m。

(1) 相似材料密封系統(tǒng)。構(gòu)建了可實現(xiàn)最大幾何尺寸為2.4 m×0.5 m×2.7 m(長寬高)的相似模型。

(2) 力學加載系統(tǒng)。使用三軸加載液壓機來模擬力學加載。分別為垂直液壓加載、水平寬度方向液壓加載、水平長度方向限制變形加載。垂直加載液壓缸最大工作壓力25 MPa；水平加載液壓缸呈對稱加載，最大工作壓力16.7 MPa。液壓機配備液壓及電器控制系統(tǒng)，控制精度為1%，保壓時間不小于10 d，保壓控制精度為1.5%。液壓機剛度大于30 N·m，則可在試驗時對相似材料進行保護。為了避免垂直液壓加載設備的重量對材料造成毀壞，可使用自鎖卸載設計。

(3) 模擬巷道。研制了斷面邊長0.15～0.2 m 的正方形模擬巷道，通過可調(diào)節(jié)支架、轉(zhuǎn)彎管道，可模擬水平面25°、50°、75°不同角度鉆進，也可模擬沿不同地層的鉆進過程或模擬采用不同功率鉆進過程。

(4) 監(jiān)測系統(tǒng)。采用超聲波檢測方式，進行鉆孔軌跡的重構(gòu)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理等功能。

(5) 使用市面上所能夠買到的一種手電鉆，將該電鉆插在“電子調(diào)壓調(diào)速器”上，通過旋鈕控制設置即可控制轉(zhuǎn)速；電鉆上有可控制旋鈕，能控制扭矩。使用不同的鉆頭，鉆桿長度有不同，鉆桿長度范圍6～37 mm，也可使用加長桿進行延長，鉆桿與加長桿之間采用螺紋連接，屬于剛性連接，鉆進過程中利用手持式鉆機進行鉆進，轉(zhuǎn)速選用80～200 r/min。

考慮之前的三個主要因素：地質(zhì)因素主要是通過相似模擬臺的搭建，最大程度符合原地層特征；技術(shù)因素則主要靠選取鉆進設備進行考慮；人為因素則主要結(jié)合井下情況，有針對性的進行合理選擇。

圖2 可調(diào)速手電鉆

圖3 連接桿

1.4.2 相似模擬試驗過程

模型試驗臺由框架系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和測試系統(tǒng)構(gòu)成。4個邊界均布置有壓頭，模型中二1號煤底板下開挖出底抽巷，模型加載由雙向加載系統(tǒng)和彈簧組水壓加載系統(tǒng)完成。試驗臺如圖4所示。圖5為局部放大示意圖。

圖4 相似模擬試驗臺

圖5 局部放大示意圖

2 鉆孔軌跡偏斜規(guī)律相似模擬試驗結(jié)果分析

2.1 不同巖性條件下鉆孔偏斜規(guī)律

在鉆孔鉆進的過程中，存在不同的巖性，當鉆進不同地層時，記錄鉆進不同巖層時，鉆孔軌跡曲率變化情況。

由圖6可以看出，在鉆進不同巖層的過程中，瓦斯鉆孔曲率均隨著鉆進距離的增加而增加，在煤層中鉆進過程時，鉆孔的曲率變化較小，在砂巖中鉆進過程中，鉆孔的曲率變化相對較大，而在灰?guī)r鉆進過程中，鉆孔曲率變化達到最大。本文結(jié)合《工程巖體分級標準》中軟、硬巖的飽和單軸抗壓強度，從巖層的承載能力和破壞形式兩個角度給出軟硬巖的判別標準：硬巖抗壓強度σc≥30 MPa，其全應力-應變曲線呈現(xiàn)明顯的峰后應力跌落，瞬時性明顯；軟巖的抗壓強度σc<30 MPa，其全應力-應變曲線未出現(xiàn)明顯的峰后應力跌落，而是緩慢降低，時效性明顯。鉆孔的偏斜與巖性密切相關(guān)，當巖性較軟時，發(fā)生偏斜程度不大，當巖性較硬時，發(fā)生偏斜的程度就會相對較大。

圖6 鉆進不同巖層軌跡曲率變化圖

2.2 不同鉆進速度條件下鉆孔偏斜規(guī)律

在鉆孔鉆進的過程中，會有不同的鉆進速度，當鉆進相同地層時，記錄在不同的鉆進速度下，鉆孔軌跡曲率變化情況。

由圖7可以看出，在鉆進相同巖層的過程中，瓦斯鉆孔曲率均隨著鉆進距離的增加而增加，以較小速度鉆進過程時，鉆孔的曲率變化較大，提高鉆速鉆進過程中，鉆孔的曲率變化相對較小，而當再次提高鉆速鉆進時，鉆孔曲率變化達到最小。鉆孔的偏斜與鉆速密切相關(guān)，當鉆速較小時，此時鉆進過程中，容易發(fā)生偏斜，發(fā)生偏斜程度相對較大，當鉆速逐漸變大時，發(fā)生偏斜的程度就會相對較小。

表2 試驗鉆進情況

圖7 不同轉(zhuǎn)進速度軌跡曲率變化圖

結(jié)合圖8可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增大，鉆進速度也在不斷增大，但是在中硬、研磨性強的巖層中鉆進時(曲線l)，初始逼近曲線Ⅱ，但鉆速隨著轉(zhuǎn)速變快而增加的速率較為緩慢，當超過某個極限轉(zhuǎn)速n0后(n0的大小由巖層、壓力切削具形狀決定)，鉆速vm還有下降的趨勢，因此要控制鉆進速度在合理范圍，保持鉆壓在5～7 MPa之間。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下鉆進速度變化圖

2.3 不同鉆進角度條件下鉆孔偏斜規(guī)律

在鉆孔鉆進的過程中，會有不同的鉆進角度，當鉆進相同地層時，記錄在不同的鉆進角度下，鉆孔軌跡曲率變化情況。

由圖9可以看出，以不同角度鉆進相同巖層的過程中，瓦斯鉆孔曲率均隨著鉆進距離的增加而增加，以較小角度鉆進過程時，鉆孔的曲率變化較大，增大鉆進角度鉆進過程中，鉆孔的曲率變化相對較小，而當再次增大鉆速鉆進時，鉆孔曲率變化達到最小。鉆孔的偏斜與鉆進角度密切相關(guān)，當鉆進角度較小時，此時鉆進過程中，容易發(fā)生偏斜，發(fā)生偏斜程度相對較大，當鉆進角度逐漸變大時，發(fā)生偏斜的程度就會相對較小。

由圖10可以看出，在不同角度鉆進的過程中，當遇層角銳角小于γ角時，鉆孔將沿著層面傾斜，當遇層角銳角大于γ角時，朝著垂直于層面方向彎曲。根據(jù)所在研究相似模擬實驗，得到γ角主要在25°～35°，因此，針對現(xiàn)場設計方案，合理進行布置。

圖9 不同鉆進角度軌跡曲率變化圖

圖10 不同鉆進角度軌跡變化圖

由圖11得到：

設計角度α小于臨界角γ：偏斜度η1=(0.573±0.067)·e-(α/7.8346±0.8056)+1.04±0.006

設計角度α大于臨界角γ：偏斜度η2=(0.817±0.091)·e-(α/23.286±2.141)+1.02±0.007

圖11 偏斜度與角度變化圖

3 結(jié)論

(1) 鉆孔的偏斜與巖性密切相關(guān)，當巖性較軟時，發(fā)生偏斜程度不大，當巖性較硬時，發(fā)生偏斜的程度就會相對較大。

(2) 當以不同鉆進速度鉆進相同地層時，在一定范圍內(nèi)，速度越大，鉆進軌跡偏斜程度越小。但要控制鉆壓保持在5～7 MPa之間，避免鉆頭過度磨損。

(3) 當以不同傾角鉆進巖層的過程中，瓦斯治理鉆孔發(fā)生偏斜的程度存在一定的差異，一般情況下，當傾角小于臨界角時，傾角普遍下偏，其偏斜度表達式為：

η1=(0.573±0.067)·e-(α/7.8346±0.8056)+1.04±0.006，

當傾角大于臨界角時，傾角普遍上偏，傾角越接近90°時，偏斜程度越小，其偏斜度表達式為：η2=(0.817±0.091)·e-(α/23.286±2.141)+1.02±0.007。