突出煤層鉆孔層位優選及其影響因素

張帆，劉宇航，潘仁杰，萬晗瑾，李菽維

(河南工程學院 資源與安全工程學院，河南 鄭州 451191)

0 引言

我國采煤工藝較以前有了很大的進步，各大煤礦現在開采多為大采高或一次采全高，相較于以前更容易發生突出，所以需要更全面高效的降低瓦斯濃度的手段。目前，通過定向鉆孔抽采瓦斯是主流的降低瓦斯濃度的方法[1-2]。定向鉆孔包含兩種方法，一是常規鉆孔，需要設置多個鉆場，鉆機需要多次搬遷，費時費力，但鉆孔的長度比較短，鉆孔的維護比較方便[3]；二是高位定向鉆孔，只需設置少數幾個鉆場，單個鉆孔的孔深比較大，鉆機無需多次搬遷，但鉆孔維護比較困難，鉆進過程中容易出現塌孔、縮徑等不穩定的因素[4-5]。除此之外，鉆孔層位的地質條件也影響著鉆孔的鉆進施工和鉆孔的成孔質量，越是復雜的巖層，越容易發生鉆孔塌孔、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和資料，分析對比突出煤層的頂板、底板的巖性分布和相應巖性對應的力學參數，如抗拉強度、抗壓強度、彈性模量、泊松比等參數，明確鉆孔不穩定的因素，研究突出煤層頂底板鉆孔的形態特征，綜合以上因素，優選鉆孔層位。

1 突出煤層與頂底板對比

1.1 煤體結構劃分

經過查閱文獻，煤體結構可根據煤體結構四分法和煤體結構五分法來對煤體進行分類。一般來說，把原生結構的煤看作非構造煤，碎裂的煤看作破壞煤。這兩種煤的強度都比較高，通常被稱為硬煤，一般情況下不會發生煤與瓦斯突出，所以也可以稱作非突出煤，除了上述兩種煤，其余類型的煤強度比較低，所以被稱為軟煤，相較于硬煤更容易發生煤與瓦斯突出，也叫做突出煤。而常說的構造煤是指那些受到構造應力破壞后的所有類型的煤，一般叫做III、IV、V類煤。

根據以往的鉆孔施工經驗，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構有很大的關系，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類煤易碎，顆粒比較細小，一般叫做軟煤。這類煤的力學強度比較小，在這類煤層中鉆孔，受到地應力的作用，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，鉆孔塌孔的風險也更高。因此，現在突出煤層中鉆孔，首選煤體結構Ⅰ、Ⅱ類的煤層，這類煤的力學強度比較大，在這類煤體中鉆孔，鉆孔更加穩定，比較不容易發生鉆孔塌孔、縮徑，鉆孔的成孔率更高。

1.2 頂底板結構

突出煤層的頂底板指的是那些距離煤層上邊或下邊有一定距離的巖層，通常認為，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，一般由碳質泥巖、泥巖等巖石組成；直接頂指的是在偽頂或者無偽頂的煤層之上的巖石層，無支撐條件下比較容易垮落，一般由泥巖、砂質泥巖、細砂巖組成；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的煤層上方的比較堅硬的巖石層，力學強度高，不易垮落，比較穩定，一般由中砂巖、粗砂巖、石灰巖、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、石灰巖等組成。

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，文章根據文獻對平煤股份八礦煤巖的巖性分布進行詳細劃分。

根據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泥巖，遇水易膨脹，普氏系數比較小，在此層位鉆孔容易造成鉆孔塌孔、縮徑等鉆孔事故，不適合進行定向鉆孔施工，對于必須在這類巖層進行鉆孔施工的情況，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構分類，分為直接頂和老頂，直接頂的巖性自下而上為泥巖、砂質泥巖和細砂巖，老頂的巖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定，比較適合進行定向鉆孔施工。

1.4 力學性質特征

根據文獻對煤巖各層位巖性的抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、泊松比等力學參數的測定，可知煤巖的力學性質，詳細數據如表1、表2所示。

表1 原煤物理力學性質測試

表2 煤巖力學性質表

根據表1、表2可知，就力學性質而言，煤炭與巖石有很大差別，具體表現為煤的泊松比比較高，塑性比較大，彈性模量、抗壓強度和抗拉強度比較小，在煤層中進行長鉆孔施工，容易產生鉆孔不穩定的問題，因此通常在煤層中鉆孔施工，鉆孔深度不宜太深，優點是鉆進簡單。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、抗壓強度和抗拉強度遠大于煤，硬度較大，在這些層位進行鉆孔施工，鉆孔的孔壁更穩定，而且不易出現塌孔、縮徑等事故，適合進行定向長鉆孔施工，缺點就是鉆進比較困難。

2 鉆孔形態影響因素分析

2.1 煤層鉆孔形態

在煤層中鉆孔，根據煤礦開采的順序，煤層分為不同的狀態。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，但孔壁不太穩定，鉆進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，可以進行長鉆孔，適合采用順煤層超長定向鉆孔。因為該煤層的強度比較大，鉆孔的穩定性比較好，鉆屑量比較穩定，鉆孔軌跡的剖面為L形，鉆孔的形態從橫截面觀察為集束狀的一組鉆孔。

若是在硬煤層中打鉆，鉆孔內壁的形態較為光滑，對后續退鉆、擴孔等工作都十分有利，若是在軟煤層鉆孔，由于比較軟，鉆孔內壁會隨鉆進出現螺旋形紋路。

2.2 頂底板鉆孔形態

突出煤層頂板的巖性多為硬度比較高的砂巖，頂板中的鉆孔形態和在較硬的煤層中打鉆的鉆孔形態類似。現在應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，根據三帶劃分瓦斯受到地應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、砂質泥巖，這種巖性吸水性強，容易造成鉆孔塌孔、縮徑等鉆孔事故，導致鉆進比較困難。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，鉆孔的形態多為樹狀。

在突出煤層頂底板比較穩定的巖層中打鉆，鉆孔內壁形態都比較光滑，若在破碎巖層鉆孔，孔壁會出現豎向或橫向的裂紋，進而導致塌孔事故。

2.3 影響因素分析

影響鉆孔形態的因素有很多，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、砂質泥巖等)中打鉆，巖層的抗壓強度小，泊松比大，無論是哪種類型的鉆孔，孔壁都很難成型，很容易發生塌孔、縮徑事故，嚴重的還會卡住鉆具，成孔率比較低，對鉆孔形態的影響比較大。砂巖根據顆粒大小分為粉砂巖、細砂巖、粗砂巖等，抗拉強度和抗壓強度都比較大，性質都比較穩定，對鉆孔形態的影響比較小。石灰巖是比較穩定的巖石，彈性模量比較大，鉆進比較困難，但鉆孔形態會比較穩定。

3 突出煤層鉆孔層位優選

3.1 鉆孔層位分析

根據煤礦的地質條件，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、石灰巖等，力學性質比較強，在此層位鉆孔比較穩定，一般不會發生縮徑、塌孔等事故，但也存在一些缺點，由于巖層比較硬，鉆進比較困難，鉆進軌跡難以控制，后續擴孔比較困難。在進行非開采打鉆時，鉆機回轉慢，鉆進主要靠鉆機進給的壓力，而在煤礦中鉆孔，鉆進不太依賴進給壓力，主要的影響因素是鉆具的轉速。參考現在地質鉆探和油田鉆井的鉆孔和在鉆井經驗，在煤礦中打鉆要盡可能提高鉆機的轉速，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，根據不同的力學性質，分為硬煤和軟煤。在硬煤層打鉆，鉆孔相對比較穩定、鉆進比較容易、鉆孔的軌跡也比較容易控制，但孔壁會留下螺旋鉆進痕跡，增加后續擴孔施工的阻力。在軟煤層中打孔，由于力學強度小，比較容易出現鉆孔縮徑、塌孔等事故，而且后續擴孔比較困難，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、砂質泥巖，吸水性比較強，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，嚴重的甚至會導致卡鉆、埋鉆。但在進行灌漿加固之后再打鉆，鉆孔會更加穩定，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，就在于根據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，鉆孔比較穩定，但鉆進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的一種鉆孔工藝，優點是鉆孔的軌跡更加精確，鉆進的深度更深，瓦斯抽采的效果好，是國內外礦區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技術是現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，在中硬煤層中進行鉆孔施工，不僅鉆進的效率高，而且鉆孔的孔壁比較穩定，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置專用的鉆場進行鉆孔施工的一種工藝，這種工藝在剛開始應用時，施工的成本高、耗時長。近年來，隨著科學技術的不斷發展，高位定向鉆孔工藝不斷優化，應用的場景越來越多，已經可以直接在巷道向煤層頂板打鉆，并且能夠實現鉆孔的軌跡可控。

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，到達其他目標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，設置鉆場，施工的成本比較高，是針對性比較強的一種鉆孔工藝。

綜合以上分析，鉆孔工藝有很強的針對性，順煤層鉆孔主要是針對煤層鉆孔開發的鉆孔工藝，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 結語

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

(1)經過分析煤礦煤體結構和頂底板不同層位的巖性和力學性質，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、細砂巖、中粒砂巖、砂質泥巖。頂板巖層的砂巖抗拉強度、抗壓強度、彈性模量等力學參數比較大，煤層的彈性模量、抗壓強度、抗拉強度等力學參數比較小，底板為泥巖砂質泥巖，抗壓強度、彈性模量、抗拉強度等力學參數比較小。

(2)通過分析不同層位的鉆孔形態，得出在煤層和頂底板巖層鉆孔的內壁形態和鉆孔在煤巖中的軌跡形態，煤層中的鉆孔內壁比較光滑，軌跡沿煤層走向或傾向，頂底板巖層中鉆孔根據巖性不同，較硬的巖石中內壁光滑，碎軟的巖石中內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的鉆孔工藝是順煤層鉆孔，在適合鉆孔的頂底板巖層中根據煤礦的透氣性，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。