滎鞏煤田下部鋁（粘）土礦普查巖芯鉆探施工工藝

楊寬才，李大鵬

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)居第四地質(zhì)勘查院，河南鄭州450001）

滎鞏煤田下部鋁（粘）土礦普查巖芯鉆探施工工藝

楊寬才*，李大鵬

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)居第四地質(zhì)勘查院，河南鄭州450001）

滎鞏煤田煤下鋁（粘）土礦項目存在大片采空、塌陷區(qū)，給煤下鋁勘探項目造成諸多不便。對采空區(qū)存在的主要施工技術(shù)難題，通過套管護壁堵漏和引進ZQM-89型半合管式單動雙管鉆具針對性進行處理，總結(jié)經(jīng)驗教訓，為開展類似鉆探施工提供參考。

煤下鋁；采空區(qū)；瓦斯；ZQM-89型半合管式單動雙管鉆具；采取率

1　工程概況

“河南省鄭州市滎鞏煤田下部鋁（粘）土礦普查”項目是河南省國土資源廳地質(zhì)勘查基金項目，勘查單位為河南省科學研究所，設(shè)計鉆探工作量11000m，我單位承擔施工了其中的5500m鉆探工作量。我單位于2014年5月3日第一臺鉆機進場開始施工，截止9月30日，累計完成鉆孔22個，完成鉆探工作量5587m。已完工鉆孔均一次性通過野外驗收，全部達到設(shè)計質(zhì)量要求。

2　地質(zhì)概況及設(shè)計要求

2.1地質(zhì)概況

礦區(qū)位于華北板塊嵩箕斷隆內(nèi)，嵩山背斜北翼東段，屬華北地層區(qū)嵩箕地層小區(qū)，地層走向近東西傾向近北，地層傾角5°～20°；主要由煤層露頭、沙魚溝斷層和郭小寨斷層所為限，五指嶺斷層將嵩山斷層截為兩段，自西向東軸部漸向北移。區(qū)內(nèi)地層發(fā)育由老到新有寒武系、奧陶中統(tǒng)、石炭系上統(tǒng)、二疊系、三疊系下統(tǒng)和第四系。主要由灰色薄層狀灰?guī)r、砂質(zhì)頁巖、砂巖、泥巖灰色中厚層狀鋁土礦等10余種巖石組成，可鉆性1～9級，研磨性程度：極低—較高。鉆孔地層剖面見表1。

表1　鉆孔地層剖面

2.2地質(zhì)設(shè)計要求

設(shè)計孔深：100～550m，鉆孔傾角：90°，終孔口徑：?91mm，二1煤層底板以上不取芯，二1煤層底板以下取芯。巖芯采取率：礦芯平均采取率不低于85%，圍巖巖芯的分層平均采取率一般不得低于75%。其他要求依照《鋁土礦、冶鎂菱鎂礦產(chǎn)地質(zhì)勘查規(guī)范》（DZ/T 0202-2002）和《煤炭地質(zhì)勘查鉆孔質(zhì)量標準》（MT/ T1042-2007）執(zhí)行。

3　施工難點

3.1鉆遇煤礦采空區(qū)，鉆孔坍塌掉塊嚴重，孔內(nèi)事故頻發(fā)

采空區(qū)施工的難點主要包括2個方面：漏失和坍塌掉塊。根據(jù)預查區(qū)已完鉆孔了解到的地層情況得知，該區(qū)鉆孔孔深一般較淺，存在1～2層采空區(qū)，除因地質(zhì)構(gòu)造、裂隙而造成的天然漏失，煤礦開采引發(fā)煤層頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力平衡被打破，加劇上覆地層地質(zhì)體及裂隙的破壞，造成采空區(qū)塌陷引起地層被拉裂、搓碎等，使漏失更嚴重。由于漏失引發(fā)孔內(nèi)井壁壓力失衡，施工中鉆孔坍塌嚴重，鉆進困難。

3.2部分鉆孔巖、礦芯采取率低

煤下鋁鉆探施工所遇地層存在多層煤層，且煤層頂板或發(fā)育炭質(zhì)軟泥，采用的普通單管或雙管鉆具，易因沖洗液的沖刷，起鉆中的激蕩造成巖芯的掉落。裂隙發(fā)育的砂巖、灰?guī)r及礦層頂?shù)装宀糠制扑椋胀ㄣ@具難以保證采取率，難滿足鋁（粘）土礦的高要求。

3.3易鉆遇到瓦斯，爆炸風險大

礦區(qū)內(nèi)煤炭儲量豐富，煤質(zhì)優(yōu)良，經(jīng)過常年開發(fā)，形成的大片采空區(qū)易富集瓦斯，一旦鉆孔穿遇到該層位，瓦斯易順鉆孔泄露至地表，在井口易發(fā)生燃燒爆炸事故。

4　鉆探設(shè)備及器具選擇

根據(jù)礦區(qū)的地質(zhì)條件、鉆孔設(shè)計深度、結(jié)構(gòu)、鉆進方法，并結(jié)合以往在類似礦區(qū)施工經(jīng)驗，綜合考慮，主要以實用煤下鋁鉆探施工的設(shè)備、管材、鉆具等為主，優(yōu)化配置，確保項目樹立完成。

鉆機：采用XY-2、HXY-4T塔機一體、XY-4和XY-44四種型號的鉆機，針對不同鉆孔深度，合理調(diào)配鉆機。通過實踐證明，上述3種型號鉆機性能穩(wěn)定，分別滿足了不同鉆孔深度的需要。

泥漿泵：采用BW-250型泥漿泵，性能穩(wěn)定，安裝維修方便，滿足了生產(chǎn)需要。

鉆塔：主要選用HCX-13型鉆塔，鉆塔構(gòu)件輕，便于搬運，提高起下鉆的效率，以減少輔助時間。

鉆桿：為保證鉆進的安全生產(chǎn)需要，主要選用無錫中地地質(zhì)裝備有限公司生產(chǎn)的?60mm墩粗鉆桿，滿足生產(chǎn)所需。

5　施工技術(shù)方案

5.1鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

該礦區(qū)地層屬于沉積巖地層，因有采空區(qū)，鉆進中經(jīng)常遇到坍塌、掉塊、漏失、縮徑等技術(shù)難題，因此設(shè)計鉆孔結(jié)構(gòu)時，應(yīng)留足套管隔離復雜地層的口徑。

根據(jù)地質(zhì)設(shè)計要求，該工區(qū)鉆孔終孔孔徑為?91mm。詳細的鉆孔結(jié)構(gòu)如下：

開孔?146mm，鉆進基巖2m后下入孔口管；換?130mm三翼鉆頭全面鉆進至二1煤層底板，快速下入?127mm套管護壁；再換成?110mm孔徑，鉆進至一1煤層底板下2m，下入?108mm飛管，此處根據(jù)鉆孔實際情況而定，如所取巖芯破碎，坍塌掉塊嚴重，可考慮下?108mm全孔套管，如未遇采空區(qū)，可不下套管；一1煤層底板以下，巖層相對穩(wěn)定，巖芯較完整，可換?91mm孔徑一徑到底。鉆孔結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1　鉆孔結(jié)構(gòu)圖

5.2鉆進技術(shù)方法

5.2.1鉆進技術(shù)方案

根據(jù)地質(zhì)剖面可得出，第四系覆蓋層可鉆性低，可用?146mm三翼鉆頭開孔，鉆進基巖2m后下入孔口管，焊接牢固，控制彎曲度；二疊系、三疊系地層主要是砂巖、泥巖、砂泥巖互層為主，可鉆性4～6級，地層因煤礦開采破壞，坍塌掉塊和漏失嚴重，單靠泥漿護壁完成全孔鉆進是不夠的，需采取綜合護壁堵漏措施，在泥漿護壁條件下?lián)Q?130mm三翼鉆頭全面鉆進至二1煤層底板，快速下入?127mm護壁套管封隔坍塌掉塊段；再換成?110mm金剛石單動雙管鉆具取芯鉆進，鉆至一1煤層底板下2m，下入?108mm飛管，此處根據(jù)鉆孔實際情況而定，如所取巖芯破碎，坍塌掉塊嚴重，可考慮下?108mm全孔套管，如未遇采空區(qū)，可不下套管；一1煤層底板以下，為石炭系和奧陶系，多由鋁土礦、粘土礦、石灰?guī)r組成，巖層相對穩(wěn)定，巖芯較完整，可使用?91mm金剛石單動雙管鉆具一徑到底，關(guān)鍵點為保證巖礦芯采取率，必要時可換用局部噴反鉆具或繩索取芯鉆進工藝提高巖礦芯的采取。

5.2.2鉆具組合

（1）三翼全面鉆進自下而上的鉆具組合為：

鉆頭→鉆鋌→?60mm鉆桿→鉆機立軸。

（2）普雙取芯鉆進自下而上的鉆具組合為：

鉆頭→巖芯管→鉆鋌→?60mm鉆桿→鉆機立軸。

5.2.3鉆進技術(shù)參數(shù)的選擇（表2）

表2　鉆進參數(shù)推薦表

5.3沖洗液

工區(qū)頂部第四系地層覆蓋，層厚20～300m不等，該地層能實現(xiàn)快速鉆進，可最大難度在于護壁。其以粘土層為代表，包括亞粘土、黃土、砂質(zhì)粘土等，其特點是，遇水膨脹，造漿性強，施工中易出現(xiàn)膨脹縮徑，強烈的粘土侵蝕使泥漿密度增大，流動性變差，性能穩(wěn)定困難。通過配置高粘度腐植酸鉀鉆井液可以對覆蓋層進行有效的護壁。基巖內(nèi)鉆進，尤其是在采空區(qū)內(nèi)，應(yīng)追求快速鉆進，采用高粘、低密度的低固相泥漿可滿足要求。穿越覆蓋層，下入套管護壁后，可使用普通泥漿鉆進至終孔。沖洗液的配制如下：

腐植酸鉀-KF-1低固相泥漿配置：

配方：13%優(yōu)質(zhì)粘土+7%燒堿+0.2%～0.3% CMC+2%～5%KHM（腐植酸鉀）+1.5%植物膠+0.2% KF-1（潤滑劑）。

不分散低固相泥漿配置：

配方：5%優(yōu)質(zhì)粘土+7%燒堿+0.2%～0.3%CMC+ 300～350ppmPHP+0.1%發(fā)泡劑。

普通低固相泥漿配置：

配方：6%優(yōu)質(zhì)粘土+3%燒堿+0.1%～0.2%CMC+ 300～350ppmPHP。

鉆井液性能見表3。

表3　鉆井液性能一覽表

6　鉆探技術(shù)措施

6.1套管護壁、堵漏

根據(jù)煤田地層特點，一1煤層以下進入本溪組，即鋁土礦工作的目的層位，工區(qū)內(nèi)一煤組部分可采；山西組為二煤組主要地層，其二1煤為本區(qū)重要的可采煤層。該項目二1煤層底板以上不取芯，可采用?130mm三翼鉆頭全面鉆進和套管及時跟進護壁的工藝，對二1煤層底板以下至一1煤層底板以上取芯段，可采用?110mm金剛石單動雙管鉆具進行取芯，遇采空區(qū)下入?108mm飛管或全孔套管，飛管用絲扣連接上緊，絲扣要加纏棉線上鉛油，上緊后，電焊焊牢，防止鉆進過程中由于震動造成脫節(jié)錯位。飛管上下兩頭在300～500mm處纏繞止水物，纏繞外徑為109～110mm，以保證在水泥固井時水泥漿不從飛管與孔壁的間隙流向采空區(qū)漏水層段。飛管上端為套管反扣，飛管下端口加工成小馬蹄狀，防止起鉆時碰掛飛管。

6.2ZQM-89型半合管式單動雙管鉆具保證采取率

半合管式鉆具不僅對煤層使用效果顯著，通過更換鉆頭的方式，對破碎帶、鋁（粘）土礦層同樣能保證不錯的鉆進時效和高的采取率。

該型鉆具的通水結(jié)構(gòu)中沖洗液經(jīng)過外管接頭中的同心孔進入鉆具，經(jīng)過內(nèi)管與外管的間隙后，大部分從鉆頭的斜孔泄出，可減少沖洗液對巖芯的沖刷，小部分從卡簧座與鉆頭內(nèi)壁斜臺的縫隙中泄出。在內(nèi)管接頭中有一鋼球，具有類似于單向閥的作用，既可避免沖洗液進入巖（礦）芯，又可排除半合管內(nèi)空氣壓力。

鉆具的卡取裝置由爪簧、卡簧、卡簧座組成，爪簧和卡簧組合在一起，成為一體。卡簧在卡簧座中可以滑動，其內(nèi)壁有豎槽，可增大與巖（礦）芯的摩擦；側(cè)面有一切口，具有較大的伸縮性。鉆進開始時，巖芯頂著卡簧向上移動，卡簧受到爪簧的影響被限位，此時卡簧處于自由狀態(tài)。提鉆時，受到巖芯作用卡簧下行，在卡簧座內(nèi)孔的限制下開始收縮抱緊并將巖芯提斷，如果巖芯松軟，巖芯直徑變化大，由于爪簧變化范圍大，此時巖芯不會輕易脫落；如果巖芯較硬，主要由卡簧抱緊巖芯，爪簧作用小。

通過使用該型鉆具的ZK08907和使用普通單動雙管的ZK08903相比較，巖礦芯的采取率提高3%～8%不等，完全滿足鋁（粘）土礦對高采取率的要求。

6.3采用優(yōu)質(zhì)高效鉆頭

由于該區(qū)二1煤底板以上不取芯，選擇的鉆頭有三翼復合片鉆頭、復合片取芯鉆頭、雙管金剛石鉆頭等。工區(qū)采用的復合片鉆頭種類較多，每類鉆頭的PDC數(shù)量，后傾角、旁通角及排列方式不盡相同，現(xiàn)以長沙探礦機械廠生產(chǎn)的?91mm復合片鉆頭為例，每個鉆頭用8片PDC，每片PDC的后傾角15°，旁通角7.5°，出露高度為4mm保持不變，排列方式采用單環(huán)式布置方式。孕鑲金剛石鉆頭所用金剛石的粒度取決于所鉆巖性，粒度為46～60粒/克拉，鉆頭胎體的硬度：HRC30，應(yīng)用于中硬的弱研磨性巖層。采取多種鉆頭配合使用，取得了較好的鉆探效率。

6.4預防瓦斯爆炸事故采取的措施

一方面當快鉆遇到瓦斯地層時要盡量采取低的鉆進參數(shù)施工，減少對孔內(nèi)地層的破壞擾動。另一方面，機臺操作人員要密切關(guān)注從孔內(nèi)上返出的泥漿沖洗液，如果發(fā)現(xiàn)沖洗液含有大量氣泡，就要判斷是否是孔內(nèi)瓦斯上到地表。一旦判斷為瓦斯氣體，要立即停止回轉(zhuǎn)，盡量往孔內(nèi)灌注泥漿沖洗液，防止出現(xiàn)井噴現(xiàn)象。同時，機臺人員要及時撤離施工現(xiàn)場，并做好警示標志，待到上返的沖洗液不含氣體時再開始鉆進施工。若遇到有較大瓦斯突出記錄的地層時，應(yīng)在鉆具級配上選取防突鉆頭或新型的鉆具級配形式，作為孔內(nèi)的防突措施

7　結(jié)語

通過該項目的施工，在采空區(qū)鉆探施工領(lǐng)域，取到許多寶貴的經(jīng)驗教訓，可也存在著很多問題。總結(jié)內(nèi)容具體如下：

（1）前期對采空施工難度的認識不足，導致廢孔、移鉆現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，孔內(nèi)事故率較高，造成相當大的經(jīng)濟損失。

（2）引進的ZQM-89型半合管式單動雙管鉆具在工區(qū)得到了成功應(yīng)用，更是根據(jù)不同地層合理更換鉆頭，使其既能適應(yīng)煤層又能適應(yīng)硬質(zhì)破碎地層，保證了鉆進時效和高采取率。

（3）部分鉆孔曾出現(xiàn)打丟煤層的現(xiàn)象，煤層較薄，一穿而過。一定做好標志層判層工作，預測煤層位置，謹慎小心，見軟起鉆，更根據(jù)煤層位置準確預測礦層，提前做好取礦工作。

（4）針對可能會出現(xiàn)的瓦斯泄漏，要提前做好準備，防止大的人員、設(shè)備安全事故發(fā)生。

［1］DZ/T 0227-2010地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程［S］.

［2］李世忠.鉆探工藝學［M］.地質(zhì)出版社，2008.

［3］鄢捷年.鉆井液工藝學［M］.石油大學出版社，2008.

［4］劉夢溪.復合片取心鉆頭的研制及其應(yīng)用［J］.中國煤炭地質(zhì)，2001（3）.

［5］楊軍.煤田鉆探用沖洗液類型的探討［J］.新疆有色金屬，2011 （6）.

［6］姚亞峰.ZQM-89型半合管式單動雙管取煤器的研制［J］.煤炭工程，2006（4）.

P634.5

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1004-5716（2016）01-0065-04

2015-01-23

2015-02-05

楊寬才（1983-），男（漢族），河南信陽人，工程師，現(xiàn)從事巖芯鉆探技術(shù)質(zhì)量管理工作。