某市煤炭采空區探測查證孔施工工藝

陳蘭弟，楊　凱（廣西地球物理勘察院，廣西 柳州 545005）

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某市煤炭采空區探測查證孔施工工藝

陳蘭弟，楊凱（廣西地球物理勘察院，廣西 柳州 545005）

隨著我國社會經濟的不斷發展，帶動著城市不斷擴張，過去一些城市的周邊廢棄礦區，現在要在上面建立起高樓大廈了。由于礦區里存在著不同形態的采空區，采空區的存在對地面建筑會存在重大的安全隱患，如果對其勘查不明、了解不透，國家對城市建設的規劃則受到制約，也會對地質、環境、工程產生負面影響，甚至會給國家和社會帶來巨大經濟損失。在城市規劃發展前探測采空區，圈定出采空區的范圍及其空間狀態具有重要意義，本文主要針對某市煤炭采空區探測查證孔施工工藝展開了具體論述。

煤炭采空區；探測查證孔；施工工藝

表1　鉆頭選型表

采空區是地下煤層開采后形成的空間，煤層采空后，其頂板受破壞后，可能造成采空區自然坍塌，引起上覆地層的變化，形成冒落帶、裂隙帶、彎曲帶。采空區的存在直接威脅著煤礦的安全及生產，必須加強探測，為后期資源開發提供科學依據。

1　煤碳采空區調查目的

為配合環境地質災害調查，研究某市市區內多個煤礦采空區采空洞的空間分布特征。在環境地質調查工作的基礎上，利用超低頻雷達探測技術與地震反射波法相結合，研究采空區內引起地面沉降等地質災害的采空洞的埋深、展布、充填等空間分布特，調查采空區塌陷（沉陷）的分布、規模，采空塌陷（沉陷）形成的地質及人為影響因素，危害及造成的損失，圈定塌陷（沉陷）區及成災范圍，分析其發展趨勢，為某城市建設提供地球物理科學依據。而煤礦采空區的探測，采用超低頻雷達和淺層地震相結合探測，為了驗證探測解析特性，需要對相應地層進行取樣對比分析。

本次煤炭采空區查證孔施工主要目的是查證煤礦采空區的分布及其穩定性，主要針對煤礦采空區進行鉆進取樣，驗證物探解析，并為物探解析提供物理特性對比，為采空區全面物探解析提供重要依據。

2　鉆進方法及鉆孔結構

本次采空區查證孔布置于某市北東部，鉆遇地層主要為第四系覆蓋層、脹縮性黏土、泥巖。為提高采樣精度及減少對巖樣的干擾，主要巖層及煤炭采空區鉆進必須采用繩索取心鉆進的方法進行施工，以提高巖樣采取率及巖樣的不受擾動性。在第四系覆蓋土層選用φ150合金單動單管鉆具進行無水鉆進（深度約為15m），鉆穿上部的浮土后下入φ146mm套管護壁。后換φ122mm繩索取心單動雙管鉆具鉆穿煤炭采空區后約20m，下套管隔離采空區。最后采用φ95mm繩索鉆具鉆進至終孔。各級別口徑鉆頭的選擇見表1。

本次探明煤炭采空區鉆孔采用 φ150mm-φ122mmφ95mm三級孔身結構?？咨斫Y構見圖1，CK01鉆孔孔身結構示意圖。

圖1　CK01鉆孔孔身結構示意圖

本次施工的5個煤炭采空區查證孔鉆孔參數見表2，施工鉆孔參數一覽表。

表2　施工鉆孔參數一覽表

3　沖洗液性能要求

3.1采用繩索取心鉆進存在的突出問題

繩索取心鉆進的主要特點是內巖心管能自由地從鉆桿內投放孔底，取心時不提出鉆桿，用鋼繩打撈器把內管打撈上來。為此鉆桿內外徑都比較大，接頭齊平或近齊平，使鉆桿與孔壁、內管與鉆桿內壁的環狀間隙都非常小，通常為1～3mm。由于地層復雜需采用含有膨潤土的沖洗液，如果沖洗液處理不當，主要會引起兩方面的問題：

3.1.1環空壓力大

外環空間小，循環泵壓高，造成循環漏失、壓垮孔壁，平衡壓力鉆進在所有鉆進方法中最困難，還容易產生粘附卡鉆。

由于環空壓力的大小與泵量、泥漿性能有直接的關系。泥漿的比重越大、粘度越高、切力越大，環空壓力就越大。

3.1.2鉆桿內壁結垢

繩索取心鉆桿內壁上的泥垢，實際上是鉆井液中固相物質（粘土顆粒、巖粉、未完全溶解的化學處理劑或絮凝物）在鉆桿內壁上的沉積物。鉆井液中的固相顆粒被離心力甩向管壁，并不斷沉積和壓實，加之粘土和有機聚合物的粘結作用，沉積物將逐漸脫水而變得十分結實，并牢固地粘附在鉆桿內壁上，鉆桿實際內徑變小，打撈器下放或內管提升時，無論沖擊或提拉，都很難通過垢層的障礙。

3.2影響環空壓力和造成鉆桿內壁結垢的主要因素

（1）沖洗液的流變性能。沖洗液的粘度越大，切力越高，其流動阻力也越大，環空壓力增大，也不利于鉆桿內壁結垢的預防。

（2）沖洗液的固相含量、顆粒密度及比重。固相含量越高，顆粒直徑及密度越大，越容易結垢。

（3）鉆桿的轉速。顆粒沉降速度與鉆桿轉速的平方成正比。

（4）沖洗液的流動速度（或泵量）。沖洗液的流動速度越快（或泵量越大），環空壓力也將隨之增大，但有利于防止繩鉆鉆桿內壁結垢。

（5）鉆桿內徑。鉆桿內徑越大，越容易造成繩鉆鉆桿內壁結垢。

3.3對本次繩索取心鉆進沖洗液性能提出要求

（1）低固相。一般膨潤土含量不超過5%，相當于漿液密度1.02～1.03g/cm3。

（2）極細分散。無合適固控設備的情況下，需在配漿和維護中，采用分散性好的配漿材料，保證入孔沖洗液中固相粒度80～90%控制在15～20um。

（3）低粘度、低切力。視粘度6～10MPa·s，動塑比0.2～0.5。

（4）失水量適當，具有一定的抑制能力。中壓失水量≤15ml/30min。

3.4使用的沖洗液及其性能控制

根據本次煤炭采空區施工鉆遇地層巖性主要為脹縮性黏土、泥巖的特點，結合此次施工鉆機及施工工藝的特點，采用無固相沖洗液。

沖洗液配方：1m3清水+0.5～1%GLA改性瀝青+0.5～1% GSP廣譜護壁劑+0.3%HV-CMC羧甲基纖維素+0.05～0.08% PHP聚丙烯酰胺+0.5%氯化鉀+水玻璃。

沖洗液性能：

比重1.01～1.03；漏斗粘度：18～23S；失水量8mL；含砂量≤0.5%；pH值8～9。視粘度AV：4.5～11MPa·s；塑性粘度PV：6.0～12MPa·s；動塑比n：0.35～0.60ks-1。

在施工過程中如何快速評估沖洗液性能，及時反映泥漿是否滿足要求，我們通過實踐積累如下經驗：

（1）不影響繩索取心打撈器下入，作為評估固相含量及黏度高低的指標之一；

（2）巖心管中巖心的取出難易程度（巖心吸水則會膨脹），作為沖洗液失水量高低的評估指標之一；

（3）泥漿泵泵壓的高低及穩定情況可作為沖洗液的護壁性能及攜帶巖粉能力的評估指標之一。

脹縮性黏土、泥巖比較容易吸水造成縮徑、孔壁失穩，所以控制沖洗液的失水量較為關鍵。為確保沖洗液性能對地層的穩定，在施工現場還需做沖洗液侵泡實驗，分別使用清水及沖洗液對巖樣進行48h侵泡實驗。經過我們的試驗，驗證本次施工沖洗液性能完全達到預期要求。

4　施工小結

（1）由于鉆遇地層巖性主要為脹縮性黏土、泥巖，必須控制好沖洗液的失水量，并進行三班24h工作制；

（2）實時根據沖洗液性能、地層、鉆進情況的變化，及時調整沖洗液；

（3）快速穿過采空區，并在鉆穿采空區15～20m后再下入套管隔離采空區；

（4）針對脹縮性黏土、泥巖地層，采用繩索取心工藝較普通單管鉆進工藝對地層的穩定要好得多。

［1］《地質巖心鉆探規程》（DZ/T0227-2010）.

［2］湯鳳林，等.巖心鉆探學.中國地質大學出版社，1997.

［3］楊向峰.巖粉含量對鉆孔沖洗液性能的影響.工程科技，2014，3：25～26.

圖2　現場沖洗液侵泡實驗對比圖

TD745

A

2095-2066（2016）17-0079-02

2016-5-30

陳蘭弟（1983-），男，探礦工程師，本科，畢業于中國地質大學（武漢），主要從事固體礦產勘察、工程地質勘察施工工作。