突出煤层钻孔层位优选及其影响因素

张帆，刘宇航，潘仁杰，万晗瑾，李菽维

(河南工程学院 资源与安全工程学院，河南 郑州 451191)

0 引言

我国采煤工艺较以前有了很大的进步，各大煤矿现在开采多为大采高或一次采全高，相较于以前更容易发生突出，所以需要更全面高效的降低瓦斯浓度的手段。目前，通过定向钻孔抽采瓦斯是主流的降低瓦斯浓度的方法[1-2]。定向钻孔包含两种方法，一是常规钻孔，需要设置多个钻场，钻机需要多次搬迁，费时费力，但钻孔的长度比较短，钻孔的维护比较方便[3]；二是高位定向钻孔，只需设置少数几个钻场，单个钻孔的孔深比较大，钻机无需多次搬迁，但钻孔维护比较困难，钻进过程中容易出现塌孔、缩径等不稳定的因素[4-5]。除此之外，钻孔层位的地质条件也影响着钻孔的钻进施工和钻孔的成孔质量，越是复杂的岩层，越容易发生钻孔塌孔、缩径等[6-8]。因此，煤矿钻孔不仅要考虑钻孔工艺还要分析需要钻孔的煤层的岩性分布，找出最适合钻孔的层位，并选择合适的钻孔工艺。

文章通过阅读大量的文献和资料，分析对比突出煤层的顶板、底板的岩性分布和相应岩性对应的力学参数，如抗拉强度、抗压强度、弹性模量、泊松比等参数，明确钻孔不稳定的因素，研究突出煤层顶底板钻孔的形态特征，综合以上因素，优选钻孔层位。

1 突出煤层与顶底板对比

1.1 煤体结构划分

经过查阅文献，煤体结构可根据煤体结构四分法和煤体结构五分法来对煤体进行分类。一般来说，把原生结构的煤看作非构造煤，碎裂的煤看作破坏煤。这两种煤的强度都比较高，通常被称为硬煤，一般情况下不会发生煤与瓦斯突出，所以也可以称作非突出煤，除了上述两种煤，其余类型的煤强度比较低，所以被称为软煤，相较于硬煤更容易发生煤与瓦斯突出，也叫做突出煤。而常说的构造煤是指那些受到构造应力破坏后的所有类型的煤，一般叫做III、IV、V类煤。

根据以往的钻孔施工经验，在突出煤层中钻孔，钻孔的成孔率和钻孔所在煤层的煤体结构有很大的关系，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类煤易碎，颗粒比较细小，一般叫做软煤。这类煤的力学强度比较小，在这类煤层中钻孔，受到地应力的作用，容易造成钻孔缩径，而且由于这类煤易碎，在这类煤层中钻孔，钻孔塌孔的风险也更高。因此，现在突出煤层中钻孔，首选煤体结构Ⅰ、Ⅱ类的煤层，这类煤的力学强度比较大，在这类煤体中钻孔，钻孔更加稳定，比较不容易发生钻孔塌孔、缩径，钻孔的成孔率更高。

1.2 顶底板结构

突出煤层的顶底板指的是那些距离煤层上边或下边有一定距离的岩层，通常认为，层位在煤层下方生成时间早于煤层的岩层叫做底板；层位在煤层上方生成时间晚于煤层的岩层叫做顶板。由于各岩层形成的时间和环境存在很大差异，不同层位煤岩的岩性、厚度也就各不相同。

1.2.1 煤层顶板

顶板按照与煤层的相对位置一般分为伪顶、直接顶、基本顶(老顶)三类，其中，伪顶指的是紧贴于煤层上方的，极不稳定且容易随着采煤过程而垮落的一层比较薄的岩层，一般由碳质泥岩、泥岩等岩石组成；直接顶指的是在伪顶或者无伪顶的煤层之上的岩石层，无支撑条件下比较容易垮落，一般由泥岩、砂质泥岩、细砂岩组成；基本顶也叫老顶，指的是在直接顶上方或者无伪顶和直接顶的煤层上方的比较坚硬的岩石层，力学强度高，不易垮落，比较稳定，一般由中砂岩、粗砂岩、石灰岩、砾岩等岩石组成。

1.2.2 煤层底板

煤岩底板分类与顶板相似，也是根据岩层相对于煤层的位置来命名的，在煤层下方的薄薄的一层软岩层称为伪底，一般由灰质页岩或泥岩组成；层位位于煤层下方硬度不高的岩层叫做直接底，一般由泥岩、或者粘土岩组成，其中粘土岩吸水后容易膨胀；层位在直接底下方的较硬的岩层称作老底，一般由砂层、石灰岩等组成。

1.3 岩性特征

煤矿各岩层的岩性特征是影响钻孔的重要因素，文章根据文献对平煤股份八矿煤岩的岩性分布进行详细划分。

根据平煤股份八矿各岩层的岩性分布和岩性特征，煤层底板为泥岩砂质泥岩，遇水易膨胀，普氏系数比较小，在此层位钻孔容易造成钻孔塌孔、缩径等钻孔事故，不适合进行定向钻孔施工，对于必须在这类岩层进行钻孔施工的情况，可以采取提前灌浆加固岩层的方法，为钻孔施工提供合适的条件，同时选用穿层钻孔工艺，提高钻孔的成孔率。煤层顶板的岩性分布按顶板结构分类，分为直接顶和老顶，直接顶的岩性自下而上为泥岩、砂质泥岩和细砂岩，老顶的岩性自下而上为中砂层和粗砂层。顶板岩层的岩性特征比较稳定，比较适合进行定向钻孔施工。

1.4 力学性质特征

根据文献对煤岩各层位岩性的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比等力学参数的测定，可知煤岩的力学性质，详细数据如表1、表2所示。

表1 原煤物理力学性质测试

表2 煤岩力学性质表

根据表1、表2可知，就力学性质而言，煤炭与岩石有很大差别，具体表现为煤的泊松比比较高，塑性比较大，弹性模量、抗压强度和抗拉强度比较小，在煤层中进行长钻孔施工，容易产生钻孔不稳定的问题，因此通常在煤层中钻孔施工，钻孔深度不宜太深，优点是钻进简单。反之，岩石的泊松比比较低，而除泥岩外的其他岩石，弹性模量、抗压强度和抗拉强度远大于煤，硬度较大，在这些层位进行钻孔施工，钻孔的孔壁更稳定，而且不易出现塌孔、缩径等事故，适合进行定向长钻孔施工，缺点就是钻进比较困难。

2 钻孔形态影响因素分析

2.1 煤层钻孔形态

在煤层中钻孔，根据煤矿开采的顺序，煤层分为不同的状态。距离工作面比较近的待开采煤层为破碎煤层，破碎煤层的岩性比较软，打钻比较容易，但孔壁不太稳定，钻进的阻力克服和钻孔轨迹的控制比较困难。选用顺煤层定向钻孔，钻孔穿过采煤工作面，延伸至待开采的煤层中，钻孔轨迹剖面形态为直线形，平行于煤层。在未开采的煤层中，煤层的岩性相对比较硬，可以进行长钻孔，适合采用顺煤层超长定向钻孔。因为该煤层的强度比较大，钻孔的稳定性比较好，钻屑量比较稳定，钻孔轨迹的剖面为L形，钻孔的形态从横截面观察为集束状的一组钻孔。

若是在硬煤层中打钻，钻孔内壁的形态较为光滑，对后续退钻、扩孔等工作都十分有利，若是在软煤层钻孔，由于比较软，钻孔内壁会随钻进出现螺旋形纹路。

2.2 顶底板钻孔形态

突出煤层顶板的岩性多为硬度比较高的砂岩，顶板中的钻孔形态和在较硬的煤层中打钻的钻孔形态类似。现在应用比较广泛的钻孔工艺是顶板岩层高位定向钻孔，是从巷道向煤层顶板裂隙带中钻孔，根据三带划分瓦斯受到地应力的作用主要集中在裂隙带。裂隙带是天然的瓦斯流动通道，在裂隙带钻孔可以充分利用自然条件，而且抽采的效果比较好，钻孔的轨迹也类似于在较硬煤层中钻孔为近似L形，钻孔的形态多为集束状、梳状的一组钻孔。

突出煤层底板的岩性多为泥岩、砂质泥岩，这种岩性吸水性强，容易造成钻孔塌孔、缩径等钻孔事故，导致钻进比较困难。在这种岩层中钻孔，首先要加固岩层，再利用穿层钻孔快速穿越该岩层抽采瓦斯，钻孔的形态多为树状。

在突出煤层顶底板比较稳定的岩层中打钻，钻孔内壁形态都比较光滑，若在破碎岩层钻孔，孔壁会出现竖向或横向的裂纹，进而导致塌孔事故。

2.3 影响因素分析

影响钻孔形态的因素有很多，但无论是在开采钻孔还是非开采钻孔，最主要的影响因素就是岩石的岩性。如果在含水量高的岩石(泥岩、砂质泥岩等)中打钻，岩层的抗压强度小，泊松比大，无论是哪种类型的钻孔，孔壁都很难成型，很容易发生塌孔、缩径事故，严重的还会卡住钻具，成孔率比较低，对钻孔形态的影响比较大。砂岩根据颗粒大小分为粉砂岩、细砂岩、粗砂岩等，抗拉强度和抗压强度都比较大，性质都比较稳定，对钻孔形态的影响比较小。石灰岩是比较稳定的岩石，弹性模量比较大，钻进比较困难，但钻孔形态会比较稳定。

3 突出煤层钻孔层位优选

3.1 钻孔层位分析

根据煤矿的地质条件，煤矿的岩层分为煤层、顶板岩层、底板岩层，在不同的岩层中进行钻孔施工会遇到不同的问题。

3.1.1 顶板岩层

顶板岩层多为砂岩、石灰岩等，力学性质比较强，在此层位钻孔比较稳定，一般不会发生缩径、塌孔等事故，但也存在一些缺点，由于岩层比较硬，钻进比较困难，钻进轨迹难以控制，后续扩孔比较困难。在进行非开采打钻时，钻机回转慢，钻进主要靠钻机进给的压力，而在煤矿中钻孔，钻进不太依赖进给压力，主要的影响因素是钻具的转速。参考现在地质钻探和油田钻井的钻孔和在钻井经验，在煤矿中打钻要尽可能提高钻机的转速，同时要减小压力，采取这种钻孔策略，才能最大程度上提高钻孔的效率。经过以上分析，顶板岩层岩性比较硬，钻孔的成孔率比较高。

3.1.2 煤层

煤的塑性比较大，根据不同的力学性质，分为硬煤和软煤。在硬煤层打钻，钻孔相对比较稳定、钻进比较容易、钻孔的轨迹也比较容易控制，但孔壁会留下螺旋钻进痕迹，增加后续扩孔施工的阻力。在软煤层中打孔，由于力学强度小，比较容易出现钻孔缩径、塌孔等事故，而且后续扩孔比较困难，钻孔的成孔率比较低。针对这种情况，可以选择提前灌浆来加固煤层，使之符合打钻的要求。

3.1.3 底板岩层

煤矿底板的岩层岩性多为泥岩、砂质泥岩，吸水性比较强，容易膨胀，在泥岩中打孔，十分容易遇到钻孔缩径的问题，成孔率比较低，严重的甚至会导致卡钻、埋钻。但在进行灌浆加固之后再打钻，钻孔会更加稳定，缩径的问题会大大减少，而且钻孔的轨迹也相对好控制。底板岩层钻孔的难点，就在于根据岩性选择加固岩层的方法。

综合以上分析，在顶板岩层中钻孔，钻孔比较稳定，但钻进和轨迹控制相对比较困难；在煤层中，分两种情况，一种是在硬煤层中打钻孔，钻孔相对比较稳定，另一种是在软煤层中打钻孔，钻孔容易遭到破坏；在煤层底板钻孔，由于底板多为泥岩砂纸泥岩，需要提前灌浆加固。

3.2 钻孔工艺分析

3.2.1 顺煤层钻孔

顺煤层定向钻孔，就是指钻孔轨迹沿煤层走向或倾向钻进的一种钻孔工艺，优点是钻孔的轨迹更加精确，钻进的深度更深，瓦斯抽采的效果好，是国内外矿区中硬煤层钻孔使用最多的钻孔工艺“引用”。超长工作面的瓦斯抽采一直困扰着各矿的研究人员，顺煤层超长定向钻进技术是现在解决之一难题的主要工艺之一，尤其是在中硬煤层中实施钻孔，在中硬煤层中进行钻孔施工，不仅钻进的效率高，而且钻孔的孔壁比较稳定，成孔率高。

3.2.2 高位定向长钻孔

高位定向钻孔是指在距煤层顶板一定高度设置专用的钻场进行钻孔施工的一种工艺，这种工艺在刚开始应用时，施工的成本高、耗时长。近年来，随着科学技术的不断发展，高位定向钻孔工艺不断优化，应用的场景越来越多，已经可以直接在巷道向煤层顶板打钻，并且能够实现钻孔的轨迹可控。

3.2.3 穿层钻孔

所谓穿层钻孔，是和顺层钻孔相对应的，指的是钻孔轨迹穿过了起始钻孔位置的煤层或岩层，到达其他目标层位的一种钻孔工艺，这种工艺主要用于煤矿低透气性煤层临近层的瓦斯抽采，钻孔施工需要在煤层顶板或底板开拓岩巷，设置钻场，施工的成本比较高，是针对性比较强的一种钻孔工艺。

综合以上分析，钻孔工艺有很强的针对性，顺煤层钻孔主要是针对煤层钻孔开发的钻孔工艺，高位定向钻孔适用范围比较广，主要针对煤层顶板的岩层开采使用，穿层钻孔主要用于透气性低的煤层。

4 结语

文章通过分析突出煤层各层位岩性分布和力学性质特征，选择最优的钻孔层位，分析各种钻孔工艺对钻孔的影响因素，综合分析出最优的钻孔层位和最合适的钻孔方法。

(1)经过分析煤矿煤体结构和顶底板不同层位的岩性和力学性质，煤体可大致分为硬煤和软煤，煤层顶板的岩性自下而上分为粉砂岩、细砂岩、中粒砂岩、砂质泥岩。顶板岩层的砂岩抗拉强度、抗压强度、弹性模量等力学参数比较大，煤层的弹性模量、抗压强度、抗拉强度等力学参数比较小，底板为泥岩砂质泥岩，抗压强度、弹性模量、抗拉强度等力学参数比较小。

(2)通过分析不同层位的钻孔形态，得出在煤层和顶底板岩层钻孔的内壁形态和钻孔在煤岩中的轨迹形态，煤层中的钻孔内壁比较光滑，轨迹沿煤层走向或倾向，顶底板岩层中钻孔根据岩性不同，较硬的岩石中内壁光滑，碎软的岩石中内壁存在裂纹而且比较粗糙，轨迹多为L形。

(3)通过分析不同的钻孔层位和钻孔工艺，将不同的钻孔层位和钻孔工艺相互匹配，得出在适合钻孔的煤层最优的钻孔工艺是顺煤层钻孔，在适合钻孔的顶底板岩层中根据煤矿的透气性，透气性好的适合高位定向钻孔工艺，透气性低的适合采用穿层钻孔工艺。相互匹配的钻孔层位和工艺能使钻孔的孔长更长，成孔率更高。