大松樹煤礦中鉆探技術的應用

秦龍華

摘要：大松樹煤礦位于云南省宣威市羊場煤礦區內，部分范圍（北段）屬于國家出資勘查的煤礦區范圍，工作程度達到詳查。大松樹煤礦鉆探施工工藝是收集了礦區的地質等資料，并參閱相關資料及書籍。其主要內容：①礦區的基本情況；②礦區地層；③礦區構造；④礦區的巖石可鉆性分類；⑤礦區的鉆探技術應用等。

關鍵詞： 大松樹煤礦；鉆探技術；泥漿

1礦區基本情況

大松樹煤礦位于云南省宣威市羊場煤礦區內，部分范圍（北段）屬于國家出資勘查的煤礦區范圍，工作程度達到詳查。礦區開采歷史悠久，但多限于淺部。目前主要地段已有國營和私營煤礦開采，次要地段還無人開采。

大松樹煤礦位于宣威市城東南約20千米處，屬于東山鎮管轄。探礦權范圍：北起F12斷層南側，南至打鎖坡附近，西起八大河，東至老黑山。占據了XIII、XIV井田的南部，XII井田的北東邊沿及IX井田的南西邊沿，面積23.90平方千米。其所占國家探明煤礦資源儲量設計云南省宣威市羊場煤礦區XIII、XIV井田，本次煤礦勘探范圍也僅限于XIII、XIV井田南部地段即（大松樹煤礦北段）。

2 地層

峨嵋山玄武巖組（P2e）：灰綠色——深綠色細晶等粒狀玄武巖，塊狀構造，柱狀節理發育。上部具有杏仁狀構造，局部有具流紋狀暗紫紅色凝灰質火山灰充填裂隙中。頂部有約15米為紫紅色擊武凝灰巖，裂隙發育，其間夾鋁土質泥巖。厚度240—314米。

宣威煤組（P2x）：主要為灰色細砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖及煤組成。煤組巖性變化較大，旋回頻繁，但煤組總厚度變化甚小。含煤32—40層，其中3、9煤層為可采煤層。主要可采煤層均賦存于煤組上部，中部含不可采煤層，下部幾乎不含煤。

卡以頭組（T1k）：厚度一般為117.46米，由灰綠色薄—中厚層狀細砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖組成。上部泥質粉砂巖中常夾暗紫紅色泥巖薄層；中下部夾有較多具泥裂現象的暗紫紅色泥巖薄層及條帶，下部巖性變細為粉砂質泥巖，且含個體較小的瓣式類、腹足類動物化石與植物碎屑化石共生。與下伏煤系地層呈整合接觸。

飛仙關組（T1f）：由紫紅色粉砂巖、細砂巖、暗紫紅色泥巖組成。一般厚446.68米。按巖性共分五段：一、二段出露在二臺坡以北的廣大地區，三段在格木一帶有出露，四、五段出露與二臺坡以南。與下伏地層呈整合接觸。

永寧鎮組（T1y）：分布于二臺坡以南，可見厚度264.27米，與下伏地層呈連續沉積。

工作區位于羊場向斜北西部，走向北東—南西，傾向南東。地層平緩。區域斷裂發育。賦礦層位二疊系宣威組，為一套陸相碎屑含煤巖系。含煤28—42層，主要可采煤層2層，可采煤層穩定性好。煤系地層水敏性強，施工難度大。地表中生代紅層賦水性差，施工供水取水十分困難。

3 構造

礦區位于云南“山”字形構造體系前弧東翼與新華夏構造體構造體系復合部位，其區域構造特點是一系列北東向及北北東向壓性、壓扭性斷層等于若干主要由晚古生代含煤地層構成的復向斜相間排列。羊場復向斜就是此構造體系中的一個次級褶皺構造，礦區位于該向斜的西北部。

褶皺：XIII、XIV井田的基本構造形態，為一扭曲了的次一級向斜構造，即正雄向斜。

斷層：井田內斷層發育共查出108條，且正斷層多，逆斷層少。

滑坡：大松樹礦北段內，只有VII號滑坡，在北段西側有X號滑坡，在北段西側有X號滑坡，對煤層均無影響（如下圖1）。

4 巖石可鉆性分類

區內巖石可鉆性級別分類，以地層中大層巖石名稱為依據，并遵照原四川省地礦局《機械巖芯鉆探工作定額（試行1983）》的規定而劃分。鉆孔穿越各地層巖石性質、平均厚度、平均巖石可鉆性級別詳見圖2。

5 鉆探技術的應用

5.1普通鉆探技術。該區巖石可鉆性級別大部分為5級（T1y、T1f、T1k、P2x），僅P2o為7～8級，各類巖石均呈弱研磨性。鉆遇地層中除T1y、T1k井段局部破碎外，其余地層結構完整，穩定性較好，全區巖層均適宜硬質合金、復合片及金剛石鉆進，特別適合采用繩索取心金剛石鉆進工藝。由于普通硬質合金鉆進存在兩大問題。其一是鉆進效率低；其二是鉆孔質量不高，孔斜度大及煤礦層結構混亂，因此本區鉆進方法除在個別鉆孔的部分孔段采用合金鉆進外，一般不使用合金鉆頭鉆進工藝。在部分鉆孔開孔井段時一般采用合金鉆進。在個別水文鉆孔，由于對開孔口徑的要求，要求采用合金鉆頭開孔。下表1是采用硬質合金鉆進工藝時參考的鉆進工藝參數。

5.2金剛石繩索取芯鉆探技術

除特殊情況外，均采用復合片鉆進工藝或者金剛石鉆進工藝。在地層中，部分鉆孔可采用金剛石或復合片單管鉆進。絕大部分鉆孔要求采用繩索取芯鉆進工藝。下表2是采用金剛石繩索取芯鉆進工藝時參考的鉆進工藝參數。

5.2.1下好套管和預防孔斜：（1）表層套管。孔深超過200米的鉆孔都要下套管，孔深小于200米的鉆孔也要下一組大口徑的井口管，防止表土坍塌。對于第四系、新第三系較厚的鉆孔，采取不下套管方式完鉆，但要始終采用優質鉆井液鉆進，定時對鉆井液進行檢測，盡量減少起下鉆具次數，達到鉆井液護孔的目的。對于其他鉆孔，則根據鉆孔的孔徑來選擇不同直徑的套管，根據鉆孔所遇地層巖性的完整程度、構造特點、風化帶發育深度來確定下套管的深度。（2）套管直徑。套管直徑的選擇與鉆孔孔徑有直接的關系，通過施工經總結出鉆具與套管級配關系為：型號為S75的鉆具配外徑77mm、壁厚14mm的鉆頭，配外徑71mm、壁厚5.5mm的繩取鉆桿，與之相匹配的套管外徑89mm，壁厚5mm； 型號為S95的鉆具配外徑95mm、壁厚15.1mm的鉆頭，配外徑89mm、壁厚6mm的繩取鉆桿， 與之相匹配的套管外徑108mm，壁厚4.5mm。（3）套管深度。鉆孔處于低山丘陵地區，地下水位較深，開孔為堅硬完整巖石，巖石風化較弱，只需下一層開孔管，深度5-10m為宜，并用水泥封好。地下水位埋藏較淺或出露地表，套管應下到巖石相對完整的弱風化帶段內除下一層孔口管外，還應下一層套管，應下入到弱風化帶以下的完整巖石段內，一般在70米-90米之間。鉆孔設計較深，生產周期較長，孔深超過500米時，一般需要下2～3層套管，即增加一層技術套管，技術套管孔口不固定，如果孔內出現坍塌、掉塊等現象，則拔出技術套管，擴孔到破碎地層以下3～5米，然后重新下入。（4）注意事項。下套管時，要使套管下到完整的基巖上，并用海帶止水座牢；套管用絲扣連接固定且絲扣連接部位用接箍焊死；套管要下正，孔口處用水泥或者木楔固定，并用脫皮密封，以防止套管偏斜和泥沙、巖粉流入套管與孔壁的間隙，完鉆后影響套管的起拔；擴孔后下套管前往孔內灌入大比重泥漿、高黏度的黃土、聚丙烯酰胺、鋸末等混合而成的漿液，這樣可以用漿液提前占領孔壁與套管間的間隙，減少孔壁掉物擠壓套管的機會，對套管起到穩定作用。（5）預防孔斜。開孔前一定要用水平尺多方校正主動鉆桿，這是確保孔斜在允許范圍內的重要保證，井身質量主要取決于開孔時主動鉆桿的垂直程度；適當增加金剛石鉆頭胎體的高度，增加鉆頭在孔底運動穩定性，在易斜地層選用導向好的鉆頭唇面形式，如外錐型、階梯型等；采用組合式防斜擴孔器或者穩定器，保持鉆具在孔底運動的穩定性；另外要嚴格控制鉆頭壓力，實行減壓鉆進。

5.2.2 選擇適巖鉆頭和擴孔器：（1）適巖鉆頭和擴孔器的選擇。繩索取心鉆進，除在軟巖鉆進仍可采用硬質鉆頭外，普遍采用金剛石鉆頭為碎巖工具，鉆頭壽命正常不低于30米，一般為30米～300米，只有在堅硬巖石中才降為5～30米。要根據地層巖性的可鉆性選擇鉆頭。一般來講，含煤巖系地層可選用粗粒或者中粒的針狀聚晶底噴鉆頭或者復合片底噴鉆頭；其他選用金剛石表鑲鉆頭和孕鑲鉆頭。選用金剛石鉆頭次序時，要按金剛石鉆頭外徑和內徑尺寸分組排隊，依照一定的順序使用，先用外徑大、內徑小的鉆頭，后用外徑小、內徑大的鉆頭；每次下入的鉆頭與前一回次鉆頭的直徑要小。新鉆頭下孔后必須進行初磨，即采用輕壓力（正常壓力的1/3）、慢轉速（200 r/m～300r/m），鉆進約10分鐘，然后再采用正常技術參數鉆進。正常情況下，鉆進時效控制在1.5～3.0m/h為宜。同時要注意，提鉆間隔大，純鉆時間長，鉆進效率高。但不能盲目追求提鉆間隔，這樣會造成金剛石磨損嚴重，易出現孔內事故。擴孔器與鉆頭的級配要合理，否則起不到修整孔壁、保持鉆孔直徑合乎標準尺寸以及扶正和穩定鉆頭的作用，并且要像使用鉆頭一樣進行排隊使用。（2）鉆井液參數。繩索取心鉆進應根據地層特點、鉆孔設計深度、施工要求選擇合適的鉆井液。孔壁完整的穩定地層，鉆孔設計為中淺孔，沖洗液應采用清水加潤滑劑；松軟、破碎、坍塌掉塊的地層，沖洗液應選擇不同性質的泥漿。該礦區采用鉆井液的技術參數指標分別是：開孔后下完表層套管之前，一般采用優質低固相泥漿。其性能為：密度1.02～1.03g/cm3，粘度為17～22s，失水量7～8ml，PH值7～8。開孔至完孔，孔壁完整、巖石穩定的地層，一般采用無固相泥漿。其性能為：密度1.04～1.05g/cm3，粘度為21～30s，失水量7～10ml，固相含量3%～4%，PH值8～10。坍塌、掉塊的巖石不穩定地層，一般采用優質低固相泥漿。其性能為：密度1.05～1.1g/cm3，粘度為26～35s，失水量6～7ml，固相含量4%，PH值7～8.5。（3）注意事項。鉆進過程中，往往由于鉆井液的性質及其在環空間隙（鉆桿柱與孔壁的環空間隙）的水力因素與巖性不相適應，造成鉆井液漏失，這已成為提高鉆探效率、降低鉆探成本的嚴重障礙。應根據施工的特殊現象，判斷漏失情況。從巖層結構判斷，根據取出的巖心是否節理、裂隙發育等判斷孔底是否漏失；在含煤巖系中鉆進時，灰巖、砂巖等層位易發生鉆井液漏失。從鉆進過程中判斷，鉆進過程中突然發生鉆井漏失，并伴有鉆進速度加快或者鉆具墜落，可能遇到破碎帶、大裂隙。從鉆孔內水位判斷，鉆孔出現漏失以后，首先停鉆測量孔內水位，確定漏失層位。孔內沒有穩定水位，全孔漏失，證明是在非含水層的鉆孔底部發生漏失；孔內穩定水位與地下水位一致，證明是在含水層的鉆孔底部發生漏失。孔底發生漏失時，若漏失層為非含水層，則穩定水位可能在漏失層之上，也可能在漏失層中。現在對鉆孔漏的堵漏方法很多，常用的有泥漿堵漏法、水泥堵漏法、化學漿液堵漏法、惰性材料堵漏法、套管堵漏法等。每種堵漏法都有其適用條件和范圍，要根據具體情況進行具體分析，有的放矢，采用多種方法，綜合治理。（4）鉆具的維護保養。發現內管彎曲變形每超過0.5mm時，應進行矯直或更換內管；局部有凹坑妨礙巖心進入時，也應更換.彈卡磨損、張簧變形，在彈卡張開寬度超過彈卡室內徑不足1.5mm時，要及時更換；彈卡部位要經常注油潤滑，使其保持動作靈活。單動軸承應定期注入黃油，軸承失靈時，應拆開檢查，清洗除垢，損壞時應予更換。彈卡擋頭拔叉磨成圓角，不能帶動內管總成上部轉動，應用銼修平，發現斷裂及時更換。懸掛環與座環的吻合面磨成圓錐形，及時更換。卡簧座的水口深度應保持在4mm，小于2mm時必須及時加深，卡簧座與卡簧變形及時更換新品。打撈物或打撈矛端部磨損，尾簧變形不能有效地撈取內管時，應予更換。

5.3泥漿。合理選擇鉆進泥漿，將直接影響到鉆探質量、鉆進效率和鉆探成本。

5.3.1 沖洗液的選擇。T1y、T1f、T1k、P2x等地層巖層結構完整，巖性穩定，局部破碎有裂隙和溶洞，此層鉆進宜用清水作沖洗液，如果孔內巖粉過多，可加PHP（200～300ppm）配制成無固相沖洗液，要注意的是鉆進至P2x底部之前必須換用優質泥漿鉆進。

5.3.2 泥漿性能要求及配方

（1）原漿及處理劑。①原漿：欲配制高質量的泥漿，必須配制符合要求的原漿。原漿的配制一般是先對膨潤土進行預水化，再用NaCO3進行預處理得到基漿，然后分別按比例依次加入各種處理劑，使其性能達到護孔要求。原漿性能見表3。

②處理劑：NaCO3、PHP、聚丙稀酸鈉、KP共聚物等。

（2）配方及處理劑加量

①配方：清水+膨潤土+ NaCO3+PHP+聚丙稀酸鈉+KP共聚物；②處理劑加量，詳見表4。

處理劑加量表4

（3）泥漿配制

鉆孔在使用泥漿作沖洗液之前3～5天，將粉劑聚丙稀酸鈉、HPAM（水解度30%）、KP按一定濃度在各個藥劑桶中進行溶解，并將膨潤土作預水化處理。攪拌泥漿時，依據攪拌機容積和泥漿配方，先確定膨潤土的加量，并按比例先于膨潤土加入NaCO3，攪成基漿后，再加入其他處理劑。攪拌程序及時間如下：（水+NaCO3+膨潤土）/拌5分鐘+KP/攪拌5分鐘+聚丙稀酸鈉/攪拌5分鐘+PHP/攪拌5分鐘，之后放入泥漿池。

（4）泥漿的管理。①組織管理。項目部設探礦組，探礦組對整個礦區的泥漿實行一條線管理，對泥漿管理做到：事事有人問，事事有人管，事事有人干。②泥漿的技術管理：a機臺必須嚴格按泥漿配方及攪拌程序配制泥漿；b泥漿循環槽長度不低于15m，中間0.5m3沉砂池不少于兩個；c泥漿池周邊挖排水溝，以免雨水、污水浸入而污染泥漿；d有條件的機場使用除砂器；e每天由專人測試泥漿性能，并做好記錄；f各班要及時除砂，清除巖粉，做好泥漿的凈化工作。

5.4護壁堵漏。堵漏與止涌方法選擇：對于小漏失，一般采用惰性材料堵漏；淺部漏失用套管堵漏；深部大漏失用水泥或者水泥和惰性材料混合堵漏。

5.4.1 堵漏方法：（1）惰性材料堵漏。適用于鉆孔小漏失或者深部大漏失，材料選用鋸末、棉籽殼、花生殼、爛麻繩、海帶等。使用時把上述兩種或者三種材料混合用鉆具送到漏失部位或者直接從井口投入。從井口投放時應將大塊的惰性材料切成條狀，且必須從井口邊注水邊投放，直至返水為止。投放惰性材料后，需停鉆8小時左右再鉆進。惰性材料用量需根據現場實際情況確定。（2）套管堵漏。井深在150m以內的嚴重漏失、涌水、孔壁坍塌掉塊等復雜問題，首選套管作技術處理。下管前應在復雜井段底界以下3～5m架橋，用相應口徑單管鉆具擴孔至橋面，投入3～5m高度的泥球止水后，經搗實再下入套管于橋面。應用于300m以內的漏失，用套客堵漏時，必須測準孔內水位，判明漏失層位，以免因間斷不準而造成堵漏返工或者增大無益的堵漏擴孔工作量。下管堵漏前，須在漏失部位下3～5m處架橋，并投入7～10m（搗實長度）粘性較大的黃泥或者桐油石灰，再把套管下到位。（3）水泥漿泥堵漏。一般至中等漏失，可用水泥固結處理，其配方為：水泥漿（水灰比0.5）+Nacl為1%+三乙醇胺0.1%。對于開放性漏失，用自配快干水泥堵漏，快干水泥的初凝時間要根據漏失點孔深提前進行水泥配比試驗，選擇最佳初凝時間。（4）惰性材料堵漏。一般性漏失，可將鋸末、谷（麥）殼、CMC、PAM等與黃泥做成球丸，井口投入后下擂孔鉆具將其擠壓進漏失通道處理。

5.4.2 止涌方法：（1）套管止涌。應用于300m以內的淺涌水。用套管止涌時，必須判明涌水層位，再下套管。其下管過程與堵漏完全一樣，只是井口外層套管須焊三通，把從套管之間涌出的水流引出去。（2）重泥漿止涌。鉆孔小涌水及大于300m的較大涌水。用重泥漿止涌時，首先應判明涌水層位，測出涌水水頭高度及涌水量，再按下式計算所需重泥漿的比重。求出重泥漿的比重后再根據攪拌機的容積計算加重劑的加量，便可得到符合止涌要求的重泥漿。R2=（1+h/H） ×R1

式中R2為止涌重泥漿的比重，R1為涌水時孔內泥漿的比重，h為涌水水頭高度，H為鉆孔涌水層位的深度。

5.5取芯方法及取芯工具

5.5.1 合金取芯方法。硬質合金鉆進取芯采用鐵絲卡取法：鐵絲卡芯適用于比較完整的、硬的巖礦層。易破碎的巖礦層及斜孔卡芯不宜用鐵絲卡取，鐵絲規格以10#、8#為宜，其長度一般為巖芯管內經的1.5-2倍。為便于投入，鐵絲兩端應錘尖。鐵絲投入7-9根即可。當鉆進終了時，停止鉆進，把泥漿泵關閉，從主動鉆桿投入鐵絲，用小錘輕微振動主動鉆桿，開泥漿泵，鉆進一段時間（進尺10-15cm）或活動主動鉆桿，上升10-15cm再讓它自由下降，若下降到孔底，即可起鉆，若未下到孔底，再補投鐵絲或繼續鉆進一段時間。

5.5.2 金剛石鉆進取芯方法：（1）單管鉆進取芯方法。采用鐵絲卡取法，其方法與硬質合金取芯方法一樣。（2）單動雙管鉆進取芯方法。采用卡簧卡取法，當回次終了時，把泥漿泵關閉，把液壓手柄放到提升位置，一邊往上提時一邊合車回轉，一會兒后調到稱重位置，比鉆進前稱重時要重些，說明已經把巖礦芯采到，若一樣重，說明沒有采到，繼續鉆進一段時間，再補采。

5.5.3 繩索取芯鉆進取芯方法。當回次終了時，把泥漿泵關閉，把主動鉆桿提出孔外，然后卸掉，再把打撈器（如下圖1）投入鉆桿內，聽見“卡擦”聲說明已經打撈到內管，然后用矛頭絞車把內管提出孔外，再把另一根內管投入鉆桿內，接上主動鉆桿繼續鉆進，若要加根的先加短根再接上主動鉆桿繼續鉆進；若沒有聽見“卡擦”聲，然后用矛頭絞車輕輕拉，若有阻力說明已經打撈到，若沒有阻力，再打撈一次。

5.6孔內事故的預防及處理

5.6.1 孔內事故的危害及其預防：（1）危害：降低純鉆時間及臺月效率，增加材料消耗，使鉆探成本上升，影響鉆孔質量，易引發人身傷害事故及設備事故。（2）防止：預防事故的發生，事故發生后的處理（預防為主，處理為鋪）該礦區常發生的孔內事故有兩種：燒鉆和鉆具折斷與脫落事故。

①燒鉆事故產生的原因。a概念：燒鉆是指由于沖洗液不良，孔底溫度升高造成鉆頭損壞或鉆頭與孔壁巖芯燒結為一體的孔內事故。b原因：用大鉆壓、高轉速鉆進，強研磨性地層；孔底沖洗液冷卻不良，無泵鉆進時壓力大，提動少，采芯時間過長；噴反鉆進時形成假循環。

②鉆具折斷與脫落事故及原因。a跑鉆：在起下過程中發生的鉆具脫落。原因：跑鉆；b鉆桿脫扣：鉆桿滑絲或回扣。原因：鉆具回轉不穩定；c鉆桿折斷：鉆桿或接頭從薄弱部位斷裂。原因：鉆具回轉阻力大；d掉巖芯管：巖芯管上端脫扣或折斷。原因：鉆具本身的缺陷；e掉鉆頭：鉆頭脫扣或巖芯管下端折斷。原因：操作不當。

5.6.2 孔內事故的處理方案。（1）提：利用鉆機上的升降機提、拉事故鉆具；（2）撈：下入異徑接頭對扣或絲錐連接孔內事故鉆具；（3）打：利用吊錘沖擊，振動使事故鉆具解卡；（4）震：利用高頻振動解卡；（5）沖：加強沖洗，排粉或懸浮阻卡物；（6）頂：利用千斤頂起拔事故鉆具；（7）溶：用酸堿等溶侵跑事故鉆具解卡；（8）反：利用發絲鉆桿將孔內鉆桿反出；（9）擴：用大一級鉆具擴孔解卡；（10）割：用割刀割斷事故管，然后分段處理； （11）掃：用同徑鉆具往下掃；削：將巖芯管接頭外圍掃表一層，使上部落入管內再打撈；磨：將事故鉆具“消滅”掉；（12）透：用小兩級的鉆具打小眼通過敲打管壁解卡；（13）饒：利用造斜器具使鉆孔饒過事故鉆具。

參考文獻

[1] 北京地質局編寫組.《巖心鉆探知識》[M].地質出版社出版.1973年5月.

[2] 武漢地質學院.《鉆探工藝學》（上、中冊）[M].地質出版社出版.1980年.

[3] 郝寶仁《巖心鉆探規程》[M].地質出版社出版.1988年2月.

[4] 四川省地質礦產勘查開發局一一三地質隊.《云南省宣大松樹煤礦區（北段）地質設計》[R] 2007年.