突出煤層鉆孔層位優(yōu)選及其影響因素

張帆，劉宇航，潘仁杰，萬晗瑾，李菽維

(河南工程學(xué)院 資源與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

0 引言

我國采煤工藝較以前有了很大的進(jìn)步，各大煤礦現(xiàn)在開采多為大采高或一次采全高，相較于以前更容易發(fā)生突出，所以需要更全面高效的降低瓦斯?jié)舛鹊氖侄?。目前，通過定向鉆孔抽采瓦斯是主流的降低瓦斯?jié)舛鹊姆椒╗1-2]。定向鉆孔包含兩種方法，一是常規(guī)鉆孔，需要設(shè)置多個鉆場，鉆機(jī)需要多次搬遷，費(fèi)時費(fèi)力，但鉆孔的長度比較短，鉆孔的維護(hù)比較方便[3]；二是高位定向鉆孔，只需設(shè)置少數(shù)幾個鉆場，單個鉆孔的孔深比較大，鉆機(jī)無需多次搬遷，但鉆孔維護(hù)比較困難，鉆進(jìn)過程中容易出現(xiàn)塌孔、縮徑等不穩(wěn)定的因素[4-5]。除此之外，鉆孔層位的地質(zhì)條件也影響著鉆孔的鉆進(jìn)施工和鉆孔的成孔質(zhì)量，越是復(fù)雜的巖層，越容易發(fā)生鉆孔塌孔、縮徑等[6-8]。因此，煤礦鉆孔不僅要考慮鉆孔工藝還要分析需要鉆孔的煤層的巖性分布，找出最適合鉆孔的層位，并選擇合適的鉆孔工藝。

文章通過閱讀大量的文獻(xiàn)和資料，分析對比突出煤層的頂板、底板的巖性分布和相應(yīng)巖性對應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，如抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等參數(shù)，明確鉆孔不穩(wěn)定的因素，研究突出煤層頂?shù)装邈@孔的形態(tài)特征，綜合以上因素，優(yōu)選鉆孔層位。

1 突出煤層與頂?shù)装鍖Ρ?/h2>

1.1 煤體結(jié)構(gòu)劃分

經(jīng)過查閱文獻(xiàn)，煤體結(jié)構(gòu)可根據(jù)煤體結(jié)構(gòu)四分法和煤體結(jié)構(gòu)五分法來對煤體進(jìn)行分類。一般來說，把原生結(jié)構(gòu)的煤看作非構(gòu)造煤，碎裂的煤看作破壞煤。這兩種煤的強(qiáng)度都比較高，通常被稱為硬煤，一般情況下不會發(fā)生煤與瓦斯突出，所以也可以稱作非突出煤，除了上述兩種煤，其余類型的煤強(qiáng)度比較低，所以被稱為軟煤，相較于硬煤更容易發(fā)生煤與瓦斯突出，也叫做突出煤。而常說的構(gòu)造煤是指那些受到構(gòu)造應(yīng)力破壞后的所有類型的煤，一般叫做III、IV、V類煤。

根據(jù)以往的鉆孔施工經(jīng)驗，在突出煤層中鉆孔，鉆孔的成孔率和鉆孔所在煤層的煤體結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類煤易碎，顆粒比較細(xì)小，一般叫做軟煤。這類煤的力學(xué)強(qiáng)度比較小，在這類煤層中鉆孔，受到地應(yīng)力的作用，容易造成鉆孔縮徑，而且由于這類煤易碎，在這類煤層中鉆孔，鉆孔塌孔的風(fēng)險也更高。因此，現(xiàn)在突出煤層中鉆孔，首選煤體結(jié)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ類的煤層，這類煤的力學(xué)強(qiáng)度比較大，在這類煤體中鉆孔，鉆孔更加穩(wěn)定，比較不容易發(fā)生鉆孔塌孔、縮徑，鉆孔的成孔率更高。

1.2 頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)

突出煤層的頂?shù)装逯傅氖悄切┚嚯x煤層上邊或下邊有一定距離的巖層，通常認(rèn)為，層位在煤層下方生成時間早于煤層的巖層叫做底板；層位在煤層上方生成時間晚于煤層的巖層叫做頂板。由于各巖層形成的時間和環(huán)境存在很大差異，不同層位煤巖的巖性、厚度也就各不相同。

1.2.1 煤層頂板

頂板按照與煤層的相對位置一般分為偽頂、直接頂、基本頂(老頂)三類，其中，偽頂指的是緊貼于煤層上方的，極不穩(wěn)定且容易隨著采煤過程而垮落的一層比較薄的巖層，一般由碳質(zhì)泥巖、泥巖等巖石組成；直接頂指的是在偽頂或者無偽頂?shù)拿簩又系膸r石層，無支撐條件下比較容易垮落，一般由泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖組成；基本頂也叫老頂，指的是在直接頂上方或者無偽頂和直接頂?shù)拿簩由戏降谋容^堅硬的巖石層，力學(xué)強(qiáng)度高，不易垮落，比較穩(wěn)定，一般由中砂巖、粗砂巖、石灰?guī)r、礫巖等巖石組成。

1.2.2 煤層底板

煤巖底板分類與頂板相似，也是根據(jù)巖層相對于煤層的位置來命名的，在煤層下方的薄薄的一層軟巖層稱為偽底，一般由灰質(zhì)頁巖或泥巖組成；層位位于煤層下方硬度不高的巖層叫做直接底，一般由泥巖、或者粘土巖組成，其中粘土巖吸水后容易膨脹；層位在直接底下方的較硬的巖層稱作老底，一般由砂層、石灰?guī)r等組成。

1.3 巖性特征

煤礦各巖層的巖性特征是影響鉆孔的重要因素，文章根據(jù)文獻(xiàn)對平煤股份八礦煤巖的巖性分布進(jìn)行詳細(xì)劃分。

根據(jù)平煤股份八礦各巖層的巖性分布和巖性特征，煤層底板為泥巖砂質(zhì)泥巖，遇水易膨脹，普氏系數(shù)比較小，在此層位鉆孔容易造成鉆孔塌孔、縮徑等鉆孔事故，不適合進(jìn)行定向鉆孔施工，對于必須在這類巖層進(jìn)行鉆孔施工的情況，可以采取提前灌漿加固巖層的方法，為鉆孔施工提供合適的條件，同時選用穿層鉆孔工藝，提高鉆孔的成孔率。煤層頂板的巖性分布按頂板結(jié)構(gòu)分類，分為直接頂和老頂，直接頂?shù)膸r性自下而上為泥巖、砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖，老頂?shù)膸r性自下而上為中砂層和粗砂層。頂板巖層的巖性特征比較穩(wěn)定，比較適合進(jìn)行定向鉆孔施工。

1.4 力學(xué)性質(zhì)特征

根據(jù)文獻(xiàn)對煤巖各層位巖性的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)的測定，可知煤巖的力學(xué)性質(zhì)，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 原煤物理力學(xué)性質(zhì)測試

表2 煤巖力學(xué)性質(zhì)表

根據(jù)表1、表2可知，就力學(xué)性質(zhì)而言，煤炭與巖石有很大差別，具體表現(xiàn)為煤的泊松比比較高，塑性比較大，彈性模量、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度比較小，在煤層中進(jìn)行長鉆孔施工，容易產(chǎn)生鉆孔不穩(wěn)定的問題，因此通常在煤層中鉆孔施工，鉆孔深度不宜太深，優(yōu)點(diǎn)是鉆進(jìn)簡單。反之，巖石的泊松比比較低，而除泥巖外的其他巖石，彈性模量、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于煤，硬度較大，在這些層位進(jìn)行鉆孔施工，鉆孔的孔壁更穩(wěn)定，而且不易出現(xiàn)塌孔、縮徑等事故，適合進(jìn)行定向長鉆孔施工，缺點(diǎn)就是鉆進(jìn)比較困難。

2 鉆孔形態(tài)影響因素分析

2.1 煤層鉆孔形態(tài)

在煤層中鉆孔，根據(jù)煤礦開采的順序，煤層分為不同的狀態(tài)。距離工作面比較近的待開采煤層為破碎煤層，破碎煤層的巖性比較軟，打鉆比較容易，但孔壁不太穩(wěn)定，鉆進(jìn)的阻力克服和鉆孔軌跡的控制比較困難。選用順煤層定向鉆孔，鉆孔穿過采煤工作面，延伸至待開采的煤層中，鉆孔軌跡剖面形態(tài)為直線形，平行于煤層。在未開采的煤層中，煤層的巖性相對比較硬，可以進(jìn)行長鉆孔，適合采用順煤層超長定向鉆孔。因為該煤層的強(qiáng)度比較大，鉆孔的穩(wěn)定性比較好，鉆屑量比較穩(wěn)定，鉆孔軌跡的剖面為L形，鉆孔的形態(tài)從橫截面觀察為集束狀的一組鉆孔。

若是在硬煤層中打鉆，鉆孔內(nèi)壁的形態(tài)較為光滑，對后續(xù)退鉆、擴(kuò)孔等工作都十分有利，若是在軟煤層鉆孔，由于比較軟，鉆孔內(nèi)壁會隨鉆進(jìn)出現(xiàn)螺旋形紋路。

2.2 頂?shù)装邈@孔形態(tài)

突出煤層頂板的巖性多為硬度比較高的砂巖，頂板中的鉆孔形態(tài)和在較硬的煤層中打鉆的鉆孔形態(tài)類似?，F(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的鉆孔工藝是頂板巖層高位定向鉆孔，是從巷道向煤層頂板裂隙帶中鉆孔，根據(jù)三帶劃分瓦斯受到地應(yīng)力的作用主要集中在裂隙帶。裂隙帶是天然的瓦斯流動通道，在裂隙帶鉆孔可以充分利用自然條件，而且抽采的效果比較好，鉆孔的軌跡也類似于在較硬煤層中鉆孔為近似L形，鉆孔的形態(tài)多為集束狀、梳狀的一組鉆孔。

突出煤層底板的巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，這種巖性吸水性強(qiáng)，容易造成鉆孔塌孔、縮徑等鉆孔事故，導(dǎo)致鉆進(jìn)比較困難。在這種巖層中鉆孔，首先要加固巖層，再利用穿層鉆孔快速穿越該巖層抽采瓦斯，鉆孔的形態(tài)多為樹狀。

在突出煤層頂?shù)装灞容^穩(wěn)定的巖層中打鉆，鉆孔內(nèi)壁形態(tài)都比較光滑，若在破碎巖層鉆孔，孔壁會出現(xiàn)豎向或橫向的裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致塌孔事故。

2.3 影響因素分析

影響鉆孔形態(tài)的因素有很多，但無論是在開采鉆孔還是非開采鉆孔，最主要的影響因素就是巖石的巖性。如果在含水量高的巖石(泥巖、砂質(zhì)泥巖等)中打鉆，巖層的抗壓強(qiáng)度小，泊松比大，無論是哪種類型的鉆孔，孔壁都很難成型，很容易發(fā)生塌孔、縮徑事故，嚴(yán)重的還會卡住鉆具，成孔率比較低，對鉆孔形態(tài)的影響比較大。砂巖根據(jù)顆粒大小分為粉砂巖、細(xì)砂巖、粗砂巖等，抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都比較大，性質(zhì)都比較穩(wěn)定，對鉆孔形態(tài)的影響比較小。石灰?guī)r是比較穩(wěn)定的巖石，彈性模量比較大，鉆進(jìn)比較困難，但鉆孔形態(tài)會比較穩(wěn)定。

3 突出煤層鉆孔層位優(yōu)選

3.1 鉆孔層位分析

根據(jù)煤礦的地質(zhì)條件，煤礦的巖層分為煤層、頂板巖層、底板巖層，在不同的巖層中進(jìn)行鉆孔施工會遇到不同的問題。

3.1.1 頂板巖層

頂板巖層多為砂巖、石灰?guī)r等，力學(xué)性質(zhì)比較強(qiáng)，在此層位鉆孔比較穩(wěn)定，一般不會發(fā)生縮徑、塌孔等事故，但也存在一些缺點(diǎn)，由于巖層比較硬，鉆進(jìn)比較困難，鉆進(jìn)軌跡難以控制，后續(xù)擴(kuò)孔比較困難。在進(jìn)行非開采打鉆時，鉆機(jī)回轉(zhuǎn)慢，鉆進(jìn)主要靠鉆機(jī)進(jìn)給的壓力，而在煤礦中鉆孔，鉆進(jìn)不太依賴進(jìn)給壓力，主要的影響因素是鉆具的轉(zhuǎn)速。參考現(xiàn)在地質(zhì)鉆探和油田鉆井的鉆孔和在鉆井經(jīng)驗，在煤礦中打鉆要盡可能提高鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時要減小壓力，采取這種鉆孔策略，才能最大程度上提高鉆孔的效率。經(jīng)過以上分析，頂板巖層巖性比較硬，鉆孔的成孔率比較高。

3.1.2 煤層

煤的塑性比較大，根據(jù)不同的力學(xué)性質(zhì)，分為硬煤和軟煤。在硬煤層打鉆，鉆孔相對比較穩(wěn)定、鉆進(jìn)比較容易、鉆孔的軌跡也比較容易控制，但孔壁會留下螺旋鉆進(jìn)痕跡，增加后續(xù)擴(kuò)孔施工的阻力。在軟煤層中打孔，由于力學(xué)強(qiáng)度小，比較容易出現(xiàn)鉆孔縮徑、塌孔等事故，而且后續(xù)擴(kuò)孔比較困難，鉆孔的成孔率比較低。針對這種情況，可以選擇提前灌漿來加固煤層，使之符合打鉆的要求。

3.1.3 底板巖層

煤礦底板的巖層巖性多為泥巖、砂質(zhì)泥巖，吸水性比較強(qiáng)，容易膨脹，在泥巖中打孔，十分容易遇到鉆孔縮徑的問題，成孔率比較低，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致卡鉆、埋鉆。但在進(jìn)行灌漿加固之后再打鉆，鉆孔會更加穩(wěn)定，縮徑的問題會大大減少，而且鉆孔的軌跡也相對好控制。底板巖層鉆孔的難點(diǎn)，就在于根據(jù)巖性選擇加固巖層的方法。

綜合以上分析，在頂板巖層中鉆孔，鉆孔比較穩(wěn)定，但鉆進(jìn)和軌跡控制相對比較困難；在煤層中，分兩種情況，一種是在硬煤層中打鉆孔，鉆孔相對比較穩(wěn)定，另一種是在軟煤層中打鉆孔，鉆孔容易遭到破壞；在煤層底板鉆孔，由于底板多為泥巖砂紙泥巖，需要提前灌漿加固。

3.2 鉆孔工藝分析

3.2.1 順煤層鉆孔

順煤層定向鉆孔，就是指鉆孔軌跡沿煤層走向或傾向鉆進(jìn)的一種鉆孔工藝，優(yōu)點(diǎn)是鉆孔的軌跡更加精確，鉆進(jìn)的深度更深，瓦斯抽采的效果好，是國內(nèi)外礦區(qū)中硬煤層鉆孔使用最多的鉆孔工藝“引用”。超長工作面的瓦斯抽采一直困擾著各礦的研究人員，順煤層超長定向鉆進(jìn)技術(shù)是現(xiàn)在解決之一難題的主要工藝之一，尤其是在中硬煤層中實施鉆孔，在中硬煤層中進(jìn)行鉆孔施工，不僅鉆進(jìn)的效率高，而且鉆孔的孔壁比較穩(wěn)定，成孔率高。

3.2.2 高位定向長鉆孔

高位定向鉆孔是指在距煤層頂板一定高度設(shè)置專用的鉆場進(jìn)行鉆孔施工的一種工藝，這種工藝在剛開始應(yīng)用時，施工的成本高、耗時長。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高位定向鉆孔工藝不斷優(yōu)化，應(yīng)用的場景越來越多，已經(jīng)可以直接在巷道向煤層頂板打鉆，并且能夠?qū)崿F(xiàn)鉆孔的軌跡可控。

3.2.3 穿層鉆孔

所謂穿層鉆孔，是和順層鉆孔相對應(yīng)的，指的是鉆孔軌跡穿過了起始鉆孔位置的煤層或巖層，到達(dá)其他目標(biāo)層位的一種鉆孔工藝，這種工藝主要用于煤礦低透氣性煤層臨近層的瓦斯抽采，鉆孔施工需要在煤層頂板或底板開拓巖巷，設(shè)置鉆場，施工的成本比較高，是針對性比較強(qiáng)的一種鉆孔工藝。

綜合以上分析，鉆孔工藝有很強(qiáng)的針對性，順煤層鉆孔主要是針對煤層鉆孔開發(fā)的鉆孔工藝，高位定向鉆孔適用范圍比較廣，主要針對煤層頂板的巖層開采使用，穿層鉆孔主要用于透氣性低的煤層。

4 結(jié)語

文章通過分析突出煤層各層位巖性分布和力學(xué)性質(zhì)特征，選擇最優(yōu)的鉆孔層位，分析各種鉆孔工藝對鉆孔的影響因素，綜合分析出最優(yōu)的鉆孔層位和最合適的鉆孔方法。

(1)經(jīng)過分析煤礦煤體結(jié)構(gòu)和頂?shù)装宀煌瑢游坏膸r性和力學(xué)性質(zhì)，煤體可大致分為硬煤和軟煤，煤層頂板的巖性自下而上分為粉砂巖、細(xì)砂巖、中粒砂巖、砂質(zhì)泥巖。頂板巖層的砂巖抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)比較大，煤層的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)比較小，底板為泥巖砂質(zhì)泥巖，抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)比較小。

(2)通過分析不同層位的鉆孔形態(tài)，得出在煤層和頂?shù)装鍘r層鉆孔的內(nèi)壁形態(tài)和鉆孔在煤巖中的軌跡形態(tài)，煤層中的鉆孔內(nèi)壁比較光滑，軌跡沿煤層走向或傾向，頂?shù)装鍘r層中鉆孔根據(jù)巖性不同，較硬的巖石中內(nèi)壁光滑，碎軟的巖石中內(nèi)壁存在裂紋而且比較粗糙，軌跡多為L形。

(3)通過分析不同的鉆孔層位和鉆孔工藝，將不同的鉆孔層位和鉆孔工藝相互匹配，得出在適合鉆孔的煤層最優(yōu)的鉆孔工藝是順煤層鉆孔，在適合鉆孔的頂?shù)装鍘r層中根據(jù)煤礦的透氣性，透氣性好的適合高位定向鉆孔工藝，透氣性低的適合采用穿層鉆孔工藝。相互匹配的鉆孔層位和工藝能使鉆孔的孔長更長，成孔率更高。