淺析巷道鉆探鉆孔彎曲的原因

1、淺析巷道鉆探鉆孔彎曲的原因崔志 李志強 李華文（晉城煤業(yè)集團 山西晉城 048006）摘要：根據(jù)鳳凰山礦實際鉆探工作中的情況，從地質(zhì)因素、技術(shù)因素、工藝因素分析了鉆孔彎曲的原因，并總結(jié)出其規(guī)律性，有利于鉆探工作的進行。關(guān)鍵詞：巷道 鉆探 鉆孔 彎曲 1 概況近年來，隨著礦井開采深度的增加，采空區(qū)面積的增大，礦井涌水量的增加，相應地探放水作業(yè)也較多。但是，許多探放水鉆孔都不同程度的彎曲、錯位。如鳳凰山礦1999年6月份施工的二水平主回風巷向一水平北大巷口的放水孔，本來終孔位置設(shè)計在北大巷巷中底板處，結(jié)果終孔位置偏移至北大巷左幫向里0.2m處，只有45m孔深的鉆孔，就偏移了1.5m，這不能不令鉆探

2、人員及工程技術(shù)人員深思。為了進一步搞清鉆孔彎曲的原因，掌握它的規(guī)律性，使巷道鉆探更好地為今后安全生產(chǎn)服務，我們多次組織了分析研討會。影響鉆孔彎曲的原因是多方面的，究其主要影響因素有三個方面，即：地質(zhì)、技術(shù)和工藝因素。2 鉆孔彎曲原因分析2.1地質(zhì)因素影響鉆孔彎曲的地質(zhì)因素主要是巖石的各向異性和軟硬互層，分述如下：巖石的各向異性：巖石在不同方向上具有不同的強度和硬度，這種現(xiàn)象稱為巖石的各向異性。巖石的各向異性與巖石的層理、片理、微裂隙和流紋等構(gòu)造特征有著密切的聯(lián)系。通過理論研究表明：各向同性的巖石，鉆孔幾乎不彎曲，而各向異性的巖石，其各向異性系數(shù)越大，即：平行層理方向上巖石強度與垂直層理面方向上

3、巖石強度比值越大，則鉆孔彎曲的趨勢越強。此外，片理、流紋性、裂隙性對鉆孔彎曲影響與層理的影響相似，在垂直于片理面、流紋面、裂隙面的方向上容易鉆進，易發(fā)生傾向性彎曲。軟硬互層煤系地層都是沉積而成的，有一定的沉積韻律，軟硬互層現(xiàn)象普遍存在。當鉆孔以銳角穿過軟硬巖層界面，從軟巖進入硬巖時，由于軟硬部分抗破碎阻力不同，使鉆孔朝著垂直于層面的方向彎曲；而從硬巖進入軟巖時，則鉆具軸線有偏離層面法線方面的趨勢?，F(xiàn)將鉆頭以銳角穿過軟硬巖層界面時的力學關(guān)系分析如（如圖1）yx圖1 鉆頭以銳角穿過軟硬巖層界面力學分析示意圖孔底軟、硬巖層對鉆頭底唇的反作用力不同，軟巖反作用力小，硬巖反作用力大，因而產(chǎn)生一個作用于鉆

4、頭底唇的傾斜力矩，使鉆具在孔內(nèi)偏倒。傾倒力矩的微分方程為：dMCB.xdFA.xdF(BA).x.dF 式中：B硬巖抗壓入阻力，N/m2 A軟巖抗壓入阻力，N/m2 x 從坐標原點到面積元dF的距離，m MC作用于全面鉆頭底唇上的傾倒力矩，（N.m)將式積分得： MCRdMc(BA）Rx.2ydx 2/3（BA）.（R22）3/2 式中：R全面鉆頭半徑，m 孔底軟硬巖層接觸面的x坐標， m同理可求出取芯鉆頭底唇上的傾倒力矩：MQ2/3(BA）.(R122)3/2(R222)3/2 式中：R1鉆頭外半徑，m R2鉆頭內(nèi)半徑，m 系數(shù)。R2時，1;R2時，0從上述、式表明：MC與MQ與軟硬巖層的阻

5、力差成正比，BA值越大，則傾倒力矩越大；當0時，軟硬巖層界面通過鉆頭中心，MC與MQ有最大值，彎曲得越厲害。此外，在鉆進含有卵石、礫石的巖層時，鉆孔延伸受到巖石硬塊的阻礙，在硬塊巖石的推擋下鉆孔往往朝著容易通過的方向偏斜；在鉆孔遇到大裂隙時，孔身往往沿裂隙面的方向延伸；斜孔穿過較厚的松散層巖石或溶洞及老窿時，孔身則趨于下垂。2.2技術(shù)因素：在開孔或鉆進過程中，技術(shù)因素都可能影響鉆孔的空間位置。主要有兩個方面：鉆孔的井下安裝非常關(guān)鍵，鉆機基礎(chǔ)不平，立軸安裝不穩(wěn)固，都會使鉆孔偏離預定的空間位置。鉆孔傾角不大時，立軸安裝不穩(wěn)固，可能使鉆孔方位角產(chǎn)生較大的變化，鉆孔深度較大時，即使傾角有較小的偏差，終

6、孔點也會發(fā)生一定的偏距。立軸安裝傾角和方位角存在誤差時，終孔點偏距可按下式計算：原設(shè)計鉆孔傾角1，方位角1，終孔點OA，現(xiàn)因立軸安裝不穩(wěn)固，開孔傾角2，方位角2終孔點OB（假設(shè)OB仍為直線），OA與OB之間的夾角為全彎曲角（圖2），則終孔點偏距AB為：ABOA2OB22OAOBCOS如果方位角無誤差，只有傾角誤差，則21AB=OA2OB22OAOBCOSOAB21圖2 立軸安裝不穩(wěn)時鉆具偏倒示意圖 1原設(shè)計鉆孔傾角 2開孔傾角 1設(shè)計方位角 2開孔方位角OA原設(shè)計終孔點 OB實際終孔點 AB終孔點偏距礦井下巷道鉆探常用的鉆具為鉆桿和巖芯管，引起鉆孔偏斜的鉆具主要是巖芯管。巖芯管在孔內(nèi)的偏倒角決

7、定于孔壁間隙和巖芯管長度：即：SIN-1b/l式中：b巖芯管與孔壁間隙，m l巖芯管長度，m從上式可以看出，孔壁間隙增大或巖芯管長度減短，都會引起鉆孔彎曲。2.3工藝因素：影響鉆孔彎曲的工藝因素，主要有鉆進方法、鉆進規(guī)程參數(shù)等。不同的鉆進方法具有不同的破碎巖石特點，導致不同的孔壁間隙。理論研究表明：硬合金鉆進孔壁間隙一般為4-8mm，而金剛石鉆進，孔壁間隙只有1-3mm，因此金剛石鉆進孔斜最小。鉆壓過大，會引起鉆桿甚至巖芯管彎曲，使鉆頭緊靠孔壁一側(cè)，此時，偏倒角可能達到最大值，并且鉆具的摩擦阻力也增加，隨著摩擦阻力的增大，鉆具圍繞鉆孔軸線回轉(zhuǎn)的頻數(shù)下降，甚至只圍繞自身軸線自轉(zhuǎn)而不作公轉(zhuǎn)，此時鉆

8、具傾斜或彎曲平面具有固定的方向，從而導致鉆孔彎曲。轉(zhuǎn)速過高，鉆桿柱回轉(zhuǎn)離心力增大，從而加劇了鉆具的橫向振動和擴壁作用，結(jié)果孔壁間隙增加，鉆孔彎曲。沖洗液量過大，特別是在較軟的巖層中沖洗液會沖刷、破壞孔壁，形成“大肚子”孔段，這些都會使孔壁間隙增加，為鉆具偏倒、鉆孔彎曲提供便利條件。3 鉆孔彎曲的規(guī)律性分析：3.1均質(zhì)巖層中鉆進，鉆孔彎曲強度小于不均質(zhì)巖層中鉆進。并且，巖石的各向異性程度越高，鉆孔彎曲的強度越大。3.2在層理、片理發(fā)育的巖石中鉆進時，鉆孔朝著垂直于層理面、片理面的方向彎曲。3.3孔壁間隙大、巖芯管短，則鉆孔彎曲強度大。3.4鉆孔從軟巖進入硬巖，彎曲強度較大；從硬巖進入軟巖，彎曲強

9、度較小。3.5立軸安裝不正，鉆孔朝著安裝不正的方向偏斜。3.6鉆孔穿過松散非膠結(jié)巖石、大溶洞時，鉆孔趨向于占據(jù)垂直位置，孔身變陡，鉆孔碰到硬包裹體時，可能朝著任意方向彎曲，包裹體越硬，彎曲越劇烈。3.7在水平或近水平的層狀巖石中鉆垂直孔時，即使巖石各向異性很強，鉆孔也不會產(chǎn)生較大彎曲；在均質(zhì)塊狀巖石中，如無工藝促斜因素存在，一般也不會發(fā)生較大的孔斜。4 結(jié)論從以上所論述中可以看出，鉆孔彎曲的影響因素是相互聯(lián)系的，地質(zhì)因素是客觀存在的，只能通過工藝、技術(shù)措施來減弱甚至抵消它的促斜作用；技術(shù)和工藝因素又是主觀方面的因素，可以采取各種措施加以限制。但是，地質(zhì)因素和工藝技術(shù)因素有時互相抑制使孔斜減弱，有時又互相促進，使孔斜加劇。這些都需要鉆探工作者在實際操作中具體掌握，充分利用這些因素的綜合作用和某些規(guī)律性，在以后的工作中達到預防孔斜、減弱孔斜的目的。作者簡介：崔志（1970-），女，河北衡水人，工程師，現(xiàn)在鳳凰山礦從事原煤生產(chǎn)工作。