鉆探技術在煤礦采空區處治施工中選擇與應用

毛 玉 坤

(中交通力建設股份有限公司，陜西 西安 710075)

1 鉆探技術的發展歷史及現狀

鉆探技術是一種常用的野外勘察手段，它通過機械設備自地表向下進行鉆進，采取巖土芯樣獲取地下實物資料，驗證地下信息推斷與解釋，最終獲得可靠的地質資料，為各類工程設計提供真實、準確的地質參數。

鉆探技術的雛形可以追溯到秦代的鉆鑿鹽井、汲取鹵水、熬煮成鹽以供民食用的記載，據史書記載到了唐代，僅四川一地就有鹽井六百多口，明清時期更是得到了極大的發展，當時多采用簡便易行的沖擊鉆進方法[1]。現代我國采用的鉆探技術是由歐美發達國家傳入的。新中國成立以后我國致力于發展自有設備、不斷研究和提高鉆探工藝水平，雖說取得了長足進步，但比起國外先進水平仍處于探索和發展之中。改革開放以來，我國通過國家重大科學工程項目“中國大陸科學鉆探工程”5 158 m“科鉆一井”的實施，取得了一系列鉆探技術成果，形成了一整套新型的、具有國際先進水平的硬巖深井科學鉆探技術體系，包括硬巖深井取芯鉆進技術、擴孔鉆進技術、泥漿技術和井斜控制技術[2]。

2 煤礦采空區治理施工中常用的鉆探技術

眾所周知，我國是世界上煤炭資源儲量第三大國，也是世界上煤炭開采量和出口量最多的國家。那么，如此大規模、長期的開采，勢必在地下形成煤礦采空區，從而誘發地表沉陷，產生連續或非連續性變形，并由此帶來一系列環境巖土工程問題，如平地積水、道路裂縫、房屋倒塌、耕地減少、農田減產等，給礦區工程建設造成極大隱患。為了確保工程建設安全，一般在采空段應采用鉆孔注漿、礫料充填等手段予以處治[3]。鉆孔注漿的前提條件就是鉆探成孔，通過對以往的煤礦采空區治理工程施工工藝總結，施工中常用的鉆探手段及方法主要有：沖擊鉆探、回轉鉆探以及沖擊回轉相結合的鉆探方法等。

2.1 沖擊鉆探方法

沖擊鉆進是利用沖擊錐運動的動能產生沖擊作用，破碎巖層實現鉆進的一種鉆探方法。其工作原理：一般利用曲柄搖桿機構或卷揚機提升懸吊在鋼絲繩下端的鉆具至一定高度，然后在重力作用下下落，對井底產生沖擊破碎巖石。鉆進效率決定于鉆具重量、沖程和沖次。沖擊鉆進一般分為：手動沖擊鉆進和機械沖擊鉆進兩種，其中機械沖擊鉆進可進一步分為：液動和氣動兩種。

2.2 回轉鉆探方法

回轉式鉆進利用鉆機回轉器或孔底動力機具轉動鉆頭來破碎孔底巖石的鉆進方法。回轉式鉆進的工作原理：地面動力回轉鉆進時，動力機驅動鉆機的回轉器，帶動穿過回轉器的主動鉆桿以及與主動鉆桿連接的鉆桿柱和孔底的鉆頭一起旋轉破碎巖石，巖屑隨循環的沖洗介質返至地面。回轉鉆進一般分為：手動回轉鉆進和機械回轉鉆進兩種。根據不同的鉆頭類型，機械式回轉鉆進又可分為：硬質合金鉆進、金剛石鉆進和無芯鉆進等。當鉆頭呈環狀端面時，孔底中心未經破碎的巖石圓柱(巖芯)隨著鉆頭的推進而進入巖芯管，根據孔內巖芯管長度計算鉆進進尺，通過投入卡料、提動鉆具或其他取芯方法，將巖芯卡斷，從孔底提至地表，這種鉆進方法和過程稱巖芯鉆進(硬質合金鉆進和金剛石鉆進)；當鉆頭以全部圓形底面破碎孔底巖石時，孔內無巖芯，稱為全面鉆進(無芯鉆進)。

2.3 沖擊回轉鉆探方法

沖擊回轉鉆進利用專門的沖擊器和鉆機回轉器共同驅動鉆頭破碎孔底巖石的鉆進方法。沖擊回轉鉆進的工作原理：采用的鉆具是在一般回轉鉆進鉆具的巖心管或鉆頭之上連接一個沖擊器，鉆進過程中地表鉆機通過鉆桿柱帶動鉆頭回轉并作用于鉆頭一定的軸向壓力，同時鉆進用的水泵(或空氣壓縮機)經地表管路系統和鉆桿柱內孔將高壓液流(或壓縮空氣)送入沖擊器，使其工作，向鉆頭施加一定頻率的沖擊動載，孔底巖石在沖擊和回轉聯合作用下被破碎。從沖擊器中排出的液體(或空氣)經鉆頭到達孔底后向地表返回，并攜帶出巖粉，鉆孔不斷加深。因為孔底巖石是受軸向靜壓力、縱向沖擊動載和回轉切削的共同作用，故破碎效率高。沖擊器是沖擊回轉鉆進的關鍵器具，其結構性能影響沖擊回轉鉆進的特性與效果。本項目施工現場多采用氣動式沖擊回轉鉆進，常稱潛孔錘鉆進。

上述各種鉆探技術的發展演變及對于采空區治理施工的適用性，歸納總結于表1。

表1 各類鉆探技術在煤礦采空區治理施工中的適用性表

3 不同鉆進技術在工程實例中的應用與評價

3.1 工程實例簡介

烏魯木齊繞城高速公路(東線)工程是國家高速公路網重要組成部分，同時也是新疆2010年—2020年公路網規劃提出的“三橫兩縱兩環八通道”網絡中“環一”的重要組成部分，它的建成可以極大改善烏魯木齊現有交通和環境質量。項目全線采用雙向六車道高速公路標準，設計速度100 km/h，路基寬度33.5 m[4]。在路線途徑之處存在多處煤礦采空區，且所經煤礦采空區基本為急傾斜煤層(傾角大于55°)采空區，擬建線路從煤礦預留安全煤柱上通過，仍有大部分處于采空移動區和變形區，需要通過鉆孔注漿加固的方法對路基及其兩側有影響的區域進行加固治理。在本項目采空區治理施工過程中，采用的主要鉆探工藝為：回轉式鉆進和沖擊回轉式鉆進兩種。

以本項目采空區治理工程DCKQ-2標段為例，該標段采空區治理樁號K21+220～K21+880，長度660 m。設計主要工作量如下：設計鉆孔1 039孔，總進尺79 428 m，水泥粉煤灰漿液注漿量97 538 m3，注漿預填砂礫骨料4 238 m3，采煤井洞砂礫土回填9 500 m3，鋼筋混凝土地梁格柵長度660 m。

3.2 不同鉆探工藝在施工中的適用性及其優缺點

筆者有幸參與了烏魯木齊繞城高速公路(東線)工程采空區治理項目的施工，現場施工過程中，選取地質條件類似的Z65-8孔和Z66-5孔進行現場沖擊回轉式和回轉式試驗比較，鉆孔孔深為50 m，擬從上述兩種鉆進方式的工作效率、能耗、地層適應性及注漿適用性幾個方面進行比較。

1)工作效率。

由于回轉鉆進和沖擊式回轉鉆進的施工工藝不同，回轉式鉆進采用清水循環液，將底部巖粉返出孔口，該方式鉆進速度慢、效率低、鉆頭損耗較大；沖擊回轉式鉆進效率高、鉆頭壽命長、有利于預防鉆孔偏斜。

根據現場測試，在完成相同50 m深鉆孔時，Z66-5孔采用回轉式鉆進的機械(XY-4型地質鉆機)鉆孔成孔時間約為8 h，而Z65-8孔采用沖擊回轉式鉆進的機械(150B潛孔錘)鉆孔成孔時間約為1 h，從而可以看出沖擊回轉式鉆進較回轉式鉆進的工作效率高。

2)油耗。

根據現場測試，在完成相同50 m鉆孔時，Z66-5孔采用回轉式鉆進的機械(XY-4型地質鉆機)鉆孔成孔油耗約40 L，而Z65-8孔采用沖擊回轉式鉆進的機械(150B潛孔錘)鉆孔成孔油耗約60 L，從而可以看出沖擊回轉式鉆進較回轉式鉆進的油耗高。

3)地層適用性。

根據現場施工情況，回轉式鉆進對地層的適用性高，對于上部第四系、基巖、冒落帶及采煤空洞都可以鉆進；相反，沖擊回轉式鉆進主要靠從沖擊器中排出的空氣經鉆頭到達孔底后向地表返回，并攜帶出巖粉，使得鉆孔不斷加深，如遇基巖破碎或采煤空洞時鉆進過程中孔底漏風，使得巖粉無法返出地面，鉆進速度將明顯變緩，效率明顯降低。因此，沖擊回轉式鉆進在采空區鉆孔施工中具有較明顯的局限性。

4)注漿適用性。

回轉式鉆進采用清水作為清洗液，循環返漿的工藝，將研磨的巖粉從孔底返出地面，孔底沉渣較少，基巖裂隙不會因為巖粉過多堵塞注漿通道，有利于注漿工程的實施；相反，沖擊回轉式鉆進主要依靠空壓機產生的氣流將孔下巖粉返出地面，在此過程中巖粉有可能填滿裂隙，阻斷漿液流通通道，從而進一步影響注漿質量。

表2 兩種鉆進方式比較一覽表

如表2所示，回轉式鉆進和沖擊回轉式鉆進在工作效率、施工成本、地層適用性及注漿適用性中各有所長。眾所周知，采空區治理施工中的重中之重就是注漿，注漿效果的好壞直接影響工程質量。因此，本文筆者認為在同等條件下選用回轉鉆進更有利于提高注漿施工的質量，確保所治理的工程區滿足建設標準。

4 結語

1)鉆探技術在我國有著悠久的歷史，從古老的鹽井開始直至今日，鉆探技術已經廣泛應用于工程建設的各個領域。這是一筆巨大的財富，是國外鉆探技術所無法取代的。

2)通過工程實例，采用對比分析的方法，歸納總結了回轉式鉆探和沖擊回轉式鉆探在煤礦采空區治理施工中的優劣性，為設計單位在未來采空區處治設計中能夠更好的選擇鉆探工藝提供了理論基礎依據。

3)如何在滿足采空區注漿質量要求的前提下，通過改進鉆探工藝、鉆頭、循環液等手段進一步提高鉆探效率，使其適應于高速發展的工程建設，并取得較好的工程、經濟、安全效果仍值得廣大巖土工作者深思。

[1] 李遠龍,賈一凡,史小萌.中國鉆探技術發展綜述[J].中國新技術新產品,2010(1):117.

[2] 冉恒謙,張金昌,謝文衛,等.地質鉆探技術與應用研究[J].地質學報,2011,11(85):1806-1821.

[3] JTG/T D31—03—2011，采空區公路設計與施工細則[S].

[4] 江蘇省交通科學研究院股份有限公司.烏魯木齊繞城高速公路(東線)采空區專題設計報告[R].2011.