顶板基岩探查钻孔测斜技术及偏斜规律研究

顶板基岩探查钻孔测斜技术及偏斜规律研究

李牧阳

焦作煤业（集团）新乡能源有限公司赵固二矿 河南 辉县 453600

摘要：焦煤集团赵固二矿存在煤层顶底板含水层水压高、采高大、薄基岩、薄底板隔水层的“双高双薄”地质特征。为探明煤层顶板基岩厚度及钻孔终孔位置，通过分析YHQ-X（C）全方位钻孔测斜仪工作原理及使用方法，在工作面底抽措施巷集中施工顶板基岩探查钻孔，对钻孔轨迹偏斜规律进行了系统研究，得出主要受岩性变化和钻机自转方向双重因素影响，为今后井下防治水工程如何避免钻孔偏斜提供了一定的借鉴。

关键词：顶板基岩 探查钻孔 测斜技术 偏斜规律

1引言

焦煤集团赵固二矿属于复杂水文地质类型矿井，具有煤层顶底板含水层水压高、采高大、薄基岩、薄底板隔水层的“双高双薄”地质特征，顶底板水害问题严重威胁着矿井的安全生产。为改善矿井安全生产现状，在“双薄双高”采煤工作面实施地面区域水害超前治理且取得了一定成效。但是赵固二矿属于第四系、新近系全覆盖区域，为二叠系下统山西组隐伏煤田。二₁煤层上覆冲积层底部局部含水、含流砂层对矿井安全开采构成威胁。为了保证煤炭资源的安全开采，防止顶板水害事故发生。在“双高双薄”采煤工作面区域掘进前，利用相邻区域实际揭露或勘探资料对掘进区域煤层顶板基岩厚度和冲积层底部赋水、赋砂情况进行预判，并根据预判情况在工作面下顺槽底抽措施巷实施顶板基岩探查工程，考虑到目前井下防治水工程施工的钻孔偏斜问题日显突出，通过分析YHQ-X（C）全方位钻孔测斜仪工作原理，对工作面底抽措施巷顶板基岩探查工程实施过程中的钻孔测斜数据进行采集，并对影响钻孔测斜的因素进行了分析，通过进一步优化设计确保了煤炭资源的合理利用。

2地质概况

赵固二矿井田位于焦作煤田东部、太行山南麓，行政区隶属新乡市所辖辉县市赵固乡。井田东西长约15km，南北宽2.0km～5.5km，总面积约69km²，主采二₁煤层，属于第四系、新近系全覆盖区。根据钻孔揭露资料显示，矿井地层主要有奥陶系中统马家沟组、石炭系上统本溪组和太原组、二叠系下统山西组和下石盒子组、新近系、第四系。由于受太行山隆起和武陟隆起的影响，区内总体发育走向NE、倾向SE的单斜构造。褶皱构造欠发育，仅局部出现小型褶曲。根据岩性、水力性质和富水性，井田内含水层自上而下分为第四系砾石、细至中砂含水层、新近系砂、砾石含水层、基岩风化带含水层、二₁煤顶板砂岩含水层、太原组上部灰岩含水层、太原组下部灰岩含水层和奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层，隔水层在其内相间分布。

3测斜仪工作原理

考虑到不同煤岩层的非均质各向异性、赋存条件以及钻进施工工艺，常会导致钻孔轨迹偏离预想轨迹，且随着钻进距离加大偏斜现象愈发明显。本次测斜采用中煤科工集团西安研究院研制的YHQ-X（C）全方位钻孔测斜仪，该仪器适用于煤矿井下水平钻孔或定向钻孔轨迹的跟踪监测。

测斜仪主要由同步机和探管以及它们之间的通信线缆组成，探管主要由采集单片机、倾角和测向传感器、存储器、通信接口及电源电路等组成；同步机由单片机、键盘、显示器、存贮器、通信接口及电源电路等组成。探管的主要功能是采集传感器电信号，并将采样的数据存储到存储器中；同步机的主要功能是向探管发送命令和数据处理。系统采用定点连续测量的工作方式，同步机和探管实现同步工作后，将探管连接到钻杆上，送入欲测处进行测量，探管采集数据并存储，同步机记录测点的有效性，测点的孔深通过测量钻杆长度确定。钻孔测量完毕，取出探管，并与同步机通信，同步机计算并显示测量结果。也可将同步机与计算机通信，生成钻孔轨迹三视图和立体图。

4钻孔偏斜特征

4.1钻孔施工及测斜

4.1.1顶板孔施工

为探明14040工作面底抽措施巷附近二₁煤层顶板砂岩含水层、松散层底部砾石含水层的富水性及赋砂情况，在措施巷集中施工顶1#、顶2#、顶3#、顶4#和顶5#顶板探查钻孔，所有钻孔均采用φ113mm无芯钻头带导向装置施工，钻进至一级套管设计孔深位置下设小直径止水套管，接着采用φ94mm钻头钻进至设计孔深位置。

4.1.2测斜操作

现场施工人员首先将探管和同步机进行连接完成同步，接着依次连接探管、变接、钻杆，并将其送入孔内，待到达预测点后，根据同步机提示完成钻孔测量工作。为确保探管安全平稳下至孔底，使用钻机推进时应轻推慢进，钻进期间应频繁起、下钻进行顺孔及水力排渣。

4.2测斜数据分析

累计完成测斜5次，测量钻孔5个。以顶1#钻孔为例，该孔设计方位角126°，倾角+41°，孔深139m，测斜深度 132m。对测斜数据初步分析后发现前4个测点数据异常，且均位于孔口段止水套管范围内，其原因是受止水套管等磁性材料干扰，对异常数据进行校正，即4个异常点方位角均按照开孔方位计算，其余测点按照测量系统软件进行处理，最后使用制图软件CAD进行钻孔轨迹绘制。

通过进一步分析，顶1#钻孔右偏8.21m，偏斜角度3.3°，上偏12.25m，偏斜角度7.1°，在孔深54m处开始偏移设计轨迹，根据周围地勘孔揭露地层情况，同一区域内地层发育具有普遍性规律，受煤层顶板岩性变化特征影响， 钻孔偏斜位置接近地勘孔揭露的细粒砂岩与砂质泥岩变层位置，推断钻进至煤层顶板软、硬岩层交面处钻孔易发生偏斜现象。

其次受钻杆自重影响，采用整体式宽叶片螺旋钻杆。钻机回转器瞬时针旋转带动钻具钻进时，近端部分钻杆有向下偏移趋势，而此时钻头在软、硬岩交界面处（孔深54m）已向上进行偏移，出现近端钻杆下偏，末端钻杆上偏现象，钻杆近似呈现弯曲状，即出现钻进轨迹向上偏移现象。

5结论

通过对措施巷施工顶板钻孔测斜数据进行整理分析，首先验证了该区域地层赋存情况，同时说明了钻进轨迹偏离预计轨迹受多重因素叠加效果的影响。孔口段磁方位角发生变化受磁性材料干扰，如钻孔内下设的套管、巷道支护所用的锚索等材料。在此基础上获得了钻孔偏斜主要受岩性变化和钻机自转方向双重因素影响。钻杆在软、硬岩层交面处钻孔易发生偏斜。考虑到钻机回转器自转方向，回转器带动钻杆钻进期间近端钻杆与末端钻杆存在明显不同偏移现象，且钻杆曲率与钻进距离呈明显正相关性。

参考文献：《煤矿防治水细则》、《赵固二矿底板注浆加固及改造管理办法》《赵固二矿生产地质报告》