桑向阳，贾建称，贾 茜，张平卿，宣孝忠，吴 艳，董敏涛

(1.平顶山天安煤业股份有限公司，河南平顶山 467099；2.煤炭科学研究总院，北京 100013；3.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710054)

碎软低渗煤层是原生结构被破坏而柔弱得使瓦斯很难通过的层状煤体[1]。我国碎软低渗煤层赋存层位多，分布面积占煤矿区煤储层面积的82%，其中瓦斯资源潜力占全国煤层气地质资源量的72%[2]。占全国煤矿数量26.7%的高瓦斯和突出矿井中[3]，有92.3%的煤矿位于碎软低渗煤层区，因此碎软低渗煤层是煤与瓦斯突出不可或缺的地质条件。为了加强防治煤与瓦斯突出工作，预防煤矿事故，保障从业人员生命安全，煤炭企业按照“一矿一策、一面一策”要求[4]，研发出本煤层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采、采空区瓦斯抽采、围岩瓦斯抽采方法；根据煤层赋存条件、瓦斯地质条件、巷道布置、瓦斯抽采条件，构建了地面水平井、地面直井，井下顺层钻孔、以孔代巷长钻孔、顶底板梳状钻孔、穿层钻孔、孔巷联合等抽采技术。无疑，穿层钻孔预抽碎软较难抽采单一突出煤层瓦斯是区域防突措施的有效技术[5]。然而，碎软煤层内构造薄弱面发育、煤质酥松软弱、力学强度低，穿层钻进孔壁稳定性差、容易发生喷孔、卡钻、夹钻、塌孔、埋钻等孔内事故，成孔率低；钻孔轨迹难以控制，可能遗留瓦斯预抽空白区；同时留给孔中测井的时间短，也给煤层形态恢复和隐伏致灾因素精准还原带来较大困难。如何在短时间内精准测量上向穿层钻孔轨迹，事关瓦斯均匀抽采和煤矿隐伏致灾因素精细探测。本文以平煤股份十三矿己15-17-11110工作面中间低抽巷为例，运用侧向电阻率视频成像测井技术，对上向穿层瓦斯预抽钻孔进行孔中测控，以期通过研究钻孔坍塌的时间规律，探索钻后测井方式与测井参数选择，以及孔中测井信息的地质解释方法。

1 工程地质背景

平煤股份十三矿位于平顶山市北东17km、襄城县西北9km处，面积53.64km2，核定生产能力2.1Mt/a。矿井采用立井-斜井分两个水平混合开拓，采区上、下山开采，走向长壁采煤方法，综采工艺，一次采全高，全部陷落法管理顶板。

井田主要含煤地层为下二叠统山西组，其次有下二叠统下石盒子组、上二叠统上石盒子组。其中，山西组下部己15煤层、己16-17煤层为矿井首采煤层，下石盒子组中下部戊8煤层、上石盒子组下部乙2煤层为主要可采煤层。

己15煤层和己16-17煤层下距太原组下部庚20煤层78～105m，上距戊8煤层170m左右，厚度2.12～7.76m，一般5～7m，平均5.88m，埋深175～1 000m。煤层顶板为灰白色中细粒石英砂岩夹深灰色薄层泥岩(标3)，底板为灰色中细粒石英砂岩夹深灰色(砂质)泥岩(标2)。该煤层在井田东部和西部合并，中部分叉[6]。东部煤层合并区的构造煤呈“碎裂煤-碎粒煤+糜棱煤-碎裂煤”方式叠加，分布受褶皱控制；中西部构造煤与脆性断层伴生，分布不稳定，局部顺层发育[7]。煤的普氏系数0.32～0.97，以小于0.5为主；煤层瓦斯含量4.47～18.71m3/t，平均10.24 m3/t；瓦斯压力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为主；煤体透气性系数为0.004～0.024m2/MPa2.d，属于较难抽放煤层。自矿井投产以来该煤层曾发生多起煤与瓦斯突出动力现象。因此，该矿己15煤层和己16-17煤层属于单一碎软低透气性突出煤层。

己15-17-11110工作面位于井田东部己15煤层和己16-17煤层合并区，为矿井己15-17-11111工作面之西延部分，东至己15-17-11111工作面停采线，南以己15-17-11111采面机巷与己15-17-11131待采面相邻，西抵己15-17-11111采面皮带下山，北邻己15-17-11092采空区，平面形态为不规则四边形(图1)。工作面煤层厚度1.17～9.8m，平均4.19m。煤层结构简单，走向118°，倾向南西，倾角17°，埋深555～600m。

11110工作面中间低抽巷位于己15-17-11110工作面中部下方8.5～16.6m，走向 104°，断面形态为直墙半圆拱形，中心高度3 300mm，底部宽度4 800mm，剖面起伏不平，水平投影长度413m，钻遇地层为煤层底板灰色中细粒石英砂岩夹深灰色砂质泥岩、己15-17煤层、至煤层顶板砂质泥岩2m以上(图2)。上向穿层钻孔沿中间低抽巷中部分组布置，每组设计10个钻孔，孔径94mm，倾角依次为1°、11°、26°、48°、74°、81°、61°、48°、39°、32°，呈扇形排列，扇面垂直于巷道走向，单孔深度16～68m，孔组间距6～6.4m。用4台钻机分段同时施工，裸孔无心钻进[8]。

图2 低抽巷钻遇煤岩层柱状图Figure 2 Floor drainage road intersected coal and rock column

己15-17-11110综采面周边煤、岩巷道揭露断(层)点10个(图1，表1)。

表1 巷道实见断层点特征Table 1 Roadway actual encountered faulted point features

图1 己15-17-11110综采面中间低抽巷位置与断点分布Figure 1 Sixth15-17-11110 fully mechanized working face middle floor drainage road position and faulted points distribution

2 上向穿层钻孔测井仪器与测井方式选择

2.1 上向穿层钻孔测井仪器选取

煤田测井是使用专业化仪器在钻孔中探测煤、岩层地球物理参数，根此变化特征来划分煤、岩层，确定它们的厚度、赋存深度、空间形态，判断煤质、煤层结构、含煤岩系沉积环境，分析岩体力学强度等的可信手段，也是矿井地质异常体探测、区域瓦斯抽采工程检测、透明矿井构建的主要地质保障手段。以往的煤田测井常在直孔或下向钻孔中依靠探头重力比较容易地探测煤岩体的物性参数。上向钻孔测井需要利用推杆和扶正器将探头缓慢匀速地输送到钻孔中进行测试，以往测井仪器的集成度不高，多是测试一种测井参数后，取出仪器再测试另一种物性参数。碎软煤层区钻孔成孔到孔壁塌陷之间的时间短，不允许在一口钻孔中多次测井。徐州瑞拓勘探技术开发有限公司研制的YZD18.5矿用侧向电阻率视频成像测井分析仪采用“一次、同步、连测”的数据快速采集方式，探头高度集成自然伽马测井、视电阻率测井、自然电位测井、高分辨率视频成像、孔迹测斜、钻孔测深等模块，探测数据一体化同步采集，采集频率8点/s；主机处理系统采用数/模光电隔离技术，双核设计、双真彩液晶屏显示、随测即显；软件处理与分析系统可实现孔斜自动计算、测井数据定量转换与图像自动生成(图3)。因此，该仪器不仅能够对上向穿层瓦斯抽采钻孔轨迹、终孔位置、钻孔姿态进行复测[8]，还可同时测试煤、岩体的自然伽马、自然电位、视电阻率、视频成像参数，实现煤、岩层综合精细解释和精准成图。

图3 软件分析与自动成图系统工作流程Figure 3 Workflow diagram of software analysis and automatic mapping system

2.2 上向穿层钻孔塌孔时间分析

碎软煤层区上向穿层钻进更容易发生卡钻、塌孔等事故，留给测井的时间很短，因此研究上向穿层钻孔完孔到自然塌孔的时间(简称塌孔时间，下同)是分析钻孔可测性、确定测井方式的重要内容。低抽巷上向穿层钻孔孔壁稳定性受巷道围岩应力分布、钻孔二次应力叠加状态、煤层厚度与产状、煤体结构、煤岩力学性质、钻孔倾角、地应力、钻进扰动强度、煤体含水量、钻探工艺等影响[9-14]，塌孔时间变化较大。统计己15-17-11110综采面中间低抽巷31个测试实验钻孔的塌孔时间发现，在同样施工技能和正常钻进条件下，塌孔时间与煤层厚度及其变化程度、钻孔倾角密切相关。煤层厚度大于5m的区域，或者煤层厚度突变处不仅容易发生喷孔，而且塌孔时间较短，为24～34min，裸眼测井要么测不到煤层即塌孔，要么测不到煤层顶板就塌孔；煤层厚度5m以内区域，塌孔时间为42～79min，并且煤层厚度越小，塌孔时间就越长。产生这种现象的原因可能是工作面内厚度小的煤层，煤体受有效应力就越大，煤的坚固性系数较高，塌孔时间就越长。钻孔倾角对塌孔时间的影响在煤层厚度大于5m且变化不大的区域比较敏感，表现为钻孔倾角与煤层夹角越小，钻遇煤层段就越长，塌孔时间越短(图4)。原因是钻孔倾角与煤层夹角越小，孔壁周围煤岩体塑性区越靠近孔壁，且范围随之减小，煤体越易受到破坏[14]。

图4 钻孔倾角与塌孔时间关系Figure 4 Relationship between borehole dip angle and collapse time

2.3 测井方式选择

11110工作面中间低抽巷上向抽采瓦斯抽采孔施工流程是打钻成孔→冲孔→下PVC护管→联网。打钻用时3～5h/孔，冲孔率1t/m.coal，下护管11～19min，然后很快将护管集中连接到瓦斯抽采管网上。YZD18.5矿用侧向电阻率视频成像测井分析仪在井下孔中测井分四个阶段：测试准备阶段的主要工作是井下检查与安装调试仪器，用时8min，可在完钻前进行；测试阶段的主要工作是送探头和进连杆测井，用时10～45min，钻孔越浅则用时越短，钻孔越深则用时越长；结尾阶段的工作是取出探头和连杆，用时9～11min，尽管与钻孔深度有关，但相差无几；结束阶段的主要工作是收装仪器和配件，用时14min。因此，一个上向孔测井用时41～78min(表2)。

表2 上向孔测井用时统计Table 2 Statistics of upward crossing borehole logging times

测井的测试阶段与收尾阶段影响下一个钻孔施工，采取裸眼测井(冲孔或下护管之前测井)还是隔管测井(下护管之后测井)，取决于钻孔塌陷时间和测井的测试阶段与收尾阶段用时。对比分析区内8个钻孔的裸眼测井和隔管测井参数变化发现，同样是钻后测井，裸眼测井可同时测量煤、岩层的自然伽马、视电阻率和自然电位等参数。由于护管阻断了含水介质与探头之间的联系，隔管测井的视电阻率值和自然电位值无响应(图5)，而获得煤层段的自然伽马值与裸眼测井的完全吻合(图6)，结合视频成像和钻机运动学参数(手感推进力、回转器主轴转速、钻进速率)能够对煤、岩层进行精细解释。因此，如果成(冲)孔后塌孔时间允许裸眼测井，则裸眼测井；如果成孔后塌孔时间不允许裸眼测井，则采取隔管测井。

图5 裸眼测井与隔管测井的视电阻率(左)和自然电位(右)曲线对比(Z5-3-4钻孔)Figure 5 Comparison of curves from naked borehole logging and cased borehole logging apparent resistivities (left)and natural potentials (right)(borehole Z5-3-4)

图6 裸眼测井与隔管测井的自然伽马曲线对比(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“下管抽采瓦斯为主、确保仪器安全”的要求，结合前节分析，工作面内煤层厚度5m以上的区域和煤层厚度突变地带的钻孔只能采取隔管测井，而煤层厚度小于5m的区域可采取裸孔测井。据此，在己15-17-11110综采面中间低抽巷对193个瓦斯抽采钻孔进行了测井，其中有27个钻孔为裸孔测井，其余钻孔采取隔管测井。

3 应用效果分析

3.1 钻孔轨迹精准测控

钻孔轨迹校正结果表明，中间低抽巷内所有钻孔的实际轨迹和深度与设计和钻探工程控制的不尽一致：实际钻孔轨迹向扇面中心偏差2°～6°，141个单孔的孔深比钻探控制的平均小1.83m；实际控制的煤巷条带宽度比设计的窄1.20m[8]。本次施工的钻孔无串孔或大偏离孔，为瓦斯均匀抽采夯实了基础。

3.2 煤层形态恢复

查明煤层厚度与赋存形态是煤炭地质勘查工作的基本要求，也是矿井设计与安全生产的地质依据。测井曲线解释煤与非煤岩层的理论基础是相同时代、相似环境下形成的煤、岩层具有各自相近的物性特征，包括曲线幅值、形态及组合特征；纵向上，不同岩层具有不同的物性。研究区己15-17-11110中间低抽巷上向穿层钻孔为浅孔，己15-17煤层位于标2和标3之间，钻孔涉及的煤系层序比较稳定。统计测量孔的煤、岩层测井参数(表3)表明，己15-17煤层的自然伽马为低值，曲线呈中等幅值箱状，与围岩呈突变接触(图6)；视电阻率峰值最高，变化幅度最大，曲线形态呈指状；自然电位值变化较大，为弱的负异常，曲线形态呈指状，总体为箱形(图5)。

表3 己15-17-11110中间低抽巷穿层钻孔煤岩层测井参数统计Table 3 Statistics of Sixth15-17-11110 working face middle floor drainage road crossing borehole coal and rock logging parameters

在单孔综合解释基础上，对工作面内己15-17煤层特征和层位进行孔间对比来展伸，得到煤层厚度等值线图。经钻孔轨迹校正和孔中测井解释预测的煤层厚度与回采揭露的煤层厚度等值线图之间的面积吻合率大于94.4%(图7)。

图7 煤层厚度和断层探采对比Figure 7 Comparison of coal seam thicknesses and faults from exploration and mining information

3.3 煤层脆性断层识别

脆性断层(简称断层)是煤岩体沿破裂面两侧发生相对位移的产物。作为地质体中的不连续面，断层影响采区合理划分和工作面高效生产，增加巷道掘岩率和无效进尺、造成支护和顶板管理困难，是发生冒顶、透水与瓦斯事故的基本地质条件。因此，中小型断层的探查历来是煤矿地质保障工作的重点和难点。

利用己15-17-11110中间低抽巷穿层瓦斯抽采扇形孔组地质信息判断煤层断层的方法是：

1)煤层产状发生显著变化，煤、岩层层序异常部位。

2)走向或斜向逆断层造成煤、岩层重复，同一钻孔多次穿过同一煤层。

3)走向或斜向正断层造成煤、岩层缺失，相邻多个钻孔遇不到同一煤层，或为煤层顶板岩石。

4)近距离内同一煤层厚度或煤层底板等高线发生突变。

5)钻遇煤层容易卡钻、瓦斯喷出、煤与瓦斯突出、钻孔水异常涌入。

以巷道断点几何特征为基础，按照断层趋势产状和煤层厚度变化特点，采用几何作图法在己15-17-11110工作面预测断层3条(图8)。其中，f2-F7断层是低抽巷F1-F4断层在己15-17-11110工作面的上延部分，为斜向逆断层，穿过工作面，被F5断层切割，是造成工作面西部己15-17煤层叠加或重复而厚度异常的主要原因。东部F9断层是己15-17-11111工作面高抽巷F8断层的下延段，为走向逆断层，西部被F5断层切割，是造成工作面东部己15-17煤层重复而厚度异常的根本原因。F5断层位于己15-17-11110工作面中东部，为f1断层向工作面的上延部分，东南侧止于己15-17-11110综采面机巷，向西北规模有所增大，属于斜向正断层，形成时间较f2-F7断层和F9断层稍晚。F2断层、F6断层为煤层断层，局部发育，规模小。低抽巷F3逆断层未上延至煤层。

区内脆性断层预测成果被工作面回采工程所证实是准确的。

4 结论与建议

1)碎软较难抽采煤层区岩巷上向穿层钻进很容易发生孔内事故和轨迹偏离，应用侧向电阻率视频成像测井技术既可以对孔中轨迹进行精准校正，同时能够对煤岩层进行精细解释和精准对比。

2)高瓦斯突出矿井中穿层瓦斯抽采孔测井方式有裸眼测井和隔管测井，在钻孔塌陷时间不允许裸眼测井时，隔管测井获取的自然伽马值及其曲线可以作为煤、岩层精准解释的可靠依据。

3)利用煤层厚度等高线变异、煤层缺失或重复和煤、岩巷断点(层)趋势产状，采用几何作图法预测己15-17-11110工作面发育的3条斜向脆性断层(f2-F7断层、F9断层、F5断层)和2个厚煤带被工作面回采所证实。

4)煤矿智能化开采是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，工作面地质透明化是智能采掘系统和远程监测协调系统安全高效工作的前提，密集的穿层钻孔揭示的珍贵地质信息是构建高精度三维地质动态模型、为智能开采提供高清电子地质地图的基础。因此，煤系穿层钻孔不仅是瓦斯抽采孔，也是瓦斯勘探孔，更是探煤孔。在无心钻进情况下，应加大孔中测井工作力度，不断提高瓦斯抽采孔的工程质量和地质精度，为综采工作面安全智能开采提供可靠的地质保障[15]。