软硬互层煤岩体传统钻进工艺钻孔偏斜规律研究

程志恒，高浩斌，侯建军，王 恩，陈 亮

(1.华北科技学院 矿山安全学院，北京 东燕郊 065201；2.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201；3.新郑煤电有限责任公司，河南 新郑 451150)

0 引言

国内外学者目前通过研究已经建立了钻穴理论和气固耦合两相流理论等，并且考虑复杂的地层地质情况，以及施工工艺、钻入角度等建立了一系列的偏斜规律[1-4]。并且在渗透改造、技术与装备方面投入了较多时间，开展了大量研究研发工作，研制了履带式坑坑道钻机、全液压定向钻机、跨皮带履带钻机等多种钻进装备。开发了复合定向钻进、空气套管钻进和水力排渣钻进技术等多种钻进工艺技术。左永江[5]学者将EXCEL和ACAD相结合，对钻孔偏斜数据进行汇总处理并绘制出钻孔轨迹图，从而代替原始的手工计算。该方法操作简单快捷，自动处理数据，极大缩短工作时间以及消除传统软件功能单一的弊端。彭桥梁，李天虎，刘瑞[6]等发现钻孔的偏斜距离与钻孔直径、岩石劈理化发育程度、钻孔孔深和钻进工艺等因素密切相关，提出了沿勘探线移动孔位法、立轴扭转安装法、改变钻孔倾角法和选用适当的钻进工艺与合理的参数控制等措施，防止和纠正钻孔偏斜，提高效率，保证工程质量。付帅，吕平洋，王嘉鉴[7]等根据偏孔位置将钻孔分为四大类，分别为上偏、有效、下偏轨迹钻孔和偏向采空区钻孔。通过对比分析各类钻孔的瓦斯抽采效果，发现高位钻孔偏斜严重，采动影响所形成的裂隙为造成高位钻孔偏斜的主要因素。许彦鹏，樊阳洋，禹建功[8]对瓦斯抽采顺层钻孔的偏斜规律进行了研究，采用现场测试的方法，利用全方位钻孔测斜仪进行数据的采集与处理，采用均脚全距法计算偏移量，结合实际情况，分析得出顺层钻孔大多数发生偏斜，呈现出明显的向上偏斜趋势。李泉新[9]提出了采用复合定向与排渣钻进技术进行钻孔施工的方法，开发了泥浆脉冲随钻测量定向钻进技术，并结合定向钻机、泥浆泵、螺旋螺杆马达、异形钻杆、无磁钻杆、过滤钻杆、定向钻头、泥浆脉冲无线随钻测量系统等设备进行现场试验，为碎软煤层区域瓦斯抽采提供了新的技术手段。王依磊，郭志军[10]依据“三带”理论以及“O”形圈理论，优化高位定向钻孔工艺。刘春[11]建立了基于孔隙流体渗流的钻孔坍塌失效的线弹性模型，得出了松软煤层坍塌压力随瓦斯渗流的衰减规律，分析了煤层基本力学参数、流体渗流和钻孔轨迹的空间方位等因素对钻孔坍塌失效的影响，为松软岩层以及在煤层中钻孔偏斜提供理论支撑。张文辉，赵晓，张宜虎[12]等研究深度45～105 m的水平钻孔偏斜控制技术，建立了一套完整的能够控制钻孔偏斜的方法。通过选择稳定性好、有利于导向的钻孔机械，合理配置钻具，测斜紧跟钻进，及时掌握钻孔偏斜状况，做好钻机固定及钻孔倾角、方位角的定向，根据岩层条件变化适时调整钻进工艺参数等技术要点控制偏斜。虽然以上研究对钻孔偏斜控制提出了有效方法措施，但是总结得到的偏斜规律过于模糊，并未能对其偏斜规律做出定性定量的分析，在实际施工过程中依然只能依靠经验操作，无法大规模应用，由此还需要深入研究，尽量得到一个确切的规律，可以定性定量的反应出来，提高其实际应用效果，为此类矿井提供参考研究经验。

本文拟采用相似模拟的方法从实验室尺度上对钻孔的偏斜规律进行研究。根据具体的钻孔施工地质条件，在实验室搭建三维相似地质模型，针对不同影响因素(岩性、岩层倾角等)进行钻孔偏斜规律的相似模拟实验，研究钻孔在不同岩性岩层、不同钻进速度、不同倾角岩层中的偏斜特征和钻孔轨迹，研究不同钻进速度、不同应力等条件下的钻孔偏斜规律。

1 软硬互层条件下瓦斯抽采钻孔偏斜相似模拟实验研究

1.1 软硬互层

当钻孔以小于90°的角度从软岩穿过硬岩时，二者抵抗破碎阻力的大小不同，就会使钻孔的轨迹向岩层层面的法线方向弯曲。当从钻孔从硬岩穿过软岩时，钻具的轴线会逐步远离岩层层面的垂直方向，但是，硬岩的孔壁较硬又会限制钻孔内钻具的偏移，因此钻孔的轨迹并不会有大的变化，仍会沿着原本的方向前进；当钻孔在软硬互层中不断往返时，特别是由硬到软再到硬，钻孔轨迹仍然会沿着硬岩层面的垂直方向偏移。定向钻进时，钻孔轴线的切线和地层层面的垂直投影之间的夹角有一个临界值，当大于临界值的时候，出现顶层进现象；夹角小于临界值的时候，钻孔会表现为顺层跑，即钻孔轨迹会顺着硬岩层面滑下。钻头的类型和岩性会影响临界值，一般为20°～30°。

钻头以锐角穿过硬岩层面时有如下的力学关系(如图1所示)。

图1 平底钻头底唇阻力分布及倾倒力矩计算图

不同岩性的岩层对钻头的反作用力也存在一定差异。由于不同的岩石对钻头切削齿的反作用不同，钻具便会发生偏移，进而使倾倒力矩不同。此倾倒力矩可用力矩元微分方程求出：

dMc=σB·x·dF-σA·x·dF

=(σB-σA)·x·dF

(5)

式中，Mc为作用于平底钻头底唇上的倾倒力矩，Nm；σB为硬岩抗压入阻力，N/m2；σA为软岩抗压入阻力，N/m2；x为从坐标原点到面积元的距离，m；dF为面积元，m2。

将式(5)进行定积分，并考虑到σB-σA=constant，得到：

(6)

由此可得：

(7)

式中，R为平底钻头半径，m；ξ为孔底软、硬岩层接触面的x坐标，m。

式(7)表明，倾倒力矩越大则软、硬岩层的阻力差越大，二者成正比。当ξ=0时，软、硬岩层的界面正好通过钻头的中央，则倾倒力矩最大。

1.2 实验原型

(1) 煤层情况

新郑煤电有限责任公司位于郑州市南约40 km，京广铁路线西侧的新郑市西部，行政隶属新郑市的城关镇、辛店镇和新密市的大隗镇。煤质太软，难以成孔，易导致钻孔偏斜。

(2) 试验工作面概况

试验以新郑煤电有限责任公司14205工作面为平面试验原型，14205工作面主采山西组底部二1煤层，硫份含量小于1%，水分含量0.96%，发热量29.3～30.27 MJ/kg。

现场施工钻机为ZDY-4000LQ履带式钻机，选用刻槽式钻杆，直径为94 mm，转速为130～160 r/min，给进压力合理范围为60～80 kN，钻进速度与软硬岩相关。

该工作面附近外分别有‘3-1、3-补11、403、401、5-补16’五个钻孔穿过二1煤，见煤点厚度分别为1.56 m、1.84 m、4.85 m、14.19 m、14.96 m，结合14205底抽巷探测资料，共选用68个探煤点，煤厚0.5～12 m，平均厚度4.6 m，煤层自东向西呈厚-薄-厚趋势，下切口附近煤层最薄，煤厚0.5 m；煤层整体产状:207°～ 254°∠0°～ 11°。地面标高为+134.9～+137.2 m，工作面标高为-152.0～-193.0 m，工作面倾斜长为187 m，走向推进长度为668 m，煤层倾角为0°～11°，煤厚为0.5～12 m，底抽巷距煤层12～15 m。模型几何尺寸为2.4 m×0.5 m×2.7 m，模型线比为1：20，模拟采深为190 m，采用液压加载的方法来模拟岩层质量。

表1 各岩层物理力学参数

1.3 相似条件确定

本文中，C表示原型(P)和模型(M)之间相同的物理参数之间的比值，并将其称为相似比率。长度为L，位移为δ，应力为σ，应变为ε，抗压强度为σc，泊松比为μ，弹性模量为E。

相似比包括几何、应力、变形相似等。采用应力相似时，实际生产中，应力大约在15～25 MPa，实验中应力3～5 MPa，相似比为5，故相似比Cσ=5，即弹性模量相似比CE与抗压强度相似比Cσc相等都为5。

本次试验采用参数：

(1) 几何相似

(8)

式中，αL为原型与模型的几何相似比；Lp为原型的广义长度；Lm为模型的广义长度；此次试验，取αL=20。

(2) 容重比

(9)

式中，αγ为原型与模型的容重比；γp为原型岩层的平均密度，取2.5 g/cm3；γp为模型材料的平均密度，一般在1.5～1.8 g/cm3较合适，密度过大则击实困难，过小则模型容易松散不成型，影响效果。本模型中取γm=1.5 g/cm3。

此次试验，取αγ=1.67

(3) 模型上方需要加载的载荷应为按下式进行计算：

αz=γh

(10)

式中，αz为原型自重应力，MPa；γ为岩石容重，N/m3；h为巷道埋深，m；设埋深为190 m，则可算出实际现场所受的载荷为：

αz=γh=2.5×103×9.8×(190-30)=3.92 MPa

则相似模拟的试验模型需要补偿的载荷为：

则模拟岩层的上方应该施加的力为：

F=σmS=0.118×106×0.5×2.4=141.6 kN

由于设备的限制，3个液压千斤顶，因此每个千斤顶所需要加载的压力为：47.2 kN。

1.4 相似模型试验

1.4.1 相似模型试验平台的搭建

试验以新郑煤电有限责任公司14205工作面为平面试验原型，地面标高为+134.9～+137.2 m，工作面标高为-152.0～-193.0 m，工作面倾斜长为187 m，走向推进长度为668 m，煤层倾角为0°～11°，煤厚为0.5～12 m，底抽巷距煤层12～15 m。模型几何尺寸为2.4 m×0.5 m×2.7 m，模型线比为1：20，模拟采深为190 m。

(1) 相似材料密封系统。构建了可实现最大几何尺寸为2.4 m×0.5 m×2.7 m(长宽高)的相似模型。

(2) 力学加载系统。使用三轴加载液压机来模拟力学加载。分别为垂直液压加载、水平宽度方向液压加载、水平长度方向限制变形加载。垂直加载液压缸最大工作压力25 MPa；水平加载液压缸呈对称加载，最大工作压力16.7 MPa。液压机配备液压及电器控制系统，控制精度为1%，保压时间不小于10 d，保压控制精度为1.5%。液压机刚度大于30 N·m，则可在试验时对相似材料进行保护。为了避免垂直液压加载设备的重量对材料造成毁坏，可使用自锁卸载设计。

(3) 模拟巷道。研制了断面边长0.15～0.2 m 的正方形模拟巷道，通过可调节支架、转弯管道，可模拟水平面25°、50°、75°不同角度钻进，也可模拟沿不同地层的钻进过程或模拟采用不同功率钻进过程。

(4) 监测系统。采用超声波检测方式，进行钻孔轨迹的重构，可实现数据采集、处理等功能。

(5) 使用市面上所能够买到的一种手电钻，将该电钻插在“电子调压调速器”上，通过旋钮控制设置即可控制转速；电钻上有可控制旋钮，能控制扭矩。使用不同的钻头，钻杆长度有不同，钻杆长度范围6～37 mm，也可使用加长杆进行延长，钻杆与加长杆之间采用螺纹连接，属于刚性连接，钻进过程中利用手持式钻机进行钻进，转速选用80～200 r/min。

考虑之前的三个主要因素：地质因素主要是通过相似模拟台的搭建，最大程度符合原地层特征；技术因素则主要靠选取钻进设备进行考虑；人为因素则主要结合井下情况，有针对性的进行合理选择。

图2 可调速手电钻

图3 连接杆

1.4.2 相似模拟试验过程

模型试验台由框架系统、加载系统和测试系统构成。4个边界均布置有压头，模型中二1号煤底板下开挖出底抽巷，模型加载由双向加载系统和弹簧组水压加载系统完成。试验台如图4所示。图5为局部放大示意图。

图4 相似模拟试验台

图5 局部放大示意图

2 钻孔轨迹偏斜规律相似模拟试验结果分析

2.1 不同岩性条件下钻孔偏斜规律

在钻孔钻进的过程中，存在不同的岩性，当钻进不同地层时，记录钻进不同岩层时，钻孔轨迹曲率变化情况。

由图6可以看出，在钻进不同岩层的过程中，瓦斯钻孔曲率均随着钻进距离的增加而增加，在煤层中钻进过程时，钻孔的曲率变化较小，在砂岩中钻进过程中，钻孔的曲率变化相对较大，而在灰岩钻进过程中，钻孔曲率变化达到最大。本文结合《工程岩体分级标准》中软、硬岩的饱和单轴抗压强度，从岩层的承载能力和破坏形式两个角度给出软硬岩的判别标准：硬岩抗压强度σc≥30 MPa，其全应力-应变曲线呈现明显的峰后应力跌落，瞬时性明显；软岩的抗压强度σc<30 MPa，其全应力-应变曲线未出现明显的峰后应力跌落，而是缓慢降低，时效性明显。钻孔的偏斜与岩性密切相关，当岩性较软时，发生偏斜程度不大，当岩性较硬时，发生偏斜的程度就会相对较大。

图6 钻进不同岩层轨迹曲率变化图

2.2 不同钻进速度条件下钻孔偏斜规律

在钻孔钻进的过程中，会有不同的钻进速度，当钻进相同地层时，记录在不同的钻进速度下，钻孔轨迹曲率变化情况。

由图7可以看出，在钻进相同岩层的过程中，瓦斯钻孔曲率均随着钻进距离的增加而增加，以较小速度钻进过程时，钻孔的曲率变化较大，提高钻速钻进过程中，钻孔的曲率变化相对较小，而当再次提高钻速钻进时，钻孔曲率变化达到最小。钻孔的偏斜与钻速密切相关，当钻速较小时，此时钻进过程中，容易发生偏斜，发生偏斜程度相对较大，当钻速逐渐变大时，发生偏斜的程度就会相对较小。

表2 试验钻进情况

图7 不同转进速度轨迹曲率变化图

结合图8可以看出，随着转速的增大，钻进速度也在不断增大，但是在中硬、研磨性强的岩层中钻进时(曲线l)，初始逼近曲线Ⅱ，但钻速随着转速变快而增加的速率较为缓慢，当超过某个极限转速n0后(n0的大小由岩层、压力切削具形状决定)，钻速vm还有下降的趋势，因此要控制钻进速度在合理范围，保持钻压在5～7 MPa之间。

图8 不同转速下钻进速度变化图

2.3 不同钻进角度条件下钻孔偏斜规律

在钻孔钻进的过程中，会有不同的钻进角度，当钻进相同地层时，记录在不同的钻进角度下，钻孔轨迹曲率变化情况。

由图9可以看出，以不同角度钻进相同岩层的过程中，瓦斯钻孔曲率均随着钻进距离的增加而增加，以较小角度钻进过程时，钻孔的曲率变化较大，增大钻进角度钻进过程中，钻孔的曲率变化相对较小，而当再次增大钻速钻进时，钻孔曲率变化达到最小。钻孔的偏斜与钻进角度密切相关，当钻进角度较小时，此时钻进过程中，容易发生偏斜，发生偏斜程度相对较大，当钻进角度逐渐变大时，发生偏斜的程度就会相对较小。

由图10可以看出，在不同角度钻进的过程中，当遇层角锐角小于γ角时，钻孔将沿着层面倾斜，当遇层角锐角大于γ角时，朝着垂直于层面方向弯曲。根据所在研究相似模拟实验，得到γ角主要在25°～35°，因此，针对现场设计方案，合理进行布置。

图9 不同钻进角度轨迹曲率变化图

图10 不同钻进角度轨迹变化图

由图11得到：

设计角度α小于临界角γ：偏斜度η1=(0.573±0.067)·e-(α/7.8346±0.8056)+1.04±0.006

设计角度α大于临界角γ：偏斜度η2=(0.817±0.091)·e-(α/23.286±2.141)+1.02±0.007

图11 偏斜度与角度变化图

3 结论

(1) 钻孔的偏斜与岩性密切相关，当岩性较软时，发生偏斜程度不大，当岩性较硬时，发生偏斜的程度就会相对较大。

(2) 当以不同钻进速度钻进相同地层时，在一定范围内，速度越大，钻进轨迹偏斜程度越小。但要控制钻压保持在5～7 MPa之间，避免钻头过度磨损。

(3) 当以不同倾角钻进岩层的过程中，瓦斯治理钻孔发生偏斜的程度存在一定的差异，一般情况下，当倾角小于临界角时，倾角普遍下偏，其偏斜度表达式为：

η1=(0.573±0.067)·e-(α/7.8346±0.8056)+1.04±0.006，

当倾角大于临界角时，倾角普遍上偏，倾角越接近90°时，偏斜程度越小，其偏斜度表达式为：η2=(0.817±0.091)·e-(α/23.286±2.141)+1.02±0.007。