煤矿井下钻孔过破碎带等复杂地层研究

姬乃强

摘要：煤矿井下钻孔施工过程中经常遇到断层破碎带，钻进过程中钻具在孔内回转、冲洗介质冲刷扰动，经常导致埋钻、卡钻等孔内事故。本文总结了煤矿井下钻进常见复杂问题，分析了造成复杂问题的主要因素，提出了煤矿井下钻孔过复杂地层技术方案，为煤矿井下研究钻孔过破碎带等复杂地层钻进技术提供借鉴。

关键词：煤矿井下；破碎带；复杂地层；钻进

中图分类号：TD166 文献标识码：A

煤矿井下钻探施工过程中必将钻遇各种地层，由于受地质构造运动、外界环境的物理化学作用以及水文地质条件的影响，再加上钻进时钻具在孔内的回转和碰撞，冲洗液的冲刷和浸泡，会导致不同程度的孔内坍塌、缩颈、喷孔现象。钻遇复杂地层时，若处理不当，会造成钻进困难，引起各种孔内事故，甚至导致钻孔报废，由此带来了钻孔质量差、钻进效率低、成本高。因此，解决复杂地层钻进如断层、破碎带和水敏性地层钻进势在必行。

1井下复杂地层钻进问题

煤矿井下复杂地层主要指松软、破碎煤层、含水煤层，软岩、水敏性岩层、断层破碎带、构造应力带等瓦斯抽采钻孔施工中常见地层。在松软、破碎煤层钻进过程中，常见喷孔、塌孔和埋钻现象，这些问题严重影响了钻进效率、成孔率及瓦斯的抽采率。

含水煤层钻进时，钻孔环空间隙压力低于煤层孔隙压力，煤层赋存的水在钻开地层时会渗入孔内，导致钻屑粘性团聚，排渣困难，含水的钻屑还会造成钻头包泥、钻孔缩径，造成钻进困难。

钻遇裂隙和断层时，冲洗液经常漏失不能返水携岩，大的裂隙和断层还可能导致钻具折断。钻遇断层破碎带，特别是断层松散填充物带，或者几组断层交叉的集中破碎带时，常常伴随塌孔、不返水，无法正常钻进，严重时造成卡埋钻事故【1】。

2造成复杂地层情况的主要因素

钻进过程是钻孔不断加深的过程，地层被钻穿后造成孔内失去了原来的稳定与平衡，加之钻进工艺条件的变化和影响，将会导致孔内各种复杂情况的出现，造成不同程度的塌、喷以及钻进中发生卡钻、埋钻等孔内事故。煤矿井下近水平钻孔钻进属于欠平衡钻进，没有静液柱压力护孔，各种流体会在钻进的同时涌入孔内，造成孔壁稳定性差，更易发生孔内事故。造成钻进中复杂情况的因素很多，主要是地质因素和技术工艺因素。

2.1地质因素

地层是由各种造岩矿物组成，矿物的化学成分和性质，直接影响着岩石的性质和地下水的化学成分，也决定着各种类型的岩层的物理性质和化学性质，如岩石的强度、硬度、弹性、塑性、脆性、水溶性、水化性等。钻进过程中出现的各种复杂情况与岩石性质密切相关，如均质的坚硬岩石，不会出现孔壁不稳定情况，而水溶，水化膨胀的岩石，往往出现钻孔的坍塌、孔壁不稳定情况。这是由于内动力地质作用和外动力地质作用使地层中存在着各种孔隙、裂隙和溶隙，并且在这些地层中，一般都存在流体和某些松软的固体堆积物或化学沉积物充填其中，当钻开地层时，就出现了上述的复杂情况。因此，应对钻进中的各种复杂情况，首先要了解复杂地层的岩层性质、地质成因以及赋存条件对钻进的影响。

（1）岩石的性质

钻进过程中，经常遇到松软地层，如粘土层，页岩层，盐岩层，石膏层等，这些岩层很容易分散溶解于水或泥浆中，当遇水以后会使孔壁溶蚀成不规则形状，孔壁垮塌等复杂情况，甚至导致严重的孔内埋钻、卡钻事故等。

某些岩石遇水后，易产生吸水膨胀、分散、崩解、剥落等现象。这类地层对水很敏感，称为“水敏性地层”，大部分含粘土矿物的岩石属此类。在此类中还包括有某些水溶性矿物胶结充填的地层，这类地层之所以有不同的水敏性，主要在于所含粘土矿物本身的类型、性质和含量多少，如含大量钠或钙蒙脱石矿物的松软地层，水敏性最强；如所含矿物以高岭石、伊利石为主的硬粘土岩，则水敏性较弱。

（2）地质构造

由于地质构造运动产生的压力、张力和剪力等作用，使岩层产生节理、裂隙、褶皱、断层和破碎带。钻遇此类地质构造带时，会造成不同情况的复杂现象。若遇有节理存在，可成为地质体水流的通道，可能造成钻孔较轻微的漏失，不返渣；对于破碎带，由于破碎带内岩石破碎松散，整体强度差，钻进时由于钻具的振动碰撞和冲洗液的冲刷作用，造成严重塌孔。钻遇褶皱时，钻孔常常偏斜，进入不了目的层，使钻孔报废。钻遇断层，特别是几组断层交叉处破碎且岩层倾角过大，则钻进时易造成严重漏失外，还伴随着发生严重的塌孔、掉块现象，从而造成严重孔内事故。

（3）地层含水、含压力瓦斯

空气钻进是一种有效的施工松软突出煤层顺层瓦斯抽采钻孔的方法，在煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工中得到了广泛应用。但在含水煤层钻进时，煤层内赋存的水会渗入孔内，使钻屑团聚，导致排渣困难，煤层中赋存水制约着空气钻进技术在局部含水煤層的应用。当钻开高压力瓦斯地层时，瓦斯压力瞬间释放，导致严重的塌孔、喷孔，处理不及时就会出现埋钻事故[2]。

2.2技术因素

钻进时孔内出现复杂情况，地质因素是主要的，是内因。但钻进工艺技术因素对孔内出现复杂情况也会产生重要影响，若技术措施合理，可防止和消除复杂情况的产生，若工艺技术处理不当，将会使钻孔复杂情况发生。因此，应当重视技术因素的作用。

（1）钻孔直径、深度、倾角及裸眼时间

随着钻孔直径的增大，孔壁的不稳定性也会增加，对于松散破碎的地层，孔壁的稳定性更差。一般来说，小口径钻孔比大口径钻孔孔壁稳定得多，大口径钻进容易带来孔内岩层不稳定而造成孔内复杂情况。因此，对于煤矿井下近水平钻孔，在满足瓦斯抽放要求的条件下，从提高孔壁稳定性和钻进效率方面考虑，应尽量选择小口径钻进。从钻孔深度来说，孔越深，孔壁不稳定因素越多，以致易发生塌孔或塑性变形。同时，孔越深，排渣阻力越大，孔内净化就越困难，易发埋钻事故。因此，在满足瓦斯抽采要求的情况下，宜设计较浅的抽采钻孔，以减少孔内事故和提高钻进效率。从钻孔倾角来说，上斜孔有利于排渣，孔内事故少，施工效率高，因此，瓦斯抽采钻孔应尽量多设计上斜钻孔。

钻孔的裸眼时间直接影响孔壁的稳定性，特别对于水敏性和松散破碎岩层更为突出。水敏性岩层不稳定有一个变化过程，裸眼浸泡时间越长，越易出现缩径卡钻事故。松散破碎岩层由于裸眼浸泡时间长会造成松散岩层垮塌的埋钻事故。因此，对不稳定的岩层，不论是力学的不稳定或遇水不稳定，都应尽量提高钻速，快速通过复杂层段成孔，并尽可能下入护孔管护孔，保持瓦斯抽采通道畅通。

（2）钻进工艺

钻进规程采用不当会导致孔内复杂情况的发生。钻进时若泵量过大，尤其是清水钻进，冲洗介质就会冲刷孔壁，造成塌孔、掉块。给进压力过大，钻速过高，可能带来排渣不及时，孔内净化差，发生埋钻事故。松软破碎地层、水敏性地层宜选用系统风或者空压机压风做钻进冲洗介质，较完整地层、较硬煤层钻进可选用静压水或泥浆泵压力水做冲洗介质。另外，煤矿井下这种短钻具、频繁加杆的钻进方式对排渣是不利的，特别是下斜孔钻进，因此，任何钻进和提钻操作都要以孔内净化完全为前提，以减少孔内事故的发生。

3钻孔过断层破碎带等复杂地层技术

3.1岩土工程领域断层破碎带等复杂地层钻掘技术

破碎带、断层和水敏性等复杂地层钻进与取样问题一直是地矿勘探、工程勘察和工程施工中的主要技术难题。目前，岩土钻掘工程领域处理断层破碎带等复杂地层的主要方法有：注浆法、冷冻法和潜孔锤跟管钻进、套管钻进等方法。

（1）注浆法

注浆法是钻遇断层破碎带时，利用液压、气压或其他动力，将具有流动性、凝胶性并在凝胶后具有抗渗透性及一定强度的液体状材料（注浆材料或浆液）均匀地压注到注浆介质内，岩土钻掘工程通常用一定配比的水泥浆注入充填断层破碎带，水泥凝固胶结松散充填物，从而改善注浆介质的物理力学性能，提高其整体强度和稳定性，再次下钻钻穿胶结凝固体直至成孔。注浆法是处理钻孔过断层破碎带的有效方法。

（2）冷冻法

冷冻法是通过钻孔将低温介质注入到松散地层，使地层低温固结，然后进行钻孔或者开挖，常用于隧道施工。此方法首先需要在准备冻结的地层中钻孔铺管，安装冻结器和盐水循环系统，然后利用人工制冷手段，以氨或氟里昂或其它物质作为制冷工质，经过制冷压缩机对制冷工质进行压缩，反复循环做功，将盐水（氯化钙溶液）降至负温（盐水的结冰点可以低至-38.6 ℃，故一般情况下都是使用鹽水作为冷量传媒），通过低温盐水在冷冻孔内循环，完成地层的热交换，带走地层热量，使地温逐渐下降并达到冰点，随着制冷的延续，结冰区逐渐发展，从而达到冻结局部岩土的目的，目前国内的冷冻法施工多用这种方法。

（3）潜孔锤跟管钻进

潜孔锤跟管钻进是采用空气或液动潜孔锤钻进成孔，同时套管随钻头跟入孔内。跟进的套管具有稳定孔壁和保护孔口的作用，而且钻进、排渣和护壁同时进行，可以很好地解决复杂地层钻进中护壁难的问题。

双回转跟管钻进是近十几年发展起来新技术，其基本方法是钻具和套管同时回转，同步跟进，使用低转速、大扭矩的套管驱动器来推进套管以切割地层，动力头同步地驱动带有潜孔锤或牙轮钻头或刮刀钻头的钻具。钻进时由两个动力头分别驱动钻杆和护壁套管回转，但彼此方向相反。

国内潜孔锤跟管钻进技术的研究始于上世纪70年代，主要有成都探矿工艺所的QG型跟管扩孔钻具，原长春地质学院探矿工程研究所的偏心扩孔跟管钻具等。80年代末期，中国地质科学院探矿工艺研究所最先开展潜孔锤跟管钻进技术的研究，90年代开始推广应用，在国内基础处理工程中得到了广泛应用，目前开发的产品有单偏心跟管、同心跟管、带导向的偏心跟管等钻具，在锚固孔、注浆孔等工程施工中被广泛使用。

3.2煤矿井下钻孔过断层破碎带等复杂地层技术

目前，由于煤矿井下环境和坑道钻机设备技术现状等因素影响，很多在岩土钻掘工程中过断层、破碎带和水敏性等复杂地层，成熟有效的成孔工艺技术和设备需要改进才能应用到煤矿井下。

注浆法钻孔过断层、破碎带，钻进配套设备复杂，注浆后必须侯凝，导致成孔周期长、效率低，不适应目前煤矿安全高效施工要求，在煤矿井下应用有一定限制。潜孔锤跟管钻速高，成孔率高，由于钻进工艺、钻孔设计和力学系统和地面垂直钻进系统的差异，目前实现煤矿井下潜孔锤跟管钻进有一定难度。

根据煤矿井下设备和钻探技术现状，对现有设备进行改造，配合套管钻进技术过断层、破碎带具有现实意义。井下套管钻进就是用取心钻头加岩心管套管钻进，钻进阻力增大时停钻，从套管中间下入小一级钻具破芯钻进，两者相互交替钻进直至成孔，成孔后套管留在孔内护壁。

4. 结语

随着生产规模扩大和开采深度不断增加，井下瓦斯抽采钻孔的钻探工程地质条件越来越复杂，打钻难成为复杂地层条件下瓦斯抽采的技术瓶颈。松软煤层、破碎煤层、断层和破碎带等地质异常带钻进时，排渣困难，孔眼净化差，造成卡钻、埋钻等孔内事故多，施工难度大，成孔率低，导致瓦斯抽采效率低，严重影响煤矿安全高效生产。因此，研究钻孔过破碎带等复杂地层技术与装备重要意义。

参考文献

[1]徐勇.钻探施工技术在复杂地层中的应用[J].世界有色金属，2018（14）：214-215.

[2]李平，童碧，许超.顶板复杂地层高位定向钻孔成孔工艺研究[J].煤田地质与勘探，2018，46（04）：197-201.

（作者单位：中煤科工集团西安研究院有限公司）