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第 46 卷 第 4 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.4 2018 年 8 月COALGEOLOGY fault occurrence; detection; resistance process 煤矿巷道前方断层对掘进工作有很大影响，断 层的产状及位置，制约着井巷系统的布局，影响矿 井安全。查明断层的产状及位置，可以为井巷布置 提供依据，超前采取有效治理措施封堵断层导水通 道后，可以保证巷道掘进安全。 目前探查断层的主要手段有地质调查、钻探[1-3]、 物探[4-5]、巷探等方法。钻探是煤田地质构造探查的 重要手段，通常需要 3 个钻孔才能确定 1 个断层的 产状及位置。径向射流技术是一种利用高压水破岩 成孔的技术，可以在单个钻孔中对断层进行多点揭 露， 只需 1 个地面钻孔即可确定断层的产状及位置。 径向射流技术是一种从美国引进、应用于石油 行业的技术，在产油量接近枯竭的油井中，通过径 向射流造孔形成多个不同方向的出油通道，增加了 油井产量[6-7]。随着射流设备的发展，径向喷射最大 压力、射流半径等逐步提高。近年来径向射流孔射 流长度超过百米，从而在地面超前断层探测中有了 实际的应用价值。径向射流可以在直孔径向上的任 意方位射流成孔，可以利用较小的成本对断层的多 个位置进行揭露，继而准确分析断层的发育位置和 产状，达到超前探测断层的目的。2015 年在邢台利 用径向射流技术对断层在地面进行了超前探测，对 该技术在断层产状探测方面的应用进行了研究。 1径向射流技术探测断层的基本思路及难点 径向射流造孔利用高压水射流切割岩层的原 理，在已完成的直孔段Φ78219 mm内，通过专用 设备，可以在直孔的径向任意方位进行造孔，利用 直孔及径向射流孔揭露断层，以较小的成本，达到 对断层的多点揭露。 通过所揭露的至少 3 个空间点， 采用 3 点法确定断层的产状[8-12]。 射流的核心设备有射流高压泵、管路系统。管 ChaoXing 104煤田地质与勘探第 46 卷 路系统主要由高压喷头、射流软管、连续油管组成。 高压泵提供射流所需的压力，高压泵泵出的高压水 流依次通过连续油管、射流软管、最终通过高压喷 头进行喷射施工。高压喷头承担了破岩和提供拖动 软管前进的任务，这两个方面的作用力全部来自喷 头的高压喷射水流。利用喷头喷射出不同角度的高 压水流的作用力，达到了破岩和前进的作用。 射流软 管是一种可以在直孔内实现变向的高压软管。 其一头 连接连续油管， 一头连接高压喷头， 通过高压喷头拖 动，进入地层。连续油管连接射流软管，其刚度大， 仅能在直孔内进入到射流设计层位， 负责高压水的输 送图 1。 目前高压泵最大工作压力可以达 137 MPa， 一般孔深可达到 110 m，射流孔孔径 2575 mm。该 技术用水作为介质， 利用水分子超高压产生的巨大射 击力和剥削力破岩射孔， 在一口井的同一个地层或不 同层位，可沿径向钻出多个水平井眼。 图 1径向射流过程示意图 Fig.1Schematic diagram of radial jet process 径向射流适合在致密的灰岩、砂岩中进行。在 径向射流的过程中如何确定断层的发育位置是利用 该技术进行断层产状探查的一个难点。目前在径向 射流的过程中，主要的技术参数及现象有最大喷射 压力、遇阻过程、钻进时间，跳管等。本文通过对 邢台西井断层探测中射流过程的分析，对该技术的 应用条件进行研究。 2地层岩性与径向射流成孔参数的关系 在同一套设备进行射流的条件下，面对不同的 地质条件，射流破岩的效率应有所差别。径向射流 的破岩效率用破岩比能来定义。破岩比能是指破碎 单位体积岩石所耗费的能量，是衡量破岩效率的重 要指标[12]。 b E p Qt S V  1 式中 E S为破岩比能，J/m3； b p为钻头降压，Pa； Q 为流量，m3/s；t 为喷射时间，s；V 为破岩体积， m3。根据流体力学能量方程，可得射流钻头降压的 计算公式[12] 2 5 b 22 5.135 10 Q p C A  2 式中 C 为喷嘴流量系数；A 为喷嘴截面积，m2。带 入式1后，得出 3 5 22 5.135 10 E Q t S VC A  3 令， 5 22 5.135 10K VC A  ，对于同一套射流设 备，孔深相差较小时，有 3 E SKQ t4 在上述的条件下，可见破岩比能与流量的 3 次 方及射流时间呈正比关系。 3径向射流技术探测定位断层空间产状的原理 利用直孔对断层的揭露A 点、 径向射流孔对断 层的揭露B 点、 C 点， 如图 2 中所示， 采用 3 点法， 确定断层面 abcd 的走向和倾角。 图 2单钻射孔探测断层产状示意图 Fig.2Sketch map of detection of fault occurrence through perforation of single hole 4工程应用研究 2015 年在邢台某煤矿，采用径向射流技术，对 断层的产状进行了探查，通过对不同工况下的射流 过程分析，对射流技术在断层产状超前探测的中的 应用进行了研究。 4.1工况介绍 对该矿西井大巷上山的断层进行超前探测。所 实施的 10 个径向射流孔， 按照射流过程中的地质条 件，可以分为 9 种工况。具体见表 1。 ChaoXing 第 4 期胡宝玉 径向射流技术对断层产状探测定位的应用研究105 表 1径向射流孔揭露的岩性条件 Table1Lithologic conditions revealed by radial jet holes 工况编号射流孔号开孔岩层是否过构造终孔岩层备注 1-1DS1-b砂质泥岩否砂质泥岩 1-2DS3-b奥灰否奥灰 1-3DS4-b奥灰顶风化带否奥灰顶风化带 2-1DS1-a砂质泥岩F4砂质泥岩上盘进下盘 2-2 DS2-a奥灰F35-1奥灰上盘进下盘 DS2-b奥灰F35-1奥灰上盘进下盘 2-3DS4-a奥灰顶风化带F39-1、F39奥灰顶风化带下盘进上盘 3-1DS2-c本溪组灰岩F35-1奥灰上盘进下盘 3-2DS3-a奥灰F35铝土岩下盘进上盘 3-3DS4-c奥灰F39-1铝土岩下盘进上盘 4.2试验工程实施流程 先施工地面直孔，对断层进行第一次探测；根 据直孔段揭露地层岩性及前期对断层发育特征的认 知，实施 1 序径向射流孔对断层发育位置的第二次 探测；实施 2 序径向射流孔，3 序射流孔，进行后 续探测。直孔、径向射流孔和目标断层的相对位置 见图 3图 4。 图 3DS3 孔及径向射流分支和断层平面位置关系图 Fig.3Relation of DS3 hole and radial jet branch and plane position of fault 4.3各工况射流基本参数及主要现象 径向射流过程中的技术参数有射流压力、钻时 成孔时间、是否加酸、加酸量、成孔长度等。主 要现象为是否遇阻、遇阻位置等。具体见表 2。 在奥陶系灰岩中射流1-2 工况的最大喷射压 力为 44.22 MPa，流量为 18 L，射流时间为 20 min。 一般情况下，砂质泥岩的强度小于奥灰，射流同样 长度的钻孔，所需的能量要小于在奥灰中所需的能 量。但是在砂质泥岩射流1-1 工况的过程中，虽然 钻时相同，同样为 20 min，但是流量增加为 20 L， 同时为了在遇空隙后顺利通过， 最大射流压力增加为 58 MPa。在奥灰风化带中射流时1-3 工况，需要的 能量小于在奥灰中的射流，同样的流量，仅 15 min， 完成射流。但是最大射流压力达到了 71 MPa，说明 在奥灰风化带中的空隙要大于砂质泥岩中的空隙。 图 4DS3 孔及径向射流分支和断层剖面位置关系图 Fig.4Relation of DS3 hole and radial jet branch and position of fault cross-section 在砂质泥岩中射流时，断层的发育对射流过程 有较大的影响1-1 工况和 2-1 工况，所需要的破岩 比能更大。相比在未发育断层的条件，钻时明显延 ChaoXing 106煤田地质与勘探第 46 卷 表 2各工况径向射流参数及主要现象 Table 2Parameters and major phenomena of radial jet under different working conditions 孔号 射流钻进过程 钻时/min 长度/m 遇阻位置/m 加酸量/L 射流最大压力/MPa 流量/L 1-1DS1-b51、93058.002020106.0 1-2DS3-b未044.221820110.2 1-3DS4-b53、53.3071.002015106.3 2-1DS1-a18、32058.002035110.0 2-2 DS2-a未2052.701820112.0 DS2-b未052.551820102.0 2-3DS4-a34.8、37075.002015110.0 3-1DS2-c43跳管具2 m205434增加至541827102.0 3-2DS3-a712068.001887110.2 3-3DS4-c未未完成钻进068.002015104.9 长。由 20 min1-1 工况增加为 35 min2-1 工况。 但是对断层发育位置难以判断，最大射流压力和在 完整的砂质泥岩中射流相同，均为 58 MPa。在奥陶 系灰岩中射流时断层的发育对射流过程影响不明 显，射流时的流量、钻时，均相同1-2 工况、2-2 工 况。同样在奥陶系灰岩的风化带中射流时，断层是 否发育对射流过程影响不明显1-3 工况、2-3 工况。 当断层两侧岩性不同时，射流过程有明显的不 同。在 3-1 工况中，有明显的跳管，在 43 m 处跳管 2 m。在 3-2 工况、3-3 工况中，均是由奥灰穿断层 进入铝土岩。在 3-2 工况中，由于铝土岩含有一种 铁质结核，较硬。所以需要更大的破岩比能，相对 于在奥陶系灰岩中的射流，钻时由 20 min2-2 工况 增加至 87 min3-2 工况。在射流至 71 m 处有明 显的遇阻。3-3 工况射流至 104.9 m，射流压力增 至 68 MPa，和 3-2 工况中相同。考虑到已接近完孔设 计长度， 设计长度为 110 m， 同时在3-2 工况中射流时， 在回抽连续软管的过程中，铝土岩中的铁质结核对软 管的表皮有很大的磨损，所以停止了继续射流。 4.4径向射流探测结果和原产状对比 根据 DS3-a、 DS4-c 径向射流过程及各自主孔的 探测结果表 3，对 F35、F39-1 断层的产状进行了 计算。 F35 断层在走向不变的情况下， 倾角减小 2.3， 由 69调整为 66.7；倾角不变的情况下，走向改变 13，由 130调整为 117。F39-1 断层的走向由 30 调整为 39。 表 3探测成果一览表 Table 3Detectionresults 断层 名称 计算数据 计算产状原产状 孔号方位/探测距离/m F35DS3-a971.0130∠66.7或117∠60130∠69 F39-1DS4-c209104.939∠6030∠60 注由于 DS2 直孔未能直接揭露断层，这里未进行 F35-1 断层产状的计算；由于 DS4-c 孔的走向和 F39-1 断层的走向基本平行， 对于探测结果的分析仅按照断层倾角不变的条件进行。 5结 论 a. 径向射流技术作为一种新的成孔技术，可以 应用于断层产状超前精准探测。对于两盘岩性不同 的断层位置可以准确探测。 b. 径向射流不适合在泥岩、风化带中实施。 参考文献 [1] 杨文钦， 胡东祥. 断层富水性的综合探测技术与应用[J]. 煤田 地质与勘探，2002，30251–53. 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