桑向陽(yáng)，賈建稱(chēng)，賈 茜，張平卿，宣孝忠，吳 艷，董敏濤

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南平頂山 467099；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；3.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710054)

碎軟低滲煤層是原生結(jié)構(gòu)被破壞而柔弱得使瓦斯很難通過(guò)的層狀煤體[1]。我國(guó)碎軟低滲煤層賦存層位多，分布面積占煤礦區(qū)煤儲(chǔ)層面積的82%，其中瓦斯資源潛力占全國(guó)煤層氣地質(zhì)資源量的72%[2]。占全國(guó)煤礦數(shù)量26.7%的高瓦斯和突出礦井中[3]，有92.3%的煤礦位于碎軟低滲煤層區(qū)，因此碎軟低滲煤層是煤與瓦斯突出不可或缺的地質(zhì)條件。為了加強(qiáng)防治煤與瓦斯突出工作，預(yù)防煤礦事故，保障從業(yè)人員生命安全，煤炭企業(yè)按照“一礦一策、一面一策”要求[4]，研發(fā)出本煤層瓦斯抽采、鄰近層瓦斯抽采、采空區(qū)瓦斯抽采、圍巖瓦斯抽采方法；根據(jù)煤層賦存條件、瓦斯地質(zhì)條件、巷道布置、瓦斯抽采條件，構(gòu)建了地面水平井、地面直井，井下順層鉆孔、以孔代巷長(zhǎng)鉆孔、頂?shù)装迨釥钽@孔、穿層鉆孔、孔巷聯(lián)合等抽采技術(shù)。無(wú)疑，穿層鉆孔預(yù)抽碎軟較難抽采單一突出煤層瓦斯是區(qū)域防突措施的有效技術(shù)[5]。然而，碎軟煤層內(nèi)構(gòu)造薄弱面發(fā)育、煤質(zhì)酥松軟弱、力學(xué)強(qiáng)度低，穿層鉆進(jìn)孔壁穩(wěn)定性差、容易發(fā)生噴孔、卡鉆、夾鉆、塌孔、埋鉆等孔內(nèi)事故，成孔率低；鉆孔軌跡難以控制，可能遺留瓦斯預(yù)抽空白區(qū)；同時(shí)留給孔中測(cè)井的時(shí)間短，也給煤層形態(tài)恢復(fù)和隱伏致災(zāi)因素精準(zhǔn)還原帶來(lái)較大困難。如何在短時(shí)間內(nèi)精準(zhǔn)測(cè)量上向穿層鉆孔軌跡，事關(guān)瓦斯均勻抽采和煤礦隱伏致災(zāi)因素精細(xì)探測(cè)。本文以平煤股份十三礦己15-17-11110工作面中間低抽巷為例，運(yùn)用側(cè)向電阻率視頻成像測(cè)井技術(shù)，對(duì)上向穿層瓦斯預(yù)抽鉆孔進(jìn)行孔中測(cè)控，以期通過(guò)研究鉆孔坍塌的時(shí)間規(guī)律，探索鉆后測(cè)井方式與測(cè)井參數(shù)選擇，以及孔中測(cè)井信息的地質(zhì)解釋方法。

1 工程地質(zhì)背景

平煤股份十三礦位于平頂山市北東17km、襄城縣西北9km處，面積53.64km2，核定生產(chǎn)能力2.1Mt/a。礦井采用立井-斜井分兩個(gè)水平混合開(kāi)拓，采區(qū)上、下山開(kāi)采，走向長(zhǎng)壁采煤方法，綜采工藝，一次采全高，全部陷落法管理頂板。

井田主要含煤地層為下二疊統(tǒng)山西組，其次有下二疊統(tǒng)下石盒子組、上二疊統(tǒng)上石盒子組。其中，山西組下部己15煤層、己16-17煤層為礦井首采煤層，下石盒子組中下部戊8煤層、上石盒子組下部乙2煤層為主要可采煤層。

己15煤層和己16-17煤層下距太原組下部庚20煤層78～105m，上距戊8煤層170m左右，厚度2.12～7.76m，一般5～7m，平均5.88m，埋深175～1 000m。煤層頂板為灰白色中細(xì)粒石英砂巖夾深灰色薄層泥巖(標(biāo)3)，底板為灰色中細(xì)粒石英砂巖夾深灰色(砂質(zhì))泥巖(標(biāo)2)。該煤層在井田東部和西部合并，中部分叉[6]。東部煤層合并區(qū)的構(gòu)造煤呈“碎裂煤-碎粒煤+糜棱煤-碎裂煤”方式疊加，分布受褶皺控制；中西部構(gòu)造煤與脆性斷層伴生，分布不穩(wěn)定，局部順層發(fā)育[7]。煤的普氏系數(shù)0.32～0.97，以小于0.5為主；煤層瓦斯含量4.47～18.71m3/t，平均10.24 m3/t；瓦斯壓力0.2～3.6MPa，平均1.76 MPa；瓦斯放散初速度4.5～14.0mL/s，以大于10mL/s為主；煤體透氣性系數(shù)為0.004～0.024m2/MPa2.d，屬于較難抽放煤層。自礦井投產(chǎn)以來(lái)該煤層曾發(fā)生多起煤與瓦斯突出動(dòng)力現(xiàn)象。因此，該礦己15煤層和己16-17煤層屬于單一碎軟低透氣性突出煤層。

己15-17-11110工作面位于井田東部己15煤層和己16-17煤層合并區(qū)，為礦井己15-17-11111工作面之西延部分，東至己15-17-11111工作面停采線(xiàn)，南以己15-17-11111采面機(jī)巷與己15-17-11131待采面相鄰，西抵己15-17-11111采面皮帶下山，北鄰己15-17-11092采空區(qū)，平面形態(tài)為不規(guī)則四邊形(圖1)。工作面煤層厚度1.17～9.8m，平均4.19m。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，走向118°，傾向南西，傾角17°，埋深555～600m。

11110工作面中間低抽巷位于己15-17-11110工作面中部下方8.5～16.6m，走向 104°，斷面形態(tài)為直墻半圓拱形，中心高度3 300mm，底部寬度4 800mm，剖面起伏不平，水平投影長(zhǎng)度413m，鉆遇地層為煤層底板灰色中細(xì)粒石英砂巖夾深灰色砂質(zhì)泥巖、己15-17煤層、至煤層頂板砂質(zhì)泥巖2m以上(圖2)。上向穿層鉆孔沿中間低抽巷中部分組布置，每組設(shè)計(jì)10個(gè)鉆孔，孔徑94mm，傾角依次為1°、11°、26°、48°、74°、81°、61°、48°、39°、32°，呈扇形排列，扇面垂直于巷道走向，單孔深度16～68m，孔組間距6～6.4m。用4臺(tái)鉆機(jī)分段同時(shí)施工，裸孔無(wú)心鉆進(jìn)[8]。

圖2 低抽巷鉆遇煤巖層柱狀圖Figure 2 Floor drainage road intersected coal and rock column

己15-17-11110綜采面周邊煤、巖巷道揭露斷(層)點(diǎn)10個(gè)(圖1，表1)。

表1 巷道實(shí)見(jiàn)斷層點(diǎn)特征Table 1 Roadway actual encountered faulted point features

圖1 己15-17-11110綜采面中間低抽巷位置與斷點(diǎn)分布Figure 1 Sixth15-17-11110 fully mechanized working face middle floor drainage road position and faulted points distribution

2 上向穿層鉆孔測(cè)井儀器與測(cè)井方式選擇

2.1 上向穿層鉆孔測(cè)井儀器選取

煤田測(cè)井是使用專(zhuān)業(yè)化儀器在鉆孔中探測(cè)煤、巖層地球物理參數(shù)，根此變化特征來(lái)劃分煤、巖層，確定它們的厚度、賦存深度、空間形態(tài)，判斷煤質(zhì)、煤層結(jié)構(gòu)、含煤巖系沉積環(huán)境，分析巖體力學(xué)強(qiáng)度等的可信手段，也是礦井地質(zhì)異常體探測(cè)、區(qū)域瓦斯抽采工程檢測(cè)、透明礦井構(gòu)建的主要地質(zhì)保障手段。以往的煤田測(cè)井常在直孔或下向鉆孔中依靠探頭重力比較容易地探測(cè)煤巖體的物性參數(shù)。上向鉆孔測(cè)井需要利用推桿和扶正器將探頭緩慢勻速地輸送到鉆孔中進(jìn)行測(cè)試，以往測(cè)井儀器的集成度不高，多是測(cè)試一種測(cè)井參數(shù)后，取出儀器再測(cè)試另一種物性參數(shù)。碎軟煤層區(qū)鉆孔成孔到孔壁塌陷之間的時(shí)間短，不允許在一口鉆孔中多次測(cè)井。徐州瑞拓勘探技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司研制的YZD18.5礦用側(cè)向電阻率視頻成像測(cè)井分析儀采用“一次、同步、連測(cè)”的數(shù)據(jù)快速采集方式，探頭高度集成自然伽馬測(cè)井、視電阻率測(cè)井、自然電位測(cè)井、高分辨率視頻成像、孔跡測(cè)斜、鉆孔測(cè)深等模塊，探測(cè)數(shù)據(jù)一體化同步采集，采集頻率8點(diǎn)/s；主機(jī)處理系統(tǒng)采用數(shù)/模光電隔離技術(shù)，雙核設(shè)計(jì)、雙真彩液晶屏顯示、隨測(cè)即顯；軟件處理與分析系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)孔斜自動(dòng)計(jì)算、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)定量轉(zhuǎn)換與圖像自動(dòng)生成(圖3)。因此，該儀器不僅能夠?qū)ι舷虼油咚钩椴摄@孔軌跡、終孔位置、鉆孔姿態(tài)進(jìn)行復(fù)測(cè)[8]，還可同時(shí)測(cè)試煤、巖體的自然伽馬、自然電位、視電阻率、視頻成像參數(shù)，實(shí)現(xiàn)煤、巖層綜合精細(xì)解釋和精準(zhǔn)成圖。

圖3 軟件分析與自動(dòng)成圖系統(tǒng)工作流程Figure 3 Workflow diagram of software analysis and automatic mapping system

2.2 上向穿層鉆孔塌孔時(shí)間分析

碎軟煤層區(qū)上向穿層鉆進(jìn)更容易發(fā)生卡鉆、塌孔等事故，留給測(cè)井的時(shí)間很短，因此研究上向穿層鉆孔完孔到自然塌孔的時(shí)間(簡(jiǎn)稱(chēng)塌孔時(shí)間，下同)是分析鉆孔可測(cè)性、確定測(cè)井方式的重要內(nèi)容。低抽巷上向穿層鉆孔孔壁穩(wěn)定性受巷道圍巖應(yīng)力分布、鉆孔二次應(yīng)力疊加狀態(tài)、煤層厚度與產(chǎn)狀、煤體結(jié)構(gòu)、煤巖力學(xué)性質(zhì)、鉆孔傾角、地應(yīng)力、鉆進(jìn)擾動(dòng)強(qiáng)度、煤體含水量、鉆探工藝等影響[9-14]，塌孔時(shí)間變化較大。統(tǒng)計(jì)己15-17-11110綜采面中間低抽巷31個(gè)測(cè)試實(shí)驗(yàn)鉆孔的塌孔時(shí)間發(fā)現(xiàn)，在同樣施工技能和正常鉆進(jìn)條件下，塌孔時(shí)間與煤層厚度及其變化程度、鉆孔傾角密切相關(guān)。煤層厚度大于5m的區(qū)域，或者煤層厚度突變處不僅容易發(fā)生噴孔，而且塌孔時(shí)間較短，為24～34min，裸眼測(cè)井要么測(cè)不到煤層即塌孔，要么測(cè)不到煤層頂板就塌孔；煤層厚度5m以?xún)?nèi)區(qū)域，塌孔時(shí)間為42～79min，并且煤層厚度越小，塌孔時(shí)間就越長(zhǎng)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是工作面內(nèi)厚度小的煤層，煤體受有效應(yīng)力就越大，煤的堅(jiān)固性系數(shù)較高，塌孔時(shí)間就越長(zhǎng)。鉆孔傾角對(duì)塌孔時(shí)間的影響在煤層厚度大于5m且變化不大的區(qū)域比較敏感，表現(xiàn)為鉆孔傾角與煤層夾角越小，鉆遇煤層段就越長(zhǎng)，塌孔時(shí)間越短(圖4)。原因是鉆孔傾角與煤層夾角越小，孔壁周?chē)簬r體塑性區(qū)越靠近孔壁，且范圍隨之減小，煤體越易受到破壞[14]。

圖4 鉆孔傾角與塌孔時(shí)間關(guān)系Figure 4 Relationship between borehole dip angle and collapse time

2.3 測(cè)井方式選擇

11110工作面中間低抽巷上向抽采瓦斯抽采孔施工流程是打鉆成孔→沖孔→下PVC護(hù)管→聯(lián)網(wǎng)。打鉆用時(shí)3～5h/孔，沖孔率1t/m.coal，下護(hù)管11～19min，然后很快將護(hù)管集中連接到瓦斯抽采管網(wǎng)上。YZD18.5礦用側(cè)向電阻率視頻成像測(cè)井分析儀在井下孔中測(cè)井分四個(gè)階段：測(cè)試準(zhǔn)備階段的主要工作是井下檢查與安裝調(diào)試儀器，用時(shí)8min，可在完鉆前進(jìn)行；測(cè)試階段的主要工作是送探頭和進(jìn)連桿測(cè)井，用時(shí)10～45min，鉆孔越淺則用時(shí)越短，鉆孔越深則用時(shí)越長(zhǎng)；結(jié)尾階段的工作是取出探頭和連桿，用時(shí)9～11min，盡管與鉆孔深度有關(guān)，但相差無(wú)幾；結(jié)束階段的主要工作是收裝儀器和配件，用時(shí)14min。因此，一個(gè)上向孔測(cè)井用時(shí)41～78min(表2)。

表2 上向孔測(cè)井用時(shí)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of upward crossing borehole logging times

測(cè)井的測(cè)試階段與收尾階段影響下一個(gè)鉆孔施工，采取裸眼測(cè)井(沖孔或下護(hù)管之前測(cè)井)還是隔管測(cè)井(下護(hù)管之后測(cè)井)，取決于鉆孔塌陷時(shí)間和測(cè)井的測(cè)試階段與收尾階段用時(shí)。對(duì)比分析區(qū)內(nèi)8個(gè)鉆孔的裸眼測(cè)井和隔管測(cè)井參數(shù)變化發(fā)現(xiàn)，同樣是鉆后測(cè)井，裸眼測(cè)井可同時(shí)測(cè)量煤、巖層的自然伽馬、視電阻率和自然電位等參數(shù)。由于護(hù)管阻斷了含水介質(zhì)與探頭之間的聯(lián)系，隔管測(cè)井的視電阻率值和自然電位值無(wú)響應(yīng)(圖5)，而獲得煤層段的自然伽馬值與裸眼測(cè)井的完全吻合(圖6)，結(jié)合視頻成像和鉆機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)(手感推進(jìn)力、回轉(zhuǎn)器主軸轉(zhuǎn)速、鉆進(jìn)速率)能夠?qū)γ?、巖層進(jìn)行精細(xì)解釋。因此，如果成(沖)孔后塌孔時(shí)間允許裸眼測(cè)井，則裸眼測(cè)井；如果成孔后塌孔時(shí)間不允許裸眼測(cè)井，則采取隔管測(cè)井。

圖5 裸眼測(cè)井與隔管測(cè)井的視電阻率(左)和自然電位(右)曲線(xiàn)對(duì)比(Z5-3-4鉆孔)Figure 5 Comparison of curves from naked borehole logging and cased borehole logging apparent resistivities (left)and natural potentials (right)(borehole Z5-3-4)

圖6 裸眼測(cè)井與隔管測(cè)井的自然伽馬曲線(xiàn)對(duì)比(Z5-3-4孔)Figure 6 Comparison of natural gamma ray curves from naked borehole logging and cased borehole logging (borehole Z5-3-4)hole

按照“下管抽采瓦斯為主、確保儀器安全”的要求，結(jié)合前節(jié)分析，工作面內(nèi)煤層厚度5m以上的區(qū)域和煤層厚度突變地帶的鉆孔只能采取隔管測(cè)井，而煤層厚度小于5m的區(qū)域可采取裸孔測(cè)井。據(jù)此，在己15-17-11110綜采面中間低抽巷對(duì)193個(gè)瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行了測(cè)井，其中有27個(gè)鉆孔為裸孔測(cè)井，其余鉆孔采取隔管測(cè)井。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 鉆孔軌跡精準(zhǔn)測(cè)控

鉆孔軌跡校正結(jié)果表明，中間低抽巷內(nèi)所有鉆孔的實(shí)際軌跡和深度與設(shè)計(jì)和鉆探工程控制的不盡一致：實(shí)際鉆孔軌跡向扇面中心偏差2°～6°，141個(gè)單孔的孔深比鉆探控制的平均小1.83m；實(shí)際控制的煤巷條帶寬度比設(shè)計(jì)的窄1.20m[8]。本次施工的鉆孔無(wú)串孔或大偏離孔，為瓦斯均勻抽采夯實(shí)了基礎(chǔ)。

3.2 煤層形態(tài)恢復(fù)

查明煤層厚度與賦存形態(tài)是煤炭地質(zhì)勘查工作的基本要求，也是礦井設(shè)計(jì)與安全生產(chǎn)的地質(zhì)依據(jù)。測(cè)井曲線(xiàn)解釋煤與非煤巖層的理論基礎(chǔ)是相同時(shí)代、相似環(huán)境下形成的煤、巖層具有各自相近的物性特征，包括曲線(xiàn)幅值、形態(tài)及組合特征；縱向上，不同巖層具有不同的物性。研究區(qū)己15-17-11110中間低抽巷上向穿層鉆孔為淺孔，己15-17煤層位于標(biāo)2和標(biāo)3之間，鉆孔涉及的煤系層序比較穩(wěn)定。統(tǒng)計(jì)測(cè)量孔的煤、巖層測(cè)井參數(shù)(表3)表明，己15-17煤層的自然伽馬為低值，曲線(xiàn)呈中等幅值箱狀，與圍巖呈突變接觸(圖6)；視電阻率峰值最高，變化幅度最大，曲線(xiàn)形態(tài)呈指狀；自然電位值變化較大，為弱的負(fù)異常，曲線(xiàn)形態(tài)呈指狀，總體為箱形(圖5)。

表3 己15-17-11110中間低抽巷穿層鉆孔煤巖層測(cè)井參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of Sixth15-17-11110 working face middle floor drainage road crossing borehole coal and rock logging parameters

在單孔綜合解釋基礎(chǔ)上，對(duì)工作面內(nèi)己15-17煤層特征和層位進(jìn)行孔間對(duì)比來(lái)展伸，得到煤層厚度等值線(xiàn)圖。經(jīng)鉆孔軌跡校正和孔中測(cè)井解釋預(yù)測(cè)的煤層厚度與回采揭露的煤層厚度等值線(xiàn)圖之間的面積吻合率大于94.4%(圖7)。

圖7 煤層厚度和斷層探采對(duì)比Figure 7 Comparison of coal seam thicknesses and faults from exploration and mining information

3.3 煤層脆性斷層識(shí)別

脆性斷層(簡(jiǎn)稱(chēng)斷層)是煤巖體沿破裂面兩側(cè)發(fā)生相對(duì)位移的產(chǎn)物。作為地質(zhì)體中的不連續(xù)面，斷層影響采區(qū)合理劃分和工作面高效生產(chǎn)，增加巷道掘巖率和無(wú)效進(jìn)尺、造成支護(hù)和頂板管理困難，是發(fā)生冒頂、透水與瓦斯事故的基本地質(zhì)條件。因此，中小型斷層的探查歷來(lái)是煤礦地質(zhì)保障工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

利用己15-17-11110中間低抽巷穿層瓦斯抽采扇形孔組地質(zhì)信息判斷煤層斷層的方法是：

1)煤層產(chǎn)狀發(fā)生顯著變化，煤、巖層層序異常部位。

2)走向或斜向逆斷層造成煤、巖層重復(fù)，同一鉆孔多次穿過(guò)同一煤層。

3)走向或斜向正斷層造成煤、巖層缺失，相鄰多個(gè)鉆孔遇不到同一煤層，或?yàn)槊簩禹敯鍘r石。

4)近距離內(nèi)同一煤層厚度或煤層底板等高線(xiàn)發(fā)生突變。

5)鉆遇煤層容易卡鉆、瓦斯噴出、煤與瓦斯突出、鉆孔水異常涌入。

以巷道斷點(diǎn)幾何特征為基礎(chǔ)，按照斷層趨勢(shì)產(chǎn)狀和煤層厚度變化特點(diǎn)，采用幾何作圖法在己15-17-11110工作面預(yù)測(cè)斷層3條(圖8)。其中，f2-F7斷層是低抽巷F1-F4斷層在己15-17-11110工作面的上延部分，為斜向逆斷層，穿過(guò)工作面，被F5斷層切割，是造成工作面西部己15-17煤層疊加或重復(fù)而厚度異常的主要原因。東部F9斷層是己15-17-11111工作面高抽巷F8斷層的下延段，為走向逆斷層，西部被F5斷層切割，是造成工作面東部己15-17煤層重復(fù)而厚度異常的根本原因。F5斷層位于己15-17-11110工作面中東部，為f1斷層向工作面的上延部分，東南側(cè)止于己15-17-11110綜采面機(jī)巷，向西北規(guī)模有所增大，屬于斜向正斷層，形成時(shí)間較f2-F7斷層和F9斷層稍晚。F2斷層、F6斷層為煤層斷層，局部發(fā)育，規(guī)模小。低抽巷F3逆斷層未上延至煤層。

區(qū)內(nèi)脆性斷層預(yù)測(cè)成果被工作面回采工程所證實(shí)是準(zhǔn)確的。

4 結(jié)論與建議

1)碎軟較難抽采煤層區(qū)巖巷上向穿層鉆進(jìn)很容易發(fā)生孔內(nèi)事故和軌跡偏離，應(yīng)用側(cè)向電阻率視頻成像測(cè)井技術(shù)既可以對(duì)孔中軌跡進(jìn)行精準(zhǔn)校正，同時(shí)能夠?qū)γ簬r層進(jìn)行精細(xì)解釋和精準(zhǔn)對(duì)比。

2)高瓦斯突出礦井中穿層瓦斯抽采孔測(cè)井方式有裸眼測(cè)井和隔管測(cè)井，在鉆孔塌陷時(shí)間不允許裸眼測(cè)井時(shí)，隔管測(cè)井獲取的自然伽馬值及其曲線(xiàn)可以作為煤、巖層精準(zhǔn)解釋的可靠依據(jù)。

3)利用煤層厚度等高線(xiàn)變異、煤層缺失或重復(fù)和煤、巖巷斷點(diǎn)(層)趨勢(shì)產(chǎn)狀，采用幾何作圖法預(yù)測(cè)己15-17-11110工作面發(fā)育的3條斜向脆性斷層(f2-F7斷層、F9斷層、F5斷層)和2個(gè)厚煤帶被工作面回采所證實(shí)。

4)煤礦智能化開(kāi)采是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，工作面地質(zhì)透明化是智能采掘系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)協(xié)調(diào)系統(tǒng)安全高效工作的前提，密集的穿層鉆孔揭示的珍貴地質(zhì)信息是構(gòu)建高精度三維地質(zhì)動(dòng)態(tài)模型、為智能開(kāi)采提供高清電子地質(zhì)地圖的基礎(chǔ)。因此，煤系穿層鉆孔不僅是瓦斯抽采孔，也是瓦斯勘探孔，更是探煤孔。在無(wú)心鉆進(jìn)情況下，應(yīng)加大孔中測(cè)井工作力度，不斷提高瓦斯抽采孔的工程質(zhì)量和地質(zhì)精度，為綜采工作面安全智能開(kāi)采提供可靠的地質(zhì)保障[15]。