地質條件對低位巖巷穿層探放水鉆孔偏斜的原因淺析

摘要：在裴溝煤礦探放水鉆孔測斜統計過程中，發現在低位巖巷施工的穿層鉆孔存在著向巖層界面垂直方向上偏和向巖層走向垂直方向北偏的偏斜規律。文章從地質條件方面進行了原因分析，發現地層傾角越大、成層性越強、鉆進壓力越大，其造成的孔斜將越大、有效深度將越小，鉆頭由硬巖進入軟巖或者由軟巖進入硬巖時，一般沿著垂直地層層面這個破碎阻力最小的方向傾斜。

關鍵詞：地質條件;穿層;上行孔;鉆孔偏斜

裴溝煤礦31151（綜）工作面位于31采區南部，北部的31131（綜）工作面采空區內存在老空水害威脅，利用在原煤區段L7-8灰巖中掘進處于低位的31151回風巷底抽巷對采空區進行了探放水鉆探措施，共施工了186個鉆孔，對其中的43個鉆孔進行了鉆孔偏斜測量，發現在垂直方向上上偏的概率大于下偏的概率[1-3]，在水平方向上向巖層傾向逆方向偏斜的概率大于順方向偏斜的概率，即在低位巖巷施工的穿層探放水鉆孔存在著向巖層界面垂直方向和向巖層走向垂直方向的偏斜規律。

1 ?地質概況及鉆孔布置

如圖1，研究區段煤（巖）層傾向169°～186°，傾角10°～22°，平均14°。31151回風巷底抽巷在L7-8灰巖中掘進，巷頂上距二1煤底法向距離10.5～17.4m，北距31131運輸巷平均45m。探放水鉆孔布置在31151回風巷底抽巷北幫鉆場內，方位339°～17°，傾角+40°～+25°，孔深61～92m。

2 ?原因淺析

2.1 層狀地層

穿層探放水鉆孔一般從L7灰巖中開孔，穿過L7-8灰巖間夾層泥巖、L8灰巖、底板泥巖進入到采空區中，這幾種沉積巖層呈傾斜層狀，相鄰巖層交界處呈層面結構。圖2中的虛線代表設計鉆孔軌跡，實線代表實際鉆孔軌跡，在鉆頭鉆進至每個層面交界處時，此處巖層不能長時間支持所加的鉆壓而趨向沿垂直層面發生破碎。圖2中鉆孔鉆進至L7灰巖與L7-8灰巖間夾層泥巖的交界層面時，在鉆眼上傾的一側，鉆頭首先接觸到交界層面發生巖層破碎，形成一個向上傾斜的小斜臺，斜臺空間帶動鉆頭向上偏斜;相反，在鉆眼下傾的一側后于上傾側接觸交界層面，隨著鉆頭在上傾側偏斜的過程，在下傾側殘留一個小斜臺（圖2中的①處），對鉆頭施加一個垂面向上的力F1，把鉆頭推向上傾的一側，從而引起鉆孔偏斜。當鉆頭逐層鉆進時，在每一層的交界層面處下傾側都殘留一個這樣的小斜臺和施加一個垂面向上的力，圖2中的②--F2、③--F3、④--F4，多處的小斜臺就像小變向器一樣，在多力作用下導致孔斜不斷增大。當鉆頭與地層界面垂直時，鉆頭在上傾側和下傾側同時接觸到交界層面，不會再殘留小斜臺導致進一步偏斜，因此，層狀地層對鉆孔偏斜的上傾角度影響最大不超過地層傾角[4-6]。

在巖層交界面處鉆進時將使巖層破碎，當鉆進壓力增大時，鉆頭作用于巖層上的壓力就增大，巖層的破碎程度將更加厲害，在下傾側形成的小斜臺將更大，其垂面向上的力將越大，導致孔斜的增長速度將更快。當地層傾角越大時，上傾側和下傾側鉆頭接觸到交界層面的距離差將越大，小斜臺的長度和面積將越大，從而導致鉆孔向上偏斜的角度越大，實際終孔位置與設計終孔位置偏離越遠。因此，地層傾角越大、成層性越強、鉆進壓力越大，其造成的鉆孔孔斜將越大，鉆孔的有效深度將越小，同時，因為巖層破碎程度的增加將可能造成夾鉆現象，從而導致鉆桿斷裂、鉆孔報廢的事故發生。

2.2 地層各向異性

由于巖層的成層狀況、層理、節理、紋理以及巖石的成分、結構、膠結物、顆粒大小等因素造成巖層在不同方向上的強度不同，一般來說垂直地層層面的強度較小，鉆進時鉆頭將沿著這個破碎阻力最小的方向傾斜[7-8]。

圖3中，鉆進方向與地層傾斜方向斜交，V1、V2、V3代表鉆頭在不同方向上的破碎速度。從圖中觀察三個方向與垂直地層方向的夾角，其中V1方向夾角最大、V2方向夾角最小，即V2方向更趨近于垂直地層層面的方向，該處巖層強度最小。三個方向上的速度V2>V3>V1，表明鉆頭鉆進時V1方向巖層強度最大，鉆孔勢必會沿著V2或V3方向發生偏斜，而且V2方向上的偏斜概率和程度要大于V3方向。因此，在傾斜巖層中鉆進時，垂直方向上鉆頭易發生上偏，水平方向上鉆頭易向巖層傾向的逆方向偏斜。

2.3 軟硬巖交錯

L7和L8灰巖硬度系數f=8，L7-8灰巖間的夾層泥巖和二1煤層底板泥巖硬度系數f=4～5，相對硬度來說，灰巖可以認為是硬巖、泥巖是軟巖，穿層探放水鉆孔穿越層位為軟硬巖交錯。如圖4中，當鉆頭從L7灰巖（硬巖）向夾層泥巖（軟巖）鉆進過程中，開始時在軟巖側（B側）吃入多、鉆進速度快，在硬巖側（A側）吃入少、鉆進速度慢，鉆孔發生稍微向上傾斜的趨勢，當鉆頭快鉆出硬巖層時，此處巖石不能再支撐鉆頭的重負荷，巖石將沿著垂直于層面方向發生破碎，在硬巖層一側留下一個臺階，迫使鉆頭在此處上傾偏斜幅度加大。當鉆頭從夾層泥巖（軟巖）向L8灰巖（硬巖）鉆進過程中，鉆頭兩側接觸到硬巖石時間不同步。鉆頭在D側首先接觸到硬巖石，可鉆性小，鉆進速度慢，而在C側仍舊是軟巖石，可鉆性大，鉆進速度快，這樣就導致鉆頭仍舊沿著巖層上傾方向偏斜。

3 ?結論

文章從地質條件方面分析了低位巖巷穿層探放水鉆孔偏斜的規律和原因，發現在傾斜巖層中鉆進時，地層傾角越大、成層性越強、鉆進壓力越大，其造成的孔斜將越大、有效深度將越小，鉆頭由硬巖進入軟巖或者由軟巖進入硬巖時，一般沿著垂直地層層面這個破碎阻力最小的方向傾斜，因此，鉆孔偏斜的表象規律就是在垂直方向上鉆頭易發生上偏，水平方向上鉆頭易向巖層傾向的逆方向偏斜。

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作者信息：劉嵩鵬，聯系電話：18336333868，詳細通訊地址：河南省鄭州市新密市來集鎮楊河煤業抽探隊，郵編：452382，E-mail：827275812@qq.com。

作者簡介：

劉嵩鵬（1988-），男，河南新密人，助理工程師，本科學歷，2015年畢業于安徽理工大學安全工程本科專業，現從事煤礦地質防治水技術管理工作。