城郊煤礦底板改造鉆孔偏斜規律研究

王傳永

(河南能源化工集團 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越多，以往在施工淺部鉆孔中容易被忽視的鉆孔偏斜問題日顯突出。在施工過程中鉆孔的實際空間位置偏離設計空間位置，即偏離設計軸線稱之為鉆孔偏斜[1-5]。礦產勘查中經常出現鉆孔有規律的偏斜現象，由于地層巖石力學性質和結構構造的客觀影響，通過研究特定地層對孔斜的影響，利用地層本身的造斜性能進行增斜或降斜，控制鉆孔偏斜在可接受的范圍內，是控制鉆孔偏斜的基本途徑之一[6-9]。鉆孔偏斜是一個多參量、多變化的復雜過程，國內外學者對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性質和結構構造是客觀存在的，采用針對性的方法通過研究特定地層對孔斜的影響，利用地層本身性質控制鉆孔偏斜在可接受的范圍內，是控制鉆孔偏斜的基本途徑之一[10-12]。

處理好鉆孔偏斜問題是礦區勘查設計中應考慮的重要問題。根據相關規定要求，在水文地質條件相對復雜區域，凡出水量小于10 m3/h的鉆孔必須進行測斜，查明鉆孔終孔位置，鉆孔偏斜超過15 m時必須重新補加鉆孔[13]。

本文通過對城郊煤礦鉆孔實施過程中的測斜數據進行采集，結合測斜原理對鉆孔偏斜的原因進行分析，對鉆孔偏斜的規律進行了總結，并制定了相應的預防措施。

1 地質概況

城郊煤礦位于河南省永城市境內，覆蓋城關鄉、城廂鄉的全部及侯嶺、雙橋、十八里、將口鄉的一部分。井田南北長約12 km，東西寬約11 km，勘探面積約103 km2。礦井地層基本與區域地層一致，根據鉆孔揭露自下而上可分為：中奧陶統(O2)，中、上石炭統(C2、C3)，二疊系(P)和新生界(KZ)。井田內褶皺構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。礦區內從西北往東南劃分為5個斷層構造帶。據含水層巖性組合特征、埋藏條件等自上而下分為4個含水組，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 鉆孔測斜方法

鉆孔發生偏斜的根本原因是鉆具在孔內傾斜，其軸線偏離設計軸線。此次鉆孔測斜采用YHX7.2礦用回轉鉆機測斜儀進行施工測量，該測斜儀主要適用于煤礦地質勘探孔、瓦斯抽放孔等鉆孔軌跡的跟蹤監測，可完成對垂直孔、水平孔、俯角孔與分支孔的隨鉆。測斜儀測量鉆孔上下、左右偏斜感應原理不同，左右偏斜感應原理與方位儀一致，為磁北原理，上下偏斜感應原理為重力原理[14-18]。

測斜儀測量系統是由測量探管、主機和上位機軟件3部分組成。測量探管的外保護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。鉆孔測斜時將隨鉆測量探管安裝在無磁鉆桿內，在鉆進過程中，隨鉆測量探管采集鉆孔傾角、方位角、工具面向角等數據，存儲在Flash芯片中，與此同時，主機接收操作人員的按鍵操作，進行有效測點數據采集并存儲。經過上位機軟件對探管和主機數據的分析處理，繪制鉆孔的空間軌跡曲線。

主機與測量探管如圖1所示。

圖1 主機與測量探管示意Fig.1 Schematic diagram of main engine and measuring probe pipe

2.2 鉆孔測斜數據特征

鉆孔偏斜數據由技術人員進行測量，測斜鉆孔主要集中在二水平南翼21106工作面。在21106工作面累計測斜7次，測量鉆孔7個。以S1-4號孔為例，該鉆孔終孔深度128 m，測斜深度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個鉆孔具體測斜數據見表1和圖3。

圖2 S1-4號鉆孔測斜特征Fig.2 Inclinometer characteristics of borehole S1-4

表1 21106工作面鉆孔測斜數據統計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21106工作面的7個鉆孔進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，最大偏斜距離達到-66.79 m。結果表明鉆孔實施中對上下偏斜影響較大，對左右偏斜影響較小。

2.3 鉆孔測斜影響因素分析

(1)環境因素。根據鉆孔測斜數據，結合鉆孔設計角度、孔口管埋設長度進行比對分析，發現鉆孔在孔口管內左右偏斜軌跡波動幅度較大，呈不規則曲線分布，遠大于孔口管彎曲半徑，與實際不符，上下偏斜軌跡呈平緩曲線分布，測斜儀出孔口管后，偏斜曲線趨于平穩。鉆孔測斜環境影響分析如圖4所示。

圖4 鉆孔測斜環境影響分析Fig.4 Environmental impact analysis of borehole inclinometer

(2)系統誤差。考慮系統誤差影響，對P1-6號孔進行2次測斜。其中，一次測斜深度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 系統誤差影響分析Tab.2 Analysis of influence of system error

3 鉆孔偏斜規律分析

3.1 鉆孔左右偏斜規律

(1)鉆進方向巖層傾向影響因素。巖層傾向對鉆孔偏斜有一定的影響，21106工作面S1-4號、檢S2-4號、S3-2號、X4-3號、X5-2號孔偏斜方向與鉆進方向巖層傾向一致，一致率達到71.4%，說明鉆孔偏斜方向與巖層傾向呈正相關性。

(2)鉆具自轉方向影響因素。鉆具自轉對鉆孔偏斜也有一定的影響。鉆機回轉鉆進期間，鉆具旋轉方向為順時針旋轉，斜孔俯角鉆進時，鉆具下端首先與巖層面接觸，因鉆具旋轉特殊的“車輪效應”，導致鉆孔向鉆頭自轉方向移動，鉆具向右滾動，鉆孔右偏概率大。經分析鉆孔左偏概率為22.2%，平均偏斜幅度-1.62 m；鉆孔右偏概率達到77.8%，平均偏斜幅度8.95 m。

綜合上述數據分析，鉆孔左右偏斜受鉆進方向巖層傾向、鉆具自轉方向影響較大，為鉆進方向巖層傾向、鉆具自轉方向雙重因素影響的結果。鉆進方向巖層右傾鉆孔右偏概率達到91.7%，鉆進方向巖層左傾的鉆孔同樣存在右偏現象，且右偏鉆孔偏斜幅度較左偏鉆孔偏斜幅度大，可總結為“鉆進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系。根據工作面煤層底板等高線圖，結合鉆孔設計角度計算，各鉆孔俯角、鉆進方向巖層傾角、鉆孔與巖層夾角見表3。由表3可知，S1-4號孔鉆孔俯角-43.5°，鉆孔與巖層夾角42.6°；檢S2-4號鉆孔俯角-36.0°，鉆孔與巖層夾角34°；X4-3號鉆孔俯角-34.0°，鉆孔與巖層夾角36.1°；X5-2號鉆孔俯角-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計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鉆孔上下偏斜的影響，選取P1號鉆場P1-1號、P1-2號、P1-4號、P1-12號、P1-13號孔測斜數據與工作面綜合地質柱狀圖進行比對分析，同一鉆場區域煤層底板巖石賦存具有普遍性規律，有利于分析鉆孔偏斜與煤層底板巖性變化的關系。鉆孔上下偏斜位置孔深及垂深見表4 。

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

根據鉆孔上下偏斜位置，結合工作面綜合地質柱狀圖分析，認為P1-1號、P1-2號、P1-4號、P1-12號孔在深度38 m前未出現較大偏斜，鉆孔偏斜位置均接近綜合地質柱狀圖中細粒砂巖與泥巖變層位置，P1-13號孔偏斜位置接近細粒砂巖與砂質泥巖變層位置。據此可推斷鉆孔在煤層底板巖石硬度變化較小區段施工時，偏斜概率較小，在接近巖性變化區域時，尤其是硬巖、軟巖變化區段，易發生較大幅度偏斜。

(3)鉆桿自重影響因素。根據測斜結果，S1-4號、檢S2-4號、S3-2號、XW3-1號、X4-3號、X5-2號鉆孔下偏比率為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。

綜合上述數據分析，鉆孔上下偏斜受鉆孔角度、鉆進方向巖層角度、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，鉆孔越深，偏斜曲率越大，鉆孔在巖石硬度變化較小區段施工時，偏斜概率較小，在接近煤層底板巖性變化區域時，尤其是硬巖、軟巖變化區段，易發生較大幅度偏斜。

4 預防措施

根據鉆孔偏斜規律，在滿足鉆探施工及漿液擴散半徑的基礎上，為消弱鉆孔偏斜對底板改造效果的影響，需在鉆孔設計、鉆探施工等環節，重點做好如下工作。

(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，降低鉆桿在孔內擺動幅度。

(2)加強卡盤、夾持器檢修，卡瓦磨損嚴重及時更換，避免頻繁移動鉆機，減少鉆探設備機械誤差。

(3)根據鉆桿使用年限，結合生產廠家、材質、屈服系數等因素，科學制定鉆桿使用、淘汰機制，最大限度降低鉆桿絲扣磨損、重力因素等造成的鉆桿機械偏斜。

(4)鉆孔設計時，應根據煤層底板等高線圖、結合鉆孔偏斜規律，充分考慮地質條件，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，鉆孔應避開背斜、向斜一翼施工。

(5)鉆孔施工期間，應控制給進壓力及鉆進速度，孔內巖性變化時，減緩鉆進速度，輕壓慢進，防止給進壓力忽大忽小造成鉆孔鉆具振動，在巖性變化時發生偏斜。

(6)鉆孔施工期間，及時根據鉆孔測斜數據繪制圖形，分析鉆孔平均偏斜幅度，必要時可適當調整鉆孔方位、俯角，改變鉆孔落點，并針對鉆孔偏斜后造成的空白區域進行補孔加固。

5 結論

在鉆孔鉆進的過程中，影響鉆孔偏斜的因素是多方面的，導致實鉆軌跡與設計鉆孔之間存在一定的誤差。運用YHX7.2礦用回轉鉆機測斜儀，通過對21106工作面鉆孔測斜數據進行整理，在對測斜數據分析的基礎上，獲得了巖層傾向、巖層夾角、巖性變化以及鉆具因素對鉆孔偏斜的影響規律，得出鉆孔左右偏斜為鉆進方向巖層傾向、鉆具自轉方向雙重因素影響的結果。鉆孔上下偏斜受鉆孔角度、鉆進方向巖層角度、煤層底板巖性變化及鉆桿自重因素影響。通過提出相應的預防措施，可減輕鉆孔偏斜程度，實現鉆孔施工的精準控制，使鉆探施工做到有章可循，提高鉆探施工效果。