CN104793261A - 煤系地层构造、弱区识别及地层反演的钻进探测方法 - Google Patents

Abstract

一种煤系地层构造、弱区识别及地层反演的钻进探测方法，属于深部地层井下钻进探测方法。在矿井煤岩巷道内施工上向或下向穿层长钻孔，记录并计算打钻过程中的推力、转速、转矩和钻进速率，推算钻进单位岩体所消耗的能量即钻进比能，获得钻进比能与钻进路径之间的对应关系；煤系地层中各煤岩层具有不同的物理力学特性使得同等条件下的钻进难易程度差异性较大，不同钻进比能对应不同煤岩体类型，从而确定钻进路径不同区段的煤岩体类型；钻进路径上的钻进比能突变情况可以反映地质构造情况。优点：对煤系地层煤岩层赋存及地质构造情况的准确掌握，有利于矿井煤岩动力、水动力及瓦斯灾害进行预防控制，使得瓦斯抽采及输排水更加具有针对性。

Description

煤系地层构造、弱区识别及地层反演的钻进探测方法

技术领域

本发明涉及一种深部地层井下钻进探测方法，尤其是一种煤系地层构造、弱区识别及地层反演的钻进探测方法。

背景技术

煤炭是我国的主要能源，长期占一次能源的70％左右，随开采强度的增加逐年向深部延伸，然而，我国含煤地层多以侏罗纪和石炭二叠纪为主，许多矿区发生多期隆起、坳陷、褶皱和断裂等活动，在构造挤压和剪切应力作用下地质条件异常复杂，深部高地应力和瓦斯压力致使冲击地压、矿震、突水、煤与瓦斯突出等煤岩动力、水动力及瓦斯灾害更加严重。煤系地层多为具有典型层状结构的软－中硬沉积岩层，以砂岩、页岩、泥岩、砾岩、煤为主，不同煤岩体具有不同的物理力学特性，其强度、变形特性以及破坏机制差异较大，在高地应力和地质构造条件下煤系地层岩层之间存在大量离散交界面。受多期地质构造活动影响，煤系地层存在大量构造(裂隙、离层、断层等)以及构造作用形成的弱区等，地质构造、裂隙在几十厘米～几米范围内剧烈变化情况存在普遍，这些地质构造区域往往成为瓦斯、水等灾害因素富集区，成为威胁矿井安全的隐患。

钻进过程参数(钻进速度、推力、转速、转矩、钻进比能等)与煤岩体物理力学特性(抗压强度、硬度、弹性模量等)具有较好的相关性，根据煤系地层不同煤岩层之间存在的物理力学特性差异，钻进不同煤岩层消耗的能量不同。钻进比能是指钻进单位体积煤岩体消耗能量，可有效反映煤系地层中不同煤岩体可钻进难易程度，另外，在推力和转速恒定的条件下，钻进速度与岩石抗压强度呈类负指数关系，可以利用钻进速度通过经验公式推算岩石抗压强度，从而确定钻进路径上的煤岩层岩性类型，在探测区域内施工多组钻孔，就可以对该区域内地层进行反演，地层反演精细程度与钻孔密度有关。在井下钻进过程中通过煤岩层离层或者较大裂隙区域时，钻进比能会出现突然降为极小值后迅速变回原来值，恒定推力和转速条件下钻进速率会出现突然变大后迅速变回原来值，定位裂隙离层位置及宽度。在钻进通过构造形成的弱区时钻进比能会出现突然降低为较低值(低于区域内正常煤岩层)维持一段时间(穿过弱区距离)后变为原值，结合附近探测钻孔数据确定弱区空间范围。在钻进通过断层区域时钻进比能前后会出现突然波动，且与附加其他钻进钻孔预测地层层位出现明显差异，多组钻孔数据综合考虑确定断层特征。

根据政策法规，对于高瓦斯与突出煤层，在开采前需要采取区域性瓦斯防治措施，降低煤层瓦斯含量消除其突出危险性。保护层开采和预抽煤层瓦斯是最经济有效的区域性瓦斯治理措施，不具备保护层开采条件的矿区(井)必须选用底(顶)板岩巷穿层钻孔预抽煤层瓦斯的区域防突措施，因此，在高突煤层会布置施工大量穿层钻孔，可以利用穿层瓦斯抽采孔进行地质探测。对煤系地层煤岩层赋存及地质构造情况的准确掌握，有利于矿井煤岩动力、水动力及瓦斯灾害进行预防控制，指导矿井生产系统巷道布置，使得瓦斯抽采及输排水更加具有针对性。

发明内容

本发明的目的是针对矿井深部开采煤系地层地质条件复杂多变，煤岩动力、水动力和瓦斯灾害严重的情况，提供一种煤系地层构造、弱区识别及地层反演的钻进探测方法。

本发明的目的是这样实现的：该探测方法是在矿井煤岩巷道内施工上向或下向穿层长钻孔，记录并计算打钻过程中的推力、转速、转矩和钻进速率，推算钻进单位岩体所消耗的能量即钻进比能，获得钻进比能与钻进路径之间的对应关系；煤系地层中各煤岩层具有不同的物理力学特性使得同等条件下的钻进难易程度差异性较大，不同钻进比能对应不同煤岩体类型，从而确定钻进路径不同区段的煤岩体类型；钻进路径上的钻进比能突变情况可以反映地质构造情况。

进一步的，推力、转速、转矩和钻进速率通过煤岩钻机和数据储存及处理系统对钻进过程实时监测监控，完成数据存储与计算处理；煤岩体钻机实现恒定推进力和转速条件下的煤岩体钻进；

钻进过程中，通过煤岩层离层或者较大裂隙区域时，钻进比能会出现突然降为极小值后迅速变回原来值，恒定推力和转速条件下钻进速率会出现突然变大后迅速变回原来值，定位裂隙离层位置及宽度；

钻进过程中，通过构造形成的弱区时，钻进比能会出现突然降低为较低值，维持一段时间，穿过弱区距离后变为原值，所述的较低值为低于区域内正常煤岩层，结合附近探测钻孔数据确定弱区空间范围；

钻进过程中，钻进路径出现断层时钻进比能前后会出现突然波动，与附加其他钻进钻孔预测地层层位出现明显差异，多组钻孔数据综合考虑确定断层特征。

进一步的，煤系地层不同煤岩层之间存在的物理力学特性差异，钻进不同煤岩层消耗的能量不同，从而根据钻进路径上的钻进比能确定煤岩层岩性类型，结合探测区域内多组钻孔数据，完成地层反演。

有益效果，由于采用上述方案，在矿井煤岩巷道内施工具有一定倾角的下向或上向穿层长钻孔或者借助探水孔和瓦斯抽采钻孔，记录并计算打钻过程中的推力、转速、转矩和钻进速率，推算钻进单位岩体所消耗的能量即钻进比能，获得钻进比能与钻进路径之间的对应关系。煤系地层地质条件复杂，存在大量构造(裂隙、离层、断层等)以及构造作用形成的弱区，地质构造、裂隙在几十厘米～几米范围内剧烈变化情况存在普遍，在高地应力和地质构造条件下煤系地层岩层之间存在大量离散交界面，这些地质构造区域往往成为瓦斯、水等灾害因素富集区，煤岩动力、水动力及瓦斯灾害严重。煤系地层中不同煤岩体具有不同的物理力学特性，其强度、变形特性以及破坏机制差异较大，钻进过程参数(钻进速度、推力、转速、转矩、钻进比能等)与煤岩体物理力学特性具有较好的相关性，钻进比能或者恒定推力和转速下的钻进速率可有效反映煤系地层中不同煤岩体可钻进难易程度，从而确定钻进路径不同区段的煤岩体类型，精细程度与钻孔密度有关。此外，钻进过程中钻进参数的突变可以反映地质构造情况。

煤岩钻机和数据储存及处理系统可以实时监测监控钻进过程中的推力、转矩、转速和钻进速率，并完成数据存储与计算处理，此外，煤岩体钻机可以实现恒定推进力和转速条件下的煤岩体钻进。

根据煤系地层不同煤岩层之间存在的物理力学特性差异，钻进不同煤岩层消耗的能量不同，从而根据钻进路径上的钻进比能确定煤岩层岩性类型，结合探测区域内多组钻孔数据，完成地层反演。在钻进过程中通过煤岩层离层或者较大裂隙区域时，钻进比能会出现突然降为极小值后迅速变回原来值，恒定推力和转速条件下钻进速率会出现突然变大后迅速变回原来值，定位裂隙离层位置及宽度。钻进通过构造形成的弱区时，钻进比能会出现突然降低为较低值(低于区域内正常煤岩层)维持一段时间(穿过弱区距离)后变为原值，结合附近探测钻孔数据确定弱区空间范围。在钻进路径出现断层时钻进比能前后会出现突然波动，与附加其他钻进钻孔预测地层层位出现明显差异，多组钻孔数据综合考虑确定断层特征。

该方法通过在矿井下施工穿层上向或下向长钻孔或者借助探水孔和瓦斯抽采钻孔，根据钻进过程参数实现煤系地层构造、弱区识别及地层反演。对煤系地层煤岩层赋存及地质构造情况的准确掌握，有利于矿井煤岩动力、水动力及瓦斯灾害进行预防控制，指导矿井生产系统巷道布置，使得瓦斯抽采及输排水更加具有针对性。

优点：该技术利用煤岩体钻进比能或者恒定推力和转速条件下的钻进速率与煤岩体的抗压强度、硬度、弹性模量的物理力学特性之间具有的相关性结合相似地应力状态下不同煤系地层中煤岩体表现出的物理力学特性差异，确定钻进路径不同区段的煤岩体类型完成煤系地层反演。利用钻进过程中出现的钻进比能或者恒定推力和转速条件下钻进速率的突变情况，来探查煤系地层中存在的地质构造区域即裂隙、断层弱区、瓦斯和水富集区域的特殊地质条件。

对煤系地层煤岩层赋存及地质构造情况的准确掌握，有利于矿井煤岩动力、水动力及瓦斯灾害进行预防控制，指导矿井生产系统巷道布置，使得瓦斯抽采及输排水更加具有针对性。

附图说明

图1为本发明煤系地层构造、弱区识别及地层反演的钻进探测技术示意图。

图中：1—煤系地层；2—煤(岩)巷道；3—煤岩钻机；4—推进液压传感器；5—旋转液压传感器；6—转速传感器；7—位移传感器；8—数据存储及处理系统；9—钻杆；10—钻头；11—钻孔；12—裂隙；13—弱区；14—断层。

具体实施方式

实施例1：该探测方法是在矿井煤岩巷道2内施工的上向或下向穿层长钻孔11，记录并计算打钻过程中的推力、转速、转矩和钻进速率，推算钻进单位岩体所消耗的能量即钻进比能，获得钻进比能与钻进路径之间的对应关系；煤系地层中各煤岩层具有不同的物理力学特性使得同等条件下的钻进难易程度差异性较大，不同钻进比能对应不同煤岩体类型，从而确定钻进路径不同区段的煤岩体类型；钻进路径上的钻进比能突变情况可以反映地质构造情况。

进一步的，推力、转速、转矩和钻进速率通过煤岩钻机3和数据储存及处理系统8对钻进过程实时监测监控，完成数据存储与计算处理；煤岩体钻机3实现恒定推进力和转速条件下的煤岩体钻进；

钻进过程中，通过煤岩层离层或者较大裂隙区域时，钻进比能会出现突然降为极小值后迅速变回原来值，恒定推力和转速条件下钻进速率会出现突然变大后迅速变回原来值，定位裂隙离层位置及宽度；

钻进过程中，通过构造形成的弱区时，钻进比能会出现突然降低为较低值，维持一段时间，穿过弱区距离后变为原值，所述的较低值为低于区域内正常煤岩层，结合附近探测钻孔数据确定弱区空间范围；

钻进过程中，钻进路径出现断层时钻进比能前后会出现突然波动，与附加其他钻进钻孔预测地层层位出现明显差异，多组钻孔数据综合考虑确定断层特征。

进一步的，煤系地层不同煤岩层1之间存在的物理力学特性差异，钻进不同煤岩层消耗的能量不同，从而根据钻进路径上的钻进比能确定煤岩层岩性类型，结合探测区域内多组钻孔数据，完成地层反演。

一种煤系地层构造、弱区识别及地层反演的钻进探测技术。首先在矿井煤岩巷道2内采用煤岩钻机3向煤系地层1施工上向或下向穿层长钻孔11或者借助探水孔和瓦斯抽采钻孔11，记录并计算打钻过程中的推力、转速、转矩和钻进速率，并通过数据储存及处理系统8完成数据存储与计算处理，推算钻进单位岩体所消耗的能量即钻进比能，获得钻进比能与钻进路径之间的对应关系。根据煤系地层不同煤岩层之间存在的物理力学特性差异，钻进不同煤岩层消耗的能量不同，从而根据钻进路径上的钻进比能确定煤岩层岩性类型，结合探测区域内多组钻孔数据，完成地层反演。如果钻进过程中钻进比能出现突然降为极小值后迅速变回原来值，恒定推力和转速条件下钻进速率会出现突然变大后迅速变回原来值，说明出现地层裂隙或离层。若钻进比能会出现突然降低为较低值(低于区域内正常煤岩层)维持一段时间(穿过弱区距离)后变为原值，结合附近探测钻孔数据可以确定弱区空间范围。若钻进比能前后会出现突然波动，与附加其他钻进钻孔预测地层层位出现明显差异，多组钻孔数据综合考虑确定断层特征。

在钻机上附加液压传感器、转速传感器、位移传感器对钻进过程中的钻进推力、转矩、转速和钻进距离等参数进行监测监控，并将数据存储处理，根据钻进距离对时间进行求导获得实时钻进速率，结合施工钻孔半径及孔底面积推导获得钻进单位煤岩体所消耗的能量即钻进比能，若在恒定推力和转速条件下钻进速率可以反映钻进比能变化趋势。在探测区域内施工多组穿层钻孔或者借助探水孔和瓦斯抽采钻孔，获得钻进比能与钻进路径之间的对应关系，从而实现煤系地层构造、弱区识别及地层反演，精细程度与钻孔密度有关。对煤系地层煤岩层赋存及地质构造情况的准确掌握，有利于矿井煤岩动力、水动力及瓦斯灾害进行预防控制，指导矿井生产系统巷道布置，使得瓦斯抽采及输排水更加具有针对性。

Claims (3)

1.一种煤系地层构造、弱区识别及地层反演的钻进探测方法，其特征是：该探测方法是在矿井煤岩巷道内施工上向或下向穿层长钻孔，记录并计算打钻过程中的推力、转速、转矩和钻进速率，推算钻进单位岩体所消耗的能量即钻进比能，获得钻进比能与钻进路径之间的对应关系；煤系地层中各煤岩层具有不同的物理力学特性使得同等条件下的钻进难易程度差异性较大，不同钻进比能对应不同煤岩体类型，从而确定钻进路径不同区段的煤岩体类型；钻进路径上的钻进比能突变情况可以反映地质构造情况；利用推力和转速恒定条件下的钻进速率变化情况也可以进行煤系地层构造、弱区识别及地层反演。

2.根据权利要求1所述的基于钻进参数的煤系地层构造、弱区识别及地层反演的钻进探测方法，其特征是：推力、转速、转矩和钻进速率通过煤岩钻机和数据储存及处理系统对钻进过程实时监测监控，完成数据存储与计算处理；煤岩体钻机实现恒定推进力和转速条件下的煤岩体钻进；

钻进过程中，通过煤岩层离层或者较大裂隙区域时，钻进比能会出现突然降为极小值后迅速变回原来值，恒定推力和转速条件下钻进速率会出现突然变大后迅速变回原来值，定位裂隙离层位置及宽度；

钻进过程中，通过构造形成的弱区时，钻进比能会出现突然降低为较低值，维持一段时间，穿过弱区距离后变为原值，所述的较低值为低于区域内正常煤岩层，结合附近探测钻孔数据确定弱区空间范围；

钻进过程中，钻进路径出现断层时钻进比能前后会出现突然波动，与附加其他钻进钻孔预测地层层位出现明显差异，多组钻孔数据综合考虑确定断层特征。

3.根据权利要求1所述的基于钻进参数的煤系地层构造、弱区识别及地层的钻进探测方法，其特征是：煤系地层不同煤岩层之间存在的物理力学特性差异，钻进不同煤岩层消耗的能量不同，从而根据钻进路径上的钻进比能确定煤岩层岩性类型，结合探测区域内多组钻孔数据，完成地层反演。