摘要：在裴沟煤矿探放水钻孔测斜统计过程中，发现在低位岩巷施工的穿层钻孔存在着向岩层界面垂直方向上偏和向岩层走向垂直方向北偏的偏斜规律。文章从地质条件方面进行了原因分析，发现地层倾角越大、成层性越强、钻进压力越大，其造成的孔斜将越大、有效深度将越小，钻头由硬岩进入软岩或者由软岩进入硬岩时，一般沿着垂直地层层面这个破碎阻力最小的方向倾斜。

关键词：地质条件;穿层;上行孔;钻孔偏斜

裴沟煤矿31151（综）工作面位于31采区南部，北部的31131（综）工作面采空区内存在老空水害威胁，利用在原煤区段L7-8灰岩中掘进处于低位的31151回风巷底抽巷对采空区进行了探放水钻探措施，共施工了186个钻孔，对其中的43个钻孔进行了钻孔偏斜测量，发现在垂直方向上上偏的概率大于下偏的概率[1-3]，在水平方向上向岩层倾向逆方向偏斜的概率大于顺方向偏斜的概率，即在低位岩巷施工的穿层探放水钻孔存在着向岩层界面垂直方向和向岩层走向垂直方向的偏斜规律。

1  地质概况及钻孔布置

如图1，研究区段煤（岩）层倾向169°～186°，倾角10°～22°，平均14°。31151回风巷底抽巷在L7-8灰岩中掘进，巷顶上距二1煤底法向距离10.5～17.4m，北距31131运输巷平均45m。探放水钻孔布置在31151回风巷底抽巷北帮钻场内，方位339°～17°，倾角+40°～+25°，孔深61～92m。

2  原因浅析

2.1 层状地层

穿层探放水钻孔一般从L7灰岩中开孔，穿过L7-8灰岩间夹层泥岩、L8灰岩、底板泥岩进入到采空区中，这几种沉积岩层呈倾斜层状，相邻岩层交界处呈层面结构。图2中的虚线代表设计钻孔轨迹，实线代表实际钻孔轨迹，在钻头钻进至每个层面交界处时，此处岩层不能长时间支持所加的钻压而趋向沿垂直层面发生破碎。图2中钻孔钻进至L7灰岩与L7-8灰岩间夹层泥岩的交界层面时，在钻眼上倾的一侧，钻头首先接触到交界层面发生岩层破碎，形成一个向上倾斜的小斜台，斜台空间带动钻头向上偏斜;相反，在钻眼下倾的一侧后于上倾侧接触交界层面，随着钻头在上倾侧偏斜的过程，在下倾侧残留一个小斜台（图2中的①处），对钻头施加一个垂面向上的力F1，把钻头推向上倾的一侧，从而引起钻孔偏斜。当钻头逐层钻进时，在每一层的交界层面处下倾侧都残留一个这样的小斜台和施加一个垂面向上的力，图2中的②--F2、③--F3、④--F4，多处的小斜台就像小变向器一样，在多力作用下导致孔斜不断增大。当钻头与地层界面垂直时，钻头在上倾侧和下倾侧同时接触到交界层面，不会再残留小斜台导致进一步偏斜，因此，层状地层对钻孔偏斜的上倾角度影响最大不超过地层倾角[4-6]。

在岩层交界面处钻进时将使岩层破碎，当钻进压力增大时，钻头作用于岩层上的压力就增大，岩层的破碎程度将更加厉害，在下倾侧形成的小斜台将更大，其垂面向上的力将越大，导致孔斜的增长速度将更快。当地层倾角越大时，上倾侧和下倾侧钻头接触到交界层面的距离差将越大，小斜台的长度和面积将越大，从而导致钻孔向上偏斜的角度越大，实际终孔位置与设计终孔位置偏离越远。因此，地层倾角越大、成层性越强、钻进压力越大，其造成的钻孔孔斜将越大，钻孔的有效深度将越小，同时，因为岩层破碎程度的增加将可能造成夹钻现象，从而导致钻杆断裂、钻孔报废的事故发生。

2.2 地层各向异性

由于岩层的成层状况、层理、节理、纹理以及岩石的成分、结构、胶结物、颗粒大小等因素造成岩层在不同方向上的强度不同，一般来说垂直地层层面的强度较小，钻进时钻头将沿着这个破碎阻力最小的方向倾斜[7-8]。

图3中，钻进方向与地层倾斜方向斜交，V1、V2、V3代表钻头在不同方向上的破碎速度。从图中观察三个方向与垂直地层方向的夹角，其中V1方向夹角最大、V2方向夹角最小，即V2方向更趋近于垂直地层层面的方向，该处岩层强度最小。三个方向上的速度V2>V3>V1，表明钻头钻进时V1方向岩层强度最大，钻孔势必会沿着V2或V3方向发生偏斜，而且V2方向上的偏斜概率和程度要大于V3方向。因此，在倾斜岩层中钻进时，垂直方向上钻头易发生上偏，水平方向上钻头易向岩层倾向的逆方向偏斜。

2.3 软硬岩交错

L7和L8灰岩硬度系数f=8，L7-8灰岩间的夹层泥岩和二1煤层底板泥岩硬度系数f=4～5，相对硬度来说，灰岩可以认为是硬岩、泥岩是软岩，穿层探放水钻孔穿越层位为软硬岩交错。如图4中，当钻头从L7灰岩（硬岩）向夹层泥岩（软岩）钻进过程中，开始时在软岩侧（B侧）吃入多、钻进速度快，在硬岩侧（A侧）吃入少、钻进速度慢，钻孔发生稍微向上倾斜的趋势，当钻头快钻出硬岩层时，此处岩石不能再支撑钻头的重负荷，岩石将沿着垂直于层面方向发生破碎，在硬岩层一侧留下一个台阶，迫使钻头在此处上倾偏斜幅度加大。当钻头从夹层泥岩（软岩）向L8灰岩（硬岩）钻进过程中，钻头两侧接触到硬岩石时间不同步。钻头在D侧首先接触到硬岩石，可钻性小，钻进速度慢，而在C侧仍旧是软岩石，可钻性大，钻进速度快，这样就导致钻头仍旧沿着岩层上倾方向偏斜。

3  结论

文章从地质条件方面分析了低位岩巷穿层探放水钻孔偏斜的规律和原因，发现在倾斜岩层中钻进时，地层倾角越大、成层性越强、钻进压力越大，其造成的孔斜将越大、有效深度将越小，钻头由硬岩进入软岩或者由软岩进入硬岩时，一般沿着垂直地层层面这个破碎阻力最小的方向倾斜，因此，钻孔偏斜的表象规律就是在垂直方向上钻头易发生上偏，水平方向上钻头易向岩层倾向的逆方向偏斜。

参考文献：

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作者信息：刘嵩鹏，联系电话：18336333868，详细通讯地址：河南省郑州市新密市来集镇杨河煤业抽探队，郵编：452382，E-mail：827275812@qq.com。

作者简介：

刘嵩鹏（1988-），男，河南新密人，助理工程师，本科学历，2015年毕业于安徽理工大学安全工程本科专业，现从事煤矿地质防治水技术管理工作。